核心旁路網絡：利用 RDMA、RoCE 降低延遲

隨著即時分析、AI/ML 訓練叢集與高速金融交易日益普及，企業對網路延遲與吞吐量的要求達到新高。傳統以作業系統核心為主的網路協定堆疊，在現今追求微秒級回應與極致運算效率的場景下，已難以滿足需求。Kernel bypass networking（核心旁路網路架構），結合 Remote Direct Memory Access（RDMA）與 RDMA over Converged Ethernet（RoCE），正是現代資料中心實現高效能、低延遲網路架構的關鍵技術。

標準網路協定堆疊的限制

傳統 TCP/IP 網路架構，每個封包都需經過多層作業系統核心堆疊，牽涉到多次上下文切換（context switch）、用戶空間與核心空間的資料複製，以及協定處理負載。這些流程帶來額外延遲，並大量佔用 CPU 資源。當網路速率從 10Gbps 躍升至 100Gbps、200Gbps 甚至更高時，單一封包的可用處理時間已降至奈秒等級，遠超過傳統核心堆疊的能力極限。

Kernel Bypass Networking 的原理

Kernel bypass networking 讓應用程式可直接與網路介面卡（NIC）互動，將作業系統核心從資料傳輸路徑中移除。這項技術以記憶體註冊與資源映射（memory registration & mapping）為基礎，實現用戶空間與 NIC 之間的零複製（zero-copy）資料交換，大幅降低延遲。

RDMA 屬於典型的 kernel bypass 技術，允許伺服器間直接記憶體存取，不需本地或遠端 CPU、核心參與。其運作仰賴記憶體註冊、佇列對（Queue Pairs, QP）與完成佇列（Completion Queue, CQ），全由 RDMA NIC（rNIC）硬體負責。RoCE 則將 RDMA 應用於現有乙太網路，讓企業在不更換網路主幹下，享有近似 InfiniBand 的效能。

RDMA 與 RoCE 的關鍵技術解構

• 記憶體註冊與鎖頁（Pinning）： 進行資料傳輸前，應用程式需將目標記憶體區塊註冊至 rNIC，確保頁面不會被 swap 出核心，避免 RDMA 操作中斷。
• 佇列對（Queue Pairs, QP）： RDMA 通訊以佇列對為基礎，每對包含傳送與接收佇列，應用程式將工作請求（Work Request, WR）送入佇列，由 rNIC 執行資料搬移。
• 完成佇列（Completion Queue, CQ）： rNIC 處理 WR 後，會於 CQ 回報完成事件，應用程式可即時獲知傳輸狀態，無需傳統中斷。
• 傳輸協定選擇：
• InfiniBand：專為 RDMA 設計的低延遲協定，硬體專屬但成本較高。
• RoCEv1：Layer 2，適合單一廣播網域。
• RoCEv2：Layer 3，UDP 封包可跨子網，適用多站點與雲端部署，但需依賴無損乙太網。
• 無損乙太網（Lossless Ethernet）： RoCE，特別是 RoCEv2，需網路層完全無封包遺失，否則效能大幅下降。這需仰賴 Data Center Bridging（DCB）功能，包括：
• Priority Flow Control (PFC)： 針對特定流量類型（如 RDMA）進行流控，預防緩衝區溢位。
• Explicit Congestion Notification (ECN)： 壅塞預警，讓端點主動降速，避免丟包。
• Enhanced Transmission Selection (ETS)： 分配頻寬，保障 RDMA 流量優先權。

部署步驟與基礎設施規劃要點

1. 硬體選型

• 選購具 RDMA 支援的企業級 NIC（如 Mellanox ConnectX、Intel E810），並確認乙太網交換器支援 DCB。
• 硬體平台需具足夠 PCIe 頻寬，避免主機板瓶頸。
2. 網路架構設計

• 採用 leaf-spine 架構，確保低延遲與高穩定性。
• 利用 VLAN 或 VRF，將 RDMA 流量獨立於一般服務網，提升隔離性。
3. 記憶體與緩衝優化

• 配置大區塊連續記憶體，並監控註冊上限。
• 系統參數（如 Linux memlock）需放寬，容納高流量 RDMA 作業。
4. 無損乙太網設定

• 於所有交換器啟用 PFC 及 ECN，並為 RDMA 流量設專用優先級。
• 監控緩衝區使用、PFC 暫停事件與 ECN 標記，持續調整參數。
5. RDMA 軟體堆疊與應用整合

• 安裝與設定 RDMA 驅動程式（如 rdma-core、libibverbs）於所有主機。
• 應用程式端需支援 RDMA verbs API，或透過 MPI、NVMe-oF、RDMA 資料庫等中介整合。
6. 效能測試與驗證

• 使用 ib_send_bw、rping 等工具實測延遲與吞吐量。
• 持續監控 CPU 使用狀況、佇列深度及 CQ 狀態，及早調校瓶頸。

應用場景與效益

• AI/ML 分散式訓練： RDMA 加速 GPU 與計算節點間參數同步，縮短模型訓練週期。
• NVMe over Fabrics（NVMe-oF）： RoCE 支援儲存解耦，提供近本機 NVMe 效能的遠端存取。
• 金融交易系統： Kernel bypass 確保訂單與行情資訊傳輸具決定性微秒延遲。
• 超融合基礎設施： 例如 VMware vSAN 採用 RoCE 降低節點間 I/O 延遲，提升虛擬化效能。

Dataplugs 基礎設施如何支援 Kernel Bypass Networking

Kernel bypass networking 要發揮最大效益，需仰賴高可靠、高效能且適合 RDMA 架構的基礎設施。Dataplugs 提供多 Tbps BGP 網路主幹、直連 CN2 低延遲中國路線與 Tier-1 ISP 互連，讓 RDMA 與 RoCE 部署享有穩定高頻寬、低延遲與高安全性的網路環境。

Dataplugs 數據中心配備企業級硬體、充足 PCIe 資源與 24×7 技術支援，適合 AI 叢集、NVMe-oF 儲存、金融交易等多種 RDMA 應用。企業可依據業務需求，彈性選擇 GPU、NVMe、RDMA NIC 等規格，確保高效彈性部署。

總結

Kernel bypass networking 透過 RDMA 與 RoCE，為企業提供突破性低延遲、高效能的資料中心網路架構，徹底擺脫傳統核心堆疊瓶頸，奠定未來即時運算、AI、大數據等新世代應用基礎。只要妥善規劃、精準調校，加上如 Dataplugs 這類專業基礎設施夥伴的支援，即可全面發揮 kernel bypass 的潛力，於數位轉型潮流中佔得先機。如需更深入的 RDMA、RoCE 技術諮詢或專屬部署建議，歡迎即時聯絡 Dataplugs 團隊（網站即時聊天或 sales@dataplugs.com）。