CN112256407A - 一种基于rdma的容器网络、通信方法及计算机可读介质 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于RDMA的容器网络、通信方法及计算机可读介质，其容器端建立与其对应的第一收发队列、第一完成队列和第一内存，软件虚拟交换机建立与容器端对应的第二收发队列、第二完成队列和第二内存，依据内存关联指令将与容器端对应的第一内存和第二内存进行关联，通过与另一容器端交换各自的第一收发队列ID和第二收发队列ID，以实现互相通信的两个容器端的第一收发队列配对，并将配对信息发送给软件虚拟交换机，以实现互相通信的两个容器端的第二收发队列配对，应用程序通过虚拟端口调用API配置RDMA网卡，数据面和容器内部共享内存的方式，从而达到数据的流转，又能解决现有RDMA的容器网络无法实现容器热迁移的问题。
Description
技术领域
本发明属于容器通信技术领域，更具体地，涉及一种基于RDMA的容器网络、通信方法及计算机可读介质。
背景技术
RDMA(Remote Direct Memory Access)技术全称远程直接数据存取，其为了解决网络传输中服务器端数据处理的延迟而产生的。RDMA通过网络把资料直接传入计算机的存储区，将数据从一个系统快速移动到远程系统存储器中，而不对操作系统造成任何影响，这样就不需要用到多少计算机的处理功能。它消除了外部存储器复制和上下文切换的开销，因而能解放内存带宽和CPU周期用于改进应用系统性能。
RDMA的基本原理就是将大多数网络功能卸载到NIC（网络接口控制器）上，裸机情况下应用程序利用各个硬件厂商提供的标准RDMA API直接向硬件NIC发送命令，以实现控制和数据路径功能；而在容器云环境下，基于namespace隔离的应用程序是难以直接修改硬件中的控制平面状态（例如，路由），基于硬件的I/O虚拟化技术SR-IOV去实现容器RDMA通信具有根本的移植性限制，其需要重新配置硬件网卡和交换机来支持容器的迁移，即使用这种方案，容器就会失去可移植性的特点，无法控制数据。
发明内容
针对现有技术的至少一个缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于RDMA的容器网络、通信方法及计算机可读介质，旨在解决基于RDMA的容器网络不具有隔离性、可移植性和可控性的技术问题。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种基于RDMA的容器网络，该容器网络包括：
Net SDK，用于截获容器外部通信数据以获取其对应的虚拟网卡ID，发送第一队列创建指令和第一内存创建指令给容器端对应的虚拟网卡，发送第二队列创建指令、第二内存创建指令及内存关联指令给软件虚拟交换机；
容器端，用于依据第一队列创建指令在其虚拟网卡上建立与容器端对应的第一收发队列和第一完成队列；依据第一内存创建指令建立与第一完成队列对应的第一内存；通过应用程序查询指令获取与其对应的第一收发队列ID和第二收发队列ID，通过与另一容器端交换各自的第一收发队列ID和第二收发队列ID，以实现互相通信的两个容器端的第一收发队列配对，并将配对信息发送给软件虚拟交换机；
软件虚拟交换机，用于依据第二队列创建指令建立与容器端对应的第二收发队列和第二完成队列，依据第二内存创建指令建立与第二完成队列对应的第二内存，依据内存关联指令将与容器端对应的第一内存和第二内存进行关联，依据接收的配对信息实现互相通信的两个容器端的第二收发队列配对。
作为本发明的进一步改进，系统的数据通信过程包括：
通过发送端应用程序的发送指令触发Net SDK复制容器对应的第一内存数据至第二内存，同时触发接收端应用程序的接收指令，将发送端第二内存数据发送至接收端的第二内存，通过接收端应用程序的发送指令触发Net SDK复制接收端的第二内存数据至对应的第一内存。
作为本发明的进一步改进，通过容器应用程序的检测指令检测发送端或接收端的第一完成队列，以获知数据发送是否完成。
作为本发明的进一步改进，对于同一个收发队列的多个发送操作，通过发送端应用程序的发送指令触发Net SDK复制容器对应的第一内存数据至第二内存，同时触发接收端应用程序的接收指令，将发送端第二内存数据发送至接收端的第二内存，接收端的第二内存接收所有发送数据之后，再通过接收端应用程序的发送指令触发Net SDK复制接收端的第二内存数据至对应的第一内存。
为实现上述目的，按照本发明的另一个方面，提供了一种基于RDMA的容器网络的通信方法，该方法包括：
截获容器外部通信数据以获取其对应的虚拟网卡ID，发送第一队列创建指令和第一内存创建指令给容器端对应的虚拟网卡，发送第二队列创建指令、第二内存创建指令及内存关联指令给软件虚拟交换机；
容器端依据第一队列创建指令在其虚拟网卡上建立与容器端对应的第一收发队列和第一完成队列；依据第一内存创建指令建立与第一完成队列对应的第一内存；
软件虚拟交换机依据第二队列创建指令建立与容器端对应的第二收发队列和第二完成队列，依据第二内存创建指令建立与第二完成队列对应的第二内存；
互相通信的两个容器端通过应用程序查询指令获取与其对应的第一收发队列ID和第二收发队列ID，通过交换各自的第一收发队列ID和第二收发队列ID，以实现互相通信的两个容器端的第一收发队列配对，并将配对信息发送给软件虚拟交换机；
软件虚拟交换机依据内存关联指令将与容器端对应的第一内存和第二内存进行关联，依据接收的配对信息实现互相通信的两个容器端的第二收发队列配对。
作为本发明的进一步改进，其数据通信过程包括：
通过发送端应用程序的发送指令触发Net SDK复制容器对应的第一内存数据至第二内存，同时触发接收端应用程序的接收指令，将发送端第二内存数据发送至接收端的第二内存，通过接收端应用程序的发送指令触发Net SDK复制接收端的第二内存数据至对应的第一内存。
作为本发明的进一步改进，通过容器应用程序的检测指令检测发送端或接收端的第一完成队列，以获知数据发送是否完成。
作为本发明的进一步改进，对于同一个收发队列的多个发送操作，通过发送端应用程序的发送指令触发Net SDK复制容器对应的第一内存数据至第二内存，同时触发接收端应用程序的接收指令，将发送端第二内存数据发送至接收端的第二内存，接收端的第二内存接收所有发送数据之后，再通过接收端应用程序的发送指令触发Net SDK复制接收端的第二内存数据至对应的第一内存。
为实现上述目的，按照本发明的另一个方面，提供了一种计算机可读介质，其存储有可由电子设备执行的计算机程序，当计算机程序在电子设备上运行时，使得电子设备执行上述方法的步骤。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
本发明提供的一种基于RDMA的容器网络、通信方法及计算机可读介质，利用运行在每个服务器上的软件虚拟交换机，通过映射主机上每一个容器进程的内存缓存区，接收应用程序和物理网卡之间的通信，并在软件内部执行控制平面和数据平面策略，即控制面通过虚拟交换机的虚拟端口挂载到容器内，应用程序通过虚拟端口调用API配置RDMA网卡，数据面和容器内部共享内存的方式，从而操作底层的物理RDMA网卡，这样既能使基于云环境中的容器化应用能够像在专用裸机集群中那样高效地使用RDMA，加速网络，同时也能实现容器云中的隔离、可移植性和可控性的要求。
附图说明
图1是本发明实施例提供的一种基于RDMA的容器网络的结构示意图；
图2是本发明实施例提供的内存映射的示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
本申请所涉及的专业术语解释如下：
Container：容器，其包含了应用程序APP完整的运行时环境，除了应用程序本身之外，这个应用所需的全部依赖、类库、其他二进制文件、配置文件等，都统一被打入了一个称为容器镜像的包中。通过将应用程序本身和其依赖容器化，操作系统发行版本和其他基础环境造成的差异，都被抽象掉了，它的核心价值是为应用提供高效灵活的管理，容器云需要容器在网络中具有隔离、可移植、可控性三个属性。
Net SDK库：操作RDMA网卡需要标准的verbs API，verbs API即由各网卡厂商提供的标准接口，应用程序可以对RDMA网卡进行一些配置和操作，从而达到数据包直接流转到应用程序中，而不需要经过操作系统，提高转发性能。Net SDK库封装了商用的标准RDMAVerbs库，包括Infiniband 、RoCE 和iWarp 等，并对应用程序提供了标准的verbs API。
vswitch：软件虚拟交换机，通过软件模拟的交换机功能，部署在每一个节点的操作上，和容器是完全隔离的，容器内部无法感知，给节点上的容器提供虚拟网络，从而达到容器间或容器与外部的通信。
一种基于RDMA的容器网络的通信方法，其包括如下步骤：
建立本地容器端和远端容器端的通信连接，其包括：
截获容器外部通信数据以获取其对应的虚拟网卡ID；容器的应用程序和外部通信时，首先查找支持Verbs的网卡，可以通过Net SDK截获这个调用并返回容器的虚拟网卡。
在该虚拟网卡上建立与该容器对应的第一收发队列和第一完成队列，并通过软件虚拟交换机（vswitch）在该虚拟网卡对应的物理网卡上创建对应的第二收发队列和第二完成队列；具体地，应用程序在虚拟网卡上建立QP（第一收发队列）和CQ（第一完成队列），同时vswitch在物理网卡上创建对应的QP’（第二收发队列）和CQ’（第二完成队列），当软件虚拟交换机（vswitch）创建好这些队列后，可以通过Net SDK将上述队列的元信息返回给应用程序。
在该容器内存中分配与第一收发队列对应的第一内存，并在软件虚拟交换机（vswitch）的数据处理交互区分配与第二收发队列的第二内存，关联第一内存和第二内存；具体地，应用程序在其内存区域注册一块内存（mem）到QP，软件虚拟交换机（vswitch）在自己的内部处理交互区分配一块同样大小的内存（s-mem），并将其注册到QP’上，vswitch返回它创建的s-mem的ID，这个ID可作为虚拟主机上共享内存区的唯一标示，Net SDK可以用这个ID将s-mem映射到自己的虚拟内存区中。
通过该容器的应用程序查询指令获取该容器对应的第一收发队列ID和第二收发队列ID；
本地容器与远端容器通过交换各自的第一收发队列ID和第二收发队列ID，以实现本地容器和远端容器的第一收发队列配对，并通过软件虚拟交换机（vswitch）实现本地容器和远端容器的第二收发队列配对，以建立本地容器和远端容器的通信连接；应用程序查询本地QP的地址（在RDMA中叫GID）。这个地址信息会同时共享给本地和远程的QP。最后，vswitch返回QP’的真实GID。应用程序与远端交换GID和QP-ID。应用程序可以通过任何方式交换这些信息。应用程序通过接收者的GID将本地的QP和远端容器的QP配对。Net SDK将此GID转发给vswitch。vswitch再用这个GID配对QP’。应用程序将本地QP的状态改为Ready，准备发送接收数据，同时vswitch修改QP’的状态。
通过上述通信连接实现本地容器和远端容器的数据通信。通过上述步骤，Net SDK和vswitch是完全透明的。应用程序就像是在自己的虚拟网卡上执行一个普通Verbs操作一样。
优选的，其数据通信过程包括：
通过发送端应用程序的发送指令触发Net SDK复制容器对应的第一内存数据至第二内存，同时触发接收端应用程序的接收指令，将发送端第二内存数据发送至接收端的第二内存，通过接收端应用程序的发送指令触发Net SDK复制接收端的第二内存数据至对应的第一内存。
作为进一步地优选，通过容器应用程序的检测指令检测发送端或接收端的完成队列，以获知数据发送是否完成。当然以上仅为一种示例，还可以通过其他方式来获知数据发送是否完成，如还可以设置为数据发送完成后触发发送完成通知来获知数据发送是否完成。
作为进一步地优选，对于同一个收发队列的多个发送操作，通过发送端应用程序的发送指令触发Net SDK复制容器对应的第一内存数据至第二内存，同时触发接收端应用程序的接收指令，将发送端第二内存数据发送至接收端的第二内存，等待接收端的第二内存接收所有数据之后，再通过接收端应用程序的发送指令触发Net SDK复制接收端的第二内存数据至对应的第一内存。
图1是本发明实施例提供的一种基于RDMA的容器网络的结构示意图。如图1所示，一种基于RDMA的容器网络，该容器网络包括容器端、Net SDK和软件虚拟交换机，其中，
Net SDK用于截获容器外部通信数据以获取其对应的虚拟网卡ID，发送第一队列创建指令和第一内存创建指令给容器端对应的虚拟网卡，发送第二队列创建指令、第二内存创建指令及内存关联指令给软件虚拟交换机，容器端具有与其一一对应的第一收发队列、第一完成队列、第二收发队列和第二完成队列；
容器端对应的虚拟网卡用于依据第一队列创建指令建立与容器端对应的第一收发队列和第一完成队列；容器端还用于依据第一内存创建指令建立与第一完成队列对应的第一内存，通过应用程序查询指令获取与其对应的第一收发队列ID和第二收发队列ID；还用于通过与另一容器端交换各自的第一收发队列ID和第二收发队列ID，实现互相通信的两个容器端的第一收发队列配对，并将配对信息发送给软件虚拟交换机；
图2是本发明实施例提供的内存映射的示意图。如图2所示，软件虚拟交换机用于依据第二队列创建指令建立与容器端对应的第二收发队列和第二完成队列，依据第二内存创建指令建立与第二完成队列对应的第二内存，依据内存关联指令将与容器端对应的第一内存和第二内存进行关联，依据接收的配对信息实现互相通信的两个容器端的第二收发队列配对。通过容器内Net SDK库和运行在节点上的虚拟交换机vswitch，其中，Net SDK库封装了商用的标准RDMA Verbs库，包括Infiniband 、RoCE 和iWarp 等，并对应用程序提供了标准的verbs API；对应用程序来讲，它与标准RDMA verbs库无法区分，vswitch负责给主机上的所有容器提供虚拟网络，与同一主机上的容器共享内存缓冲区，并隔离不同容器的共享内存缓冲区，同时，可以通过VNIC在共享内存中发送和接收数据。
优选的，上述系统的数据通信过程包括：
通过发送端应用程序的发送指令触发Net SDK复制容器对应的第一内存数据至第二内存，同时触发接收端应用程序的接收指令，将发送端第二内存数据发送至接收端的第二内存，通过接收端应用程序的发送指令触发Net SDK复制接收端的第二内存数据至对应的第一内存。
作为进一步地优选，通过容器应用程序的检测指令检测发送端或接收端的第一完成队列，以获知数据发送是否完成。当然以上仅为一种示例，还可以通过其他方式来获知数据发送是否完成，如还可以设置为数据发送完成后触发发送完成通知来获知数据发送是否完成。
作为进一步地优选，对于同一个收发队列的多个发送操作，通过发送端应用程序的发送指令触发Net SDK复制容器对应的第一内存数据至第二内存，同时触发接收端应用程序的接收指令，将发送端第二内存数据发送至接收端的第二内存，等待接收端的第二内存接收所有发送数据之后，再通过接收端应用程序的发送指令触发Net SDK复制接收端的第二内存数据至对应的第一内存。
本实施例还提供了一种计算机可读介质，其存储有可由电子设备执行的计算机程序，当所述计算机程序在电子设备上运行时，使得所述电子设备执行实施例中方法的步骤。计算机可读介质的类型包括但不限于SD卡、U盘、固定硬盘、移动硬盘等存储介质。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种基于RDMA的容器网络，其特征在于，该容器网络包括：
Net SDK，用于截获容器外部通信数据以获取其对应的虚拟网卡ID，发送第一队列创建指令和第一内存创建指令给容器端对应的虚拟网卡，发送第二队列创建指令、第二内存创建指令及内存关联指令给软件虚拟交换机；
容器端，用于依据第一队列创建指令在其虚拟网卡上建立与容器端对应的第一收发队列和第一完成队列；依据第一内存创建指令建立与第一完成队列对应的第一内存；通过应用程序查询指令获取与其对应的第一收发队列ID和第二收发队列ID，通过与另一容器端交换各自的第一收发队列ID和第二收发队列ID，以实现互相通信的两个容器端的第一收发队列配对，并将配对信息发送给软件虚拟交换机；
软件虚拟交换机，用于依据第二队列创建指令建立与容器端对应的第二收发队列和第二完成队列，依据第二内存创建指令建立与第二完成队列对应的第二内存，依据内存关联指令将与容器端对应的第一内存和第二内存进行关联，依据接收的配对信息实现互相通信的两个容器端的第二收发队列配对。
2.如权利要求1所述的一种基于RDMA的容器网络，其中，所述网络的数据通信过程包括：
通过发送端应用程序的发送指令触发Net SDK复制容器对应的第一内存数据至第二内存，同时触发接收端应用程序的接收指令，将发送端第二内存数据发送至接收端的第二内存，通过接收端应用程序的发送指令触发Net SDK复制接收端的第二内存数据至对应的第一内存。
3.如权利要求2所述的一种基于RDMA的容器网络，其中，通过容器应用程序的检测指令检测发送端或接收端的第一完成队列，以获知数据发送是否完成。
4.如权利要求2所述的一种基于RDMA的容器网络，其中，对于同一个收发队列的多个发送操作，通过发送端应用程序的发送指令触发Net SDK复制容器对应的第一内存数据至第二内存，同时触发接收端应用程序的接收指令，将发送端第二内存数据发送至接收端的第二内存，接收端的第二内存接收所有发送数据之后，再通过接收端应用程序的发送指令触发Net SDK复制接收端的第二内存数据至对应的第一内存。
5.一种基于RDMA的容器网络的通信方法，其特征在于，该方法包括：
截获容器外部通信数据以获取其对应的虚拟网卡ID，发送第一队列创建指令和第一内存创建指令给容器端对应的虚拟网卡，发送第二队列创建指令、第二内存创建指令及内存关联指令给软件虚拟交换机；
容器端依据第一队列创建指令在其虚拟网卡上建立与容器端对应的第一收发队列和第一完成队列；依据第一内存创建指令建立与第一完成队列对应的第一内存；
软件虚拟交换机依据第二队列创建指令建立与容器端对应的第二收发队列和第二完成队列，依据第二内存创建指令建立与第二完成队列对应的第二内存；
互相通信的两个容器端通过应用程序查询指令获取与其对应的第一收发队列ID和第二收发队列ID，通过交换各自的第一收发队列ID和第二收发队列ID，以实现互相通信的两个容器端的第一收发队列配对，并将配对信息发送给软件虚拟交换机；
软件虚拟交换机依据内存关联指令将与容器端对应的第一内存和第二内存进行关联，依据接收的配对信息实现互相通信的两个容器端的第二收发队列配对。
6.如权利要求5所述的一种基于RDMA的容器网络的通信方法，其中，其数据通信过程包括：
通过发送端应用程序的发送指令触发Net SDK复制容器对应的第一内存数据至第二内存，同时触发接收端应用程序的接收指令，将发送端第二内存数据发送至接收端的第二内存，通过接收端应用程序的发送指令触发Net SDK复制接收端的第二内存数据至对应的第一内存。
7.如权利要求6所述的一种基于RDMA的容器网络的通信方法，其中，通过容器应用程序的检测指令检测发送端或接收端的第一完成队列，以获知数据发送是否完成。
8.如权利要求6所述的一种基于RDMA的容器网络的通信方法，其中，对于同一个收发队列的多个发送操作，通过发送端应用程序的发送指令触发Net SDK复制容器对应的第一内存数据至第二内存，同时触发接收端应用程序的接收指令，将发送端第二内存数据发送至接收端的第二内存，接收端的第二内存接收所有发送数据之后，再通过接收端应用程序的发送指令触发Net SDK复制接收端的第二内存数据至对应的第一内存。
9.一种计算机可读介质，其特征在于，其存储有可由电子设备执行的计算机程序，当所述计算机程序在所述电子设备上运行时，使得电子设备执行如权利要求5-8中任一项所述方法的步骤。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20210122 |
|
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