共享内存通信SMC的优势、架构、应用场景以及如何使用SMC - Alibaba Cloud Linux

Alibaba Cloud Linux 3提供的共享内存通信SMC（Shared Memory Communication）是一种兼容socket层、使用共享内存技术实现的高性能内核网络协议栈。根据共享内存技术的不同，SMC又可以细分为基于Internal Shared Memory（ISM）技术的SMC over DMA（SMC-D）和基于Remote Direct Memory Access（RDMA）技术的SMC over RDMA（SMC-R）。本文为您介绍SMC-R及其使用方法。

背景信息

SMC-R由IBM于2017年开源至Linux 4.11并持续维护至今，其协议标准可参考IETF RFC 7609。Alibaba Cloud Linux 3操作系统基于阿里云弹性RDMA（elastic RDMA，简称eRDMA）技术首次将SMC-R带上云上场景，实现对TCP应用透明无侵入的替换，提供高性能、普惠的软硬件协同网络。

SMC-R的共享内存数据交互模型依赖RDMA提供的内存操作原语。RDMA技术将网络协议栈下沉至RDMA网卡（RNIC）实现，使网络节点能够绕过内核直接访问远程内存。与TCP网络相比，RDMA网络可以减少数据在内存间拷贝的次数，降低网络传输过程中消耗的CPU资源，进而提高网络吞吐、降低网络时延。两者协议栈差异如下图所示：

因此，RDMA被广泛应用于数据密集型和计算密集型场景中，是高性能计算、机器学习、数据中心、海量存储等领域的重要解决方案。

过去，RDMA只能在一些数据中心网络中通过网卡和交换机紧密配合使用，部署复杂度高。如今，阿里云弹性RDMA将复杂的RDMA技术带到云上，使普通的ECS用户也能使用高性能的RDMA传输，无需关心底层复杂的网卡、交换机等物理网络环境配置，使其成为一种亲民、普惠的技术。

但是，RDMA技术基于IB verbs接口，与常用的POSIX socket接口存在巨大的差异。现有socket应用程序迁移至RDMA网络往往面临大量的改造，使用RDMA技术仍存在较高的技术门槛。

因此，为了充分挖掘弹性RDMA的潜力，为云上用户提供更好的网络性能，Alibaba Cloud Linux 3提供并优化了SMC-R。在高效使用RDMA技术的同时，保留对标准TCP应用的兼容，使更多的应用无需修改便能享受RDMA所带来的性能红利。

核心优势

SMC-R的优势主要体现在以下几点：

高性能
得益于RDMA技术将网络协议栈从内核卸载至硬件网卡，SMC-R相较于TCP协议栈在合适的场景下可获得更低的时延、更高的吞吐量，以及更小的CPU负载。具体表现在：
- 基于RDMA的硬件卸载。
- 高效可靠的远程内存直接访问设计。
透明替换
得益于SMC-R对POSIX socket接口的兼容以及协议栈透明替换能力，socket应用程序可以在无修改的情况下完成TCP协议栈到SMC-R协议栈的切换，无需额外的应用改造和开发成本。具体表现在：
- 兼容socket接口的共享内存通信。
- 进程或net namespace维度的透明协议替换。
- 自动协议协商和安全回退机制。

技术架构

SMC-R技术架构说明如下：

协议层次与透明替换
SMC-R工作于内核空间，向上支持用户态程序通过socket接口描述的网络行为，向下使用IB verbs接口实现RDMA网络传输。RDMA资源的使用、管理与维护均由SMC-R协议栈完成，应用程序不会感知到内核中的RDMA实体。技术架构如下图所示：
Alibaba Cloud Linux 3提供了进程或net namespace维度的TCP至SMC-R协议栈透明替换机制。通过LD_PRELOAD或sysctl net.smc.tcp2smc等方式让网络传输运行于SMC-R协议栈，使应用程序无需修改即可享受RDMA带来的网络性能提升。
自动协商和安全回退
SMC-R具备自动协商、动态回退TCP的能力。建立SMC-R通信前，协议栈首先在内核中与通信对端建立TCP连接，在握手过程中使用特殊的TCP选项表明自身支持SMC-R，并确认对端同样支持SMC-R。
- 如果协商成功，通信两侧SMC-R协议栈将创建新的或者复用已有的RDMA资源，建立可用的RDMA RC链路。从此网络传输将基于RDMA网络完成。
- 如果协商失败，例如一侧不具备RDMA设备，SMC-R协议栈将自动回退到TCP协议栈，使用协商时建立的TCP连接完成数据传输。
  说明
  SMC-R仅支持连接协商期间回退至TCP，但不支持数据传输过程中的回退。
协商和数据传输流如下图所示：
基于RDMA的共享内存通信
完成协议协商并建立连接后，协议栈为SMC-R socket分配一块用于缓存待发送数据的环形缓冲区sndbuf和一块用于缓存待接收数据的环形缓冲区RMB（Remote Memory Buffer）。
- 发送端应用程序通过socket接口将待发送数据拷贝到本侧sndbuf中，由SMC-R协议栈通过RDMA WRITE操作直接高效地写入对侧节点的RMB中。同时伴随着使用RDMA SEND/RECV操作交互连接数据管理消息，用于更新、同步环形缓冲区中的数据游标。
- 接收端SMC-R协议栈感知到RMB中填入新数据后，通过epoll等方式告知接收端应用程序将RMB中的数据拷贝到用户态，完成数据传输。所以在SMC-R中，RMB充当传输过程中的共享内存。
数据传输过程如下图所示：

应用场景

基于SMC-R的高性能、透明替换等优势，适用于网络通信占比高的场景，该技术的典型应用场景示例如下：

时延敏感的数据查询和处理
Redis、Memcached、PostgreSQL等高性能数据查询与处理的场景，对网络性能有极高的要求。SMC-R为应用提供无侵入式透明替换TCP协议栈的能力，无需应用二次开发和适配，即可为应用提供最高50%的QPS（Queries Per Second）提升。
高吞吐的数据传输
集群内的大规模数据交互与传输，往往需要占用大量的带宽和CPU资源。得益于RDMA技术带来的远程内存直接访问，SMC-R在相同的吞吐性能下，CPU资源使用显著低于TCP协议栈，为应用节省更多的计算资源。

说明

SMC-R握手涉及到RDMA资源创建和申请，所以对于频繁建立、销毁连接（短链接）场景没有收益。
SMC-R支持的连接规模受限于如下资源：
- 实例可用的物理内存大小。每个SMC-R socket所用的收发缓冲区sndbuf和RMB默认使用物理连续内存，在SMC-R连接建立时分配，大小默认为当前net.smc.wmem和net.smc.rmem值。查看方式：
```
sysctl net.smc.wmem        # 每个SMC-R socket sndbuf默认大小，单位：字节
sysctl net.smc.rmem        # 每个SMC-R socket RMB默认大小，单位：字节
```
- ERI eRDMA规格。SMC-R为连接创建的RDMA资源（例如QP、MR、CQ、PD等）上限由实例ERI eRDMA规格决定。
当SMC-R无法获取到所需资源时将会安全回退到TCP协议，确保数据传输稳定可靠。

使用说明

Alibaba Cloud Linux 3提供并优化了SMC-R内核协议栈，配合SMC-R状态监控和故障诊断工具，您可以通过以下步骤使用SMC-R：

创建支持ERI的ECS实例。
SMC-R基于RDMA实现，因此使用SMC-R前需要创建支持ERI功能的ECS实例，以获得云上RDMA能力。具体操作，请参见在企业级实例上配置eRDMA。
重要
阿里云ERI eRDMA设备与SMC目前均不支持使用IPv6地址。如果应用层使用IPv6地址，会导致SMC回退到TCP协议栈。
执行以下命令，加载smc和smc_diag内核模块。
```
modprobe smc
modprobe smc_diag
```
您可以执行dmesg命令查看内核打印信息。如果看到如下信息，说明加载成功。
```
smc: smc: load SMC module with reserve_mode
NET: Registered protocol family 43
smc: netns <netns ID> reserved ports [65500 ~ 65515] for eRDMA OOB
smc: adding ib device erdma_0 with port count 1
smc:    ib device erdma_0 port 1 has pnetid
```
说明
由于SMC支持ERI eRDMA方式的特殊性，自ANCK 5.10.134-015内核版本起，SMC内核模块加载时将尝试占用当前可访问ERI设备的net namespace中65500~65515共16个socket端口，用于RDMA带外（OOB）建连。如果端口占用失败将无法在SMC模块中使用ERI eRDMA设备（但仍可以加载SMC模块）。卸载SMC模块时将自动解除端口占用。
- 查看内核版本：
  uname -r
- SMC模块加载时因端口占用失败而无法使用ERI eRDMA设备的dmesg警告信息：
  smc: smc: load SMC module with reserve_mode NET: Registered protocol family 43 warning: smc: netns <netns ID> reserved ports <占用失败的端口号> FAIL for eRDMA OOB
- 卸载SMC模块：
  rmmod smc_diag rmmod smc
- 卸载模块时的打印信息：
  NET: Unregistered protocol family 43 smc: removing ib device erdma_0 smc: netns <netns ID> released ports [65500 ~ 65515] used by eRDMA OOB
执行以下命令，安装SMC的运维工具集smc-tools。
```
yum install -y smc-tools
```
（可选）设置收发缓冲区默认大小。
如技术架构：基于RDMA的共享内存通信中所述，SMC-R协议栈会为每个SMC-R socket分配一块用于缓存待发送数据的环形缓冲区sndbuf和一块用于缓存待接收数据的环形缓冲区RMB。SMC-R中sndbuf与RMB概念可类比于TCP协议中的send buffer与receive buffer，有效值范围为16 KB到512 KB。
对于注重吞吐性能的网络模型可以通过下述方式调整SMC-R socket sndbuf和RMB的默认大小，以获得最佳的SMC-R网络加速效果。
Alibaba Cloud Linux 3提供了sysctl net.smc.wmem和sysctl net.smc.rmem来设置当前net namespace中所有新建SMC-R socket的sndbuf和RMB的默认大小，已建立连接的SMC-R socket的sndbuf和RMB不受影响。具体步骤为：
```
sysctl net.smc.wmem=<sndbuf 指定值，以字节为单位>
sysctl net.smc.rmem=<RMB 指定值，以字节为单位>
```
sysctl net.smc.wmem和sysctl net.smc.rmem的初始化值为 256 KB。
除了上述设置SMC-R socket的sndbuf和RMB默认值的方法，应用程序还可以通过setsockopt()系统调用，在建立连接前设置SMC-R socket的SO_SNDBUF和SO_RCVBUF选项值，进而改变SMC-R socket所使用的sndbuf和RMB大小。
基于SMC协议栈运行TCP socket应用程序。
Alibaba Cloud Linux 3支持两个维度的透明替换。具体说明如下：
- net namespace维度透明替换
  Alibaba Cloud Linux 3提供了net namespace维度的协议透明替换功能，可以通过sysctl net.smc.tcp2smc将net namespace中所有符合如下条件的TCP socket替换为SMC socket。
  - family为AF_INET
  - type为SOCK_STREAM
  - protocol为IPPROTO_IP或IPPROTO_TCP
  替换过程如下图所示：
  在net namespace维度开启透明替换的操作步骤如下：
  执行以下命令，打开net namespace范围全局替换开关net.smc.tcp2smc。
  sysctl net.smc.tcp2smc=1
  默认情况下，sysctl net.smc.tcp2smc=0，处在关闭状态。
  执行以下命令，在此net namespace中运行TCP socket应用程序。
  ./foo
  此时foo应用程序创建的TCP socket将被透明替换为SMC socket。通过SMC-R协议栈处理应用程序网络行为。如技术架构：自动协商和安全回退中所述，如果通信对端同样支持SMC-R协议并协商成功，则两端将基于RDMA网络完成数据传输，否则将安全回退使用TCP网络传输。
  执行以下命令，关闭net namespace范围全局替换开关net.smc.tcp2smc。
  sysctl net.smc.tcp2smc=0
- 进程维度透明替换
  Alibaba Cloud Linux 3还提供了进程维度的协议透明替换功能，该功能实现需要基于SMC-R的监控诊断工具smc-tools。smc-tools的安装操作，请参见安装smc-tools工具。
  替换过程如下图所示：
  使用smc-tools工具集中的脚本smc_run运行应用程序时，smc_run通过环境变量LD_PRELOAD将smc-tools工具集中的libsmc-preload.so定义为优先加载的动态库。
  libsmc-preload.so将把应用程序及其子进程中符合如下条件的TCP socket替换为SMC socket。
  family为AF_INET
  type为SOCK_STREAM
  protocol为IPPROTO_IP或IPPROTO_TCP
执行以下命令，指定TCP socket程序foo运行在SMC-R协议栈。
```
smc_run ./foo
```
此时foo应用程序创建的TCP socket将被透明替换为SMC socket。通过SMC-R协议栈处理应用程序网络行为。如技术架构：自动协商和安全回退中所述，如果通信对端同样支持SMC-R协议并协商成功，则两端将基于RDMA网络完成数据传输，否则将安全回退使用TCP网络传输。

监控诊断

在使用SMC过程中，您可以使用smc-tools工具监控和诊断SMC内核协议栈，了解和掌握SMC网络流量的各类指标，判断网络健康状况。更多信息，请参见共享内存通信（SMC）监控和诊断。

常见问题

如果您在使用SMC过程中无法正常通信、遇到部分端口不可用等问题，您可以参考共享内存通信（SMC）常见问题进行解决。