Was ist der Unterschied zwischen InfiniBand und Ethernet?

In der Welt der Konnektivität haben InfiniBand und Ethernet jeweils ihre eigenen Merkmale, sodass es schwierig ist zu sagen, welches besser ist. Beide haben sich in unterschiedlichen Anwendungsszenarien entwickelt und sind damit zwei unverzichtbare Technologien für Netzwerke.

InfiniBand und Ethernet: Was sind sie?

InfiniBand-Netzwerke

InfiniBand und Ethernet unterscheiden sich im Design stark: InfiniBand glänzt in Supercomputer-Clustern durch seine hohe Zuverlässigkeit, geringe Latenz und hohe Bandbreite und ist damit die bevorzugte Verbindungstechnologie für die meisten Server, insbesondere GPU-Server. Bei einer Datenrate von 10 Gbit/s ermöglicht InfiniBand jedem Kanal, Signale mit einfacher Datenrate (SDR) mit einer Basisrate von 2,5 Gbit/s zu übertragen. Einzelne Kanäle können auf 5 Gbit/s und 10 Gbit/s erweitert werden, was zu Datenraten von bis zu 40 Gbit/s mit 4X-Kabeln und 120 Gbit/s mit 12X-Kabeln führt; außerdem können die 2x (DDR)- und 4x (QDR)-Datenratensignale von InfiniBand unterstützt werden.

Ethernet

Seit seiner Veröffentlichung am 30. September 1980 ist Ethernet zum am häufigsten verwendeten Kommunikationsprotokoll in LANs geworden. Im Gegensatz zu InfiniBand wurde Ethernet mit dem Ziel entwickelt, den Informationsfluss zwischen mehreren Systemen zu erleichtern. Es verwendet hauptsächlich eine verteilte Architektur und basiert auf Kompatibilität. Traditionelles Ethernet basiert in der Regel auf TCP/IP, um ein Netzwerk aufzubauen, das sich heutzutage zu RoCE (RDMA over Converged Ethernet) weiterentwickelt. Im Allgemeinen kann Ethernet verwendet werden, um Computer und andere Geräte in einem LAN zu verbinden, zum Beispiel um eine Verbindung zwischen einem Computer und einem Drucker oder einem Druckerscanner oder Ähnlichem mit einem LAN herzustellen. Nicht nur kabelgebundene Netzwerke können über Glasfaser verbunden werden, sondern auch drahtlose Konnektivität ist über Funktechnologie möglich. Zu den wichtigsten Arten von Ethernet gehören Fast Ethernet, Gigabit Ethernet, 10 Gigabit Ethernet, und Switched Ethernet.

Unterschiede zwischen InfiniBand und Ethernet

Im Szenario des High-Performance Computing wurde InfiniBand ursprünglich entwickelt, um den Engpass bei der Datenübertragung in Clustern zu beheben und sich an die Anforderungen der Zeit anzupassen. Daher gibt es deutliche Unterschiede zwischen InfiniBand und Ethernet in Bezug auf Bandbreite, Latenz, Netzwerkzuverlässigkeit, Technologie und Anwendungsszenarien.

Bandbreite

Seit seiner Einführung ist InfiniBand Ethernet voraus. Der Hauptgrund dafür ist, dass InfiniBand überwiegend zur Verbindung von Servern im Hochleistungsrechnen verwendet wird, während Ethernet sich stärker auf die Konnektivität von Endgeräten mit relativ geringen Bandbreitenanforderungen konzentriert. Daher berücksichtigen Ethernet-Standards in der Regel nur, wie Interoperabilität erreicht werden kann, während InfiniBand-Standards umfassender sind und sich nicht nur auf Interoperabilität konzentrieren, sondern auch darauf, wie die Belastung der CPU während der Hochgeschwindigkeitsdatenübertragung reduziert werden kann, um sicherzustellen, dass die Bandbreite effizient genutzt wird und so wenig CPU-Ressourcen wie möglich beansprucht werden.

Wenn der Netzwerkverkehr 10G übersteigt, wäre es eine Ressourcenverschwendung, wenn die gesamte Paketkapselung und -entkapselung auf CPU-Verarbeitung angewiesen wäre. Es ist so, als würde man teure CPU-Ressourcen für einfache Netzwerkübertragungsaufgaben einsetzen, was aus Sicht der Ressourcenzuweisung nicht kosteneffizient ist.

Um dieses Problem zu bewältigen, lag die SDR-Rate der ersten Generation von InfiniBand bei 10Gbps. Daher übernahm es die Idee der DMA-Technologie und umging die CPU, was nicht nur die Bandbreite der Datenübertragung erhöhte, sondern auch die CPU entlastete, indem es die RDMA-Technologie vorschlug, die diese Herausforderung perfekt löste. Mit RDMA muss die CPU aufgrund der erheblichen Erhöhung der Bandbreite keine zusätzlichen Ressourcen für die Verarbeitung von Netzwerktransaktionen verbrauchen, wodurch das gesamte High-Performance-Computing nicht verlangsamt wird. Aus diesem Grund hat sich InfiniBand rasch von SDR mit 10Gbps zu den heutigen HDR 200Gbps, 400Gbps und sogar 800Gbps XDR weiterentwickelt.

Netzwerklatenz

InfiniBand und Ethernet unterscheiden sich hinsichtlich der Latenz erheblich. Ethernet-Switches verwenden Store-and-Forward und MAC-Adresstabellensuche, was zu relativ langen Verarbeitungszeiten führt. Im Gegensatz dazu benötigen InfiniBand-Switches nur eine 16-Bit-LID, um den Weiterleitungspfad zu ermitteln, und verwenden Cut-Through-Technologie, um die Weiterleitungslatenz auf weniger als 100ns zu reduzieren, was deutlich schneller ist.

Netzwerkzuverlässigkeit

Beim High-Performance Computing können Paketverlust und erneute Übertragung die Gesamtleistung erheblich beeinträchtigen, daher sind hochzuverlässige Netzwerkprotokolle erforderlich. InfiniBand verwendet einen Class-of-Service-Mechanismus (CoS), der von Layer 1 bis Layer 4 implementiert ist, sodass er stets Top-down und hierarchisch mit statischer verlustfreier Paketweiterleitung arbeitet. Ethernet hingegen verfügt nicht über einen planungsbasierten Mechanismus zur Verkehrssteuerung, um Netzwerküberlastungen effizient zu bewältigen. Infolgedessen verbrauchen Ethernet-Switches bei hohem Datenverkehr mehr Cache-Ressourcen und erhöhen durch den Energieverbrauch die Kosten.

Netzwerkansatz

Aus Netzwerksicht ist InfiniBand relativ einfach zu verwalten. Das Konzept von SDN ist in seinem Design enthalten, und jeder Subnetzmanager im Netzwerk ist dafür verantwortlich, die IDs der Netzwerkknoten zu konfigurieren und Weiterleitungspfade einheitlich zu berechnen. Ethernet-Netzwerke hingegen erfordern das regelmäßige Senden von Paketen zur Aktualisierung von MAC-Tabelleneinträgen und die Implementierung des VLAN-Mechanismus, was relativ komplexer ist.

Auch die Topologien dieser beiden Netzwerke unterscheiden sich; Ethernet unterstützt eine Vielzahl von Topologien, darunter Stern-Baum-Topologien und andere Topologien. Das Design kann flexibel angepasst werden, um das Netzwerk bedarfsgerecht zu erweitern. InfiniBand hingegen verwendet in der Regel eine dedizierte Topologie (Fat Tree oder Dragonfly usw.), die für hohe Bandbreite und geringe Latenz optimiert ist, aber bei groß angelegter Erweiterung mehr Designüberlegungen erfordert.

Anwendungsszenarien

InfiniBand wird aufgrund seiner hohen Bandbreite, geringen Latenz und guten Unterstützung für paralleles Rechnen häufig in High-Performance-Computing-Umgebungen eingesetzt. Ethernet hingegen wird häufig in Unternehmensnetzwerken, Heimnetzwerken usw. verwendet und nimmt aufgrund seiner niedrigen Kosten und umfassenden Standardisierungsvorteile weiterhin einen wichtigen Markt ein. Da die Nachfrage nach Rechenleistung weiter steigt, ist der Einsatz von InfiniBand in den weltweit führenden 500 Supercomputing-Zentren besonders entscheidend.

Gleichzeitig ist zu berücksichtigen, dass die beiden Aspekte der Netzwerkkompatibilität unterschiedlich sind. Bei Ethernet unterstützen fast alle Netzwerkgeräte Ethernet-Konnektivität. Es ist einfach, Produkte verschiedener Geräteanbieter für Netzwerkanwendungen zu verwenden. InfiniBand hingegen hat zwar einen Vorteil in Bezug auf die Leistung, verwendet jedoch in der Regel spezialisierte Geräte, was viele Einschränkungen hinsichtlich Kompatibilität und Flexibilität mit sich bringt.

Einführung in optische InfiniBand- und Ethernet-Transceiver von QSFPTEK

QSFPTEK kann 400G NDR InfiniBand Optical Module und 800G NDR InfiniBand Optical Module bereitstellen, The 800G OSFP PAM4 Optische Transceiver werden häufig in Rechenzentren sowie in 800G- und 2x 400G-Anwendungen eingesetzt. Bei Ethernet-Modulen können optische Ethernet-Transceiver von 1G bis 800G bereitgestellt werden. Neben regulären Modulen sind auch WDM-Transceiver und kohärente Transceiver mit vielen Datenraten verfügbar. Jedes optische QSFPTEK-Gerät wird zu 100 % in Marken-Switch-Geräten getestet, um einen einwandfreien Produktbetrieb sicherzustellen.

Fazit

InfiniBand und Ethernet eignen sich jeweils für unterschiedliche Szenarien. InfiniBand kann die Rate erheblich erhöhen und gleichzeitig die CPU-Belastung reduzieren, was zu einer höheren Netzwerkauslastung führt. Deshalb ist es eine der wichtigsten Lösungen im HPC-Bereich. In Zukunft werden wahrscheinlich noch schnellere InfiniBand-Produkte auf den Markt kommen. Wenn die Latenzanforderungen zwischen Rechenzentren nicht hoch sind und Flexibilität sowie Skalierbarkeit wichtiger sind, ist Ethernet sicherlich eine erwägenswerte Option.