Was ist InfiniBand und wie funktioniert es?

InfiniBand ist eine Hochleistungsnetzwerkarchitektur. In den letzten Jahren hat sie aufgrund der starken Zunahme von HPC-Modellen, die von ChatGPT repräsentiert werden, zunehmend an Aufmerksamkeit gewonnen. Diese HPC-Modelle basieren auf InfiniBand, entwickelt von NVIDIA. Es wird hauptsächlich für die Hochgeschwindigkeitsdatenübertragung zwischen Systemen verwendet und unterstützt mehrere Kommunikationsmodi. Im Folgenden erkläre ich Ihnen im Detail, was InfiniBand ist und wie es funktioniert.

InfiniBand: Eine ausführliche Erklärung

InfiniBand ist eine Hochgeschwindigkeits-Verbindungstechnologie mit geringer Latenz, die hauptsächlich in Rechenzentren und Hochleistungsrechnerumgebungen eingesetzt wird. Sie bietet eine leistungsstarke Netzwerkarchitektur für Servicebereiche und Speichereinrichtungen innerhalb eines Clusters oder Rechenzentrums sowie für andere Netzwerkressourcen. InfiniBand-Geräte umfassen in der Regel Optische InfiniBand-Module, InfiniBand-Switches usw.

Wie funktioniert InfiniBand?

InfiniBand verwendet im Allgemeinen eine zweischichtige Architektur, die die Netzwerkschicht von der Bitübertragungsschicht und der Sicherungsschicht trennt. Jede Schicht ist für unterschiedliche Funktionen zuständig. Die Bitübertragungsschicht stellt direkte Punkt-zu-Punkt-Verbindungen zwischen Geräten über serielle Verbindungen mit hoher Bandbreite her, während die Sicherungsschicht die Übertragung und den Empfang von Paketen zwischen den Geräten übernimmt. Die Netzwerkschicht ist für die Bereitstellung wichtiger Funktionen von InfiniBand wie QoS, Virtualisierung und RDMA verantwortlich. Die Koordination zwischen den Schichten macht InfiniBand zu einem leistungsstarken Tool zur Unterstützung von HPC-Aufgaben, die geringe Latenz und hohe Bandbreite erfordern.

InfiniBand: Erklärung des Funktionsprinzips

Nachdem ich verstanden habe, was InfiniBand ist, werde ich Ihnen sein Funktionsprinzip vorstellen

RDMA: Die Grundfunktion von InfiniBand

Eine wichtige Grundfunktion der InfiniBand-Architektur ist RDMA. Damit können Daten direkt im Anwendungsspeicher übertragen werden, ohne die CPU zu durchlaufen. Dies reduziert nicht nur die Latenz, sondern verbessert auch die Systembetriebseffizienz. RDMA ist auch eine der Grundfunktionen vieler Rechenzentrumsschalter.

InfiniBand-Netzwerk und -Architektur

InfiniBand nutzt eine Switching-Fabric-Architektur, um mehrere Knoten über Switches miteinander zu verbinden. Mit dieser Architektur kann eine Kommunikation mit hoher Bandbreite und geringer Latenz zwischen den Knoten ermöglicht werden, was sich hervorragend für Anwendungsumgebungen wie HPC eignet. Die Komponenten dieser kanalbasierten Struktur lassen sich in die folgenden vier Kategorien unterteilen:

HCA (Host Channel Adapter): Es handelt sich um einen Host-Kanaladapter, der als Schnittstelle zwischen dem Host und dem InfiniBand-Netzwerk fungiert und den internen Datenbus des Hosts in das InfiniBand-Datenformat konvertiert.

TCA (Zielkanaladapter): Wird für den Betrieb des Zielgeräts innerhalb des InfiniBand-Netzwerks verwendet. Seine Hauptfunktion besteht darin, den Datenempfang und die Datenverarbeitung auf dem Zielgerät zu verwalten.

InfiniBand-Link: Bezeichnet die physische und logische Verbindung zwischen zwei Knoten im InfiniBand-Netzwerk. Sie stellt einen Kanal für die Datenübertragung bereit und unterstützt den Hochgeschwindigkeitsdatenaustausch. In der Regel werden Medien wie Glasfaser, Kabel oder sogar integrierte Verbindungen im Gerät verwendet, um die Verbindung herzustellen.

InfiniBand-Switches und -Router: Diese Geräte spielen eine wichtige Rolle bei der Vernetzung innerhalb der InfiniBand-Infrastruktur. Sie verwalten das Routing von Datenpaketen zwischen verschiedenen mit dem Netzwerk verbundenen Geräten, um eine reibungslose Kommunikation und einen reibungslosen Datenaustausch zu ermöglichen.

Vorteile von InfiniBand

Hohe Bandbreite und geringe LatenzInfiniBand bietet Bandbreiten von bis zu 200 Gbit/s oder sogar mehr. Dieser schnelle Datenaustausch ist besonders wichtig für Anwendungen und Workloads mit hohem Durchsatz, wie z. B. HPC und Big Data. InfiniBand unterstützt zudem die direkte Datenübertragung zwischen Speicherbereichen über RDMA und Switching Fabric-Architektur und hält die Latenz im Mikrosekundenbereich, was für HFT und die Finanzbranche von großer Bedeutung ist.

Flexible SkalierbarkeitInfiniBand ist zudem hochgradig skalierbar und seine skalierbare Architektur kann den sich ändernden Anforderungen von Rechenzentren gerecht werden. Es passt sich wachsenden Geschäftsanforderungen durch nahtlose Erweiterung der Netzwerkkapazität an und unterstützt die dynamische Ressourcenzuweisung. Seine Architektur unterstützt die Vernetzung Tausender Knoten, um Rechenleistungsanforderungen unterschiedlicher Größenordnungen zu erfüllen.

Niedriger StromverbrauchInfiniBand bietet höhere Leistung bei geringerem Stromverbrauch. Dank RDMA muss die Datenübertragung nicht von der CPU verarbeitet werden, sondern wird direkt von einem Knotenspeicher zum anderen übertragen. Dies reduziert die CPU-Belastung und senkt den Gesamtstromverbrauch. Darüber hinaus verfügen InfiniBand-Geräte über dedizierte Hardwarebeschleuniger, die für eine effizientere Datenverarbeitung und -übertragung optimiert werden können, was den Stromverbrauch senkt.

Hohe Zuverlässigkeit: InfiniBand unterstützt außerdem Mehrwegeredundanz und schnelle Fehlerbehebungsmechanismen, um die Zuverlässigkeit und Verfügbarkeit der Datenübertragung sicherzustellen.

Anwendung von InfiniBand

InfiniBand spielt heute in zahlreichen Branchen eine unverzichtbare Rolle. Seine Fähigkeit zur Hochgeschwindigkeitsdatenübertragung ist für viele Branchen zu einer Schlüssellösung geworden.

InfiniBand-Anwendungen in der künstlichen Intelligenz

Beim Training künstlicher Intelligenzmodelle müssen täglich große Mengen an Datensätzen verarbeitet werden. InfiniBand bietet Netzwerkverbindungen mit hoher Bandbreite und geringer Latenz, um das Modelltraining zu beschleunigen. Durch RDMA ist zudem eine Kommunikation zwischen Knoten mit extrem geringer Latenz möglich, was die Trainingseffizienz verbessert.

InfiniBand in HPC-Workloads

InfiniBand spielt auch bei HPC-Workloads eine wichtige Rolle. Es bietet hohe Bandbreite und geringe Latenz und kann gleichzeitig große Datenmengen verarbeiten, wodurch die Gesamtleistung des Netzwerks verbessert wird. Es eignet sich auch für besonders anspruchsvolle Aufgaben, beispielsweise in der Finanzbranche, der medizinischen Diagnostik usw.

Für Speichernetzwerke

InfiniBand kann in Speichernetzwerken eingesetzt werden, um Speicher-Arrays und Netzwerkgeräte für effizienten Datenzugriff und -übertragung zu verbinden. Es unterstützt RDMA, wodurch die Latenz des Speicherzugriffs reduziert und die Leistung von Speichersystemen verbessert werden kann.

InfiniBnad-Transceiver von QSFPTEK

Fazit

InfiniBand erreicht seine erwarteten Ziele durch eine einzigartige Architektur angesichts wachsender Anforderungen an die Netzwerkbandbreite und geringe Latenz. Es erfüllt nicht nur die Netzwerkanforderungen von High-Performance-Computing (HPC) und Rechenzentren, sondern bietet auch eine gute Unterstützung für das Training künstlicher Intelligenzmodelle wie ChatGPT. In einer Gesellschaft, in der Wissenschaft und Technologie täglich voranschreiten, wird es in Zukunft zweifellos bessere Anwendungsszenarien geben. Bei Fragen zu InfiniBand wenden Sie sich bitte an die CCIE/HCIE-Ingenieure von QSFPTEK unter [email protected].