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【Savir】18-RDMA之MPA(Marker PDU Aligned framing)

RDMA
2022-10-15
1104
更新：2022-10-15 20:57:53

> 作者：Savir
> 主页：https://www.zhihu.com/people/saviour-li

我们在之前的文章中介绍了iWARP协议栈中的DDP和RDMAP层，它们分别起到了实现零拷贝和向上层提供RDMA语义的功能。本文中，我将给大家介绍iWARP协议栈中的最后一层，也是最复杂的一层——MPA。它负责在TCP层的负载中标记和识别出DDP Segment的边界，起到承上启下的作用，使得DDP及其上层协议可以适配TCP/IP协议栈。

<center>MPA在iWARP协议栈中的位置
</center>

阅读本文前，建议回顾下《[DDP](https://zhuanlan.zhihu.com/p/408817872)》一文。

## 概述

MPA的全称是Marker PDU(Protocol Data Unit) Aligned framing，其作为适配层，在基于消息的DDP和基于字节流的TCP协议间做转换。

注意图中并没有表示出RDMAP Header，TCP Header等

读者可能会问“基于流”和“基于消息”是什么意思呢？它们是在计算机网络中传输信息两种模式，基于流的模式被称为Stream-based或者Bytestream-based，基于消息的模式被称为Message-based。它们的区别在于**从协议的上层用户**的视角来看， 数据是如何被协议"组织"到一起的。

### 基于流的协议

说到流，我们很容易想到水流和电流这种在某种通道里连续不断流动的介质，数据流也是如此。基于流的协议就像打电话，信息是连续不断的。

这种模式最典型的例子就是TCP协议，对于TCP层的ULP来说，它把数据交给TCP缓冲区后，TCP按照分段规则将其分段后交给IP层，这个分段大小与ULP的数据长度没有任何关系。TCP不关心数据的分界，它只保证数据能够准确、按照顺序的到达。至于如何分割和解析数据，那是上层用户的事情。

假如我们的应用想要发送“Hello World”，“This is a test”两句话给对端，虽然在应用层它们是两个独立的句子，但是基于TCP时，它们会被视为一条流，然后按照TCP的规则进行分段。接收端的用户可能从TCP层接收到前后三个分段“Hello Wo”、“rldThis i”、和“s a test”，即一系列有序的分段，这些分段连在一起就是字节流。当然，也可能被分段成”Hell"，"o Wo"，"rldT"，“his ”，"is a"，“ tes”和“t"或者其他不等长的形式。

但是无论中间怎么分段，从接收端的ULP来看，TCP层将分段还原之后传递给它的报文都是：“Hello WorldThis is a test ”，两个句子“黏”在了一起。此时必须依靠ULP自己的能力来将这个流还原成原本的信息，比如提前在其中加入标点符号分隔符等手段。

### 基于消息的协议

基于消息的协议就像是发短信，每一条短信都是完整而独立的。

这种模式一个典型的例子就是UDP，对于使用UDP协议通信的两端的ULP来说。发送端每次发送的数据有多长，接收端收到的就有多长；发送端发送几个消息，接收端就会接收几个消息。

而如果基于UDP的话，发送端如何分隔信息，接收端还会原封不动的收到信息，只是不保证顺序。还是举上面的例子，接收端一定会收到两个数据报：“This is a test”，“Hello World”。消息一定是有头有尾的到达的，至于顺序和可靠性，需要上层来保证。

iWARP协议栈中的DDP层就是一种基于消息的协议，接收端的网卡每收到一个DDP分段，都可以根据其内容进行内存拷贝工作。

在有了上面的背景知识之后，我们很容易就能发现DDP over TCP面临的问题：DDP是以Segment为单位的，每个Segment都承载了一些Payload，但是它的Header中没有定义Payload长度。而TCP流是没有边界的，即使在流上只有一个DDP Segment的时候，接收端也无法知道Header后的Payload有多长，自然无法恢复数据。更何况大部分情况下，一个流上都会有多个DDP Segment，除了第一个Segment的Header之外，其他的Segment是无法定位出来的。下图是一条TCP流上首尾相连的多个DDP Segment（上帝视角）：

但是从接收端ULP的视角看，从TCP层拿到的数据是下图这样的，没有边界，不知道该从哪里如何解析：

那么如何解决这个问题呢？有两种主流的思路：

<span style="font-family: Wingdings;color: #222222;letter-spacing: 1px;font-size: 16px;background: #FFFFFF">l <span style="color: #222222; letter-spacing: 1px; font-size: 16px; background: #FFFFFF; font-family: 微软雅黑;">在报文中插入固定值来方便定位分段，比如在每个DDP Segment之间插入一串约定好的bit，比如“0101 1010”，这样接收端每次检测到这个比特序列，都认为是DDP Segment的边界。但是DDP本身是可以携带Payload的，Payload由ULP传入，包含任何序列都是可能的，这种方法极有可能导致接收端的混淆。
</span>

<span style="font-family: Wingdings;color: #222222;letter-spacing: 1px;font-size: 16px;background: #FFFFFF">l <span style="color: #222222; letter-spacing: 1px; font-size: 16px; background: #FFFFFF; font-family: 微软雅黑;">在字节流的固定位置插入信息，方便接收端能够还原出原始的分段。原理如下图所示，两端都遵守协议的规定，那么收端就可以去约定好的位置去读取控制信息，然后识别出DDP Segment的边界。比如根据一个Control Field中的信息，推知下一个Control Field的位置。
</span>

本文的主角MPA协议便使用了后面这种方式，更具体地说，它主要是通过两种手段来实现的：

<span style="font-family: Wingdings;color: #222222;letter-spacing: 1px;font-size: 16px;background: #FFFFFF">l <span style="color: #222222; letter-spacing: 1px; font-size: 16px; background: #FFFFFF; font-family: 微软雅黑;">在每个DDP Segment前加入头部，标记DDP Segment的长度，这样接收端按照顺序处理TCP流时，就可以一个接一个的还原出每个DDP Segment了。
</span>

<span style="font-family: Wingdings;color: #222222;letter-spacing: 1px;font-size: 16px;background: #FFFFFF">l <span style="color: #222222; letter-spacing: 1px; font-size: 16px; background: #FFFFFF; font-family: 微软雅黑;">在约定好的位置插入被称为Marker的特殊标记，在乱序接收（见下文）时，Marker中包含的信息可以帮助接收方定位出最近的DDP Segment的头部，从而可以先完成一部分内存搬移工作，提高处理效率。
</span>

除此之外，MPA还加入了CRC校验机制，我们在下文再展开讲。

至于为什么DDP协议不自带长度等信息，我觉得是因为DDP被设计还可以应用于SCTP等这种能够帮助划分其界限的协议，而对于不能分界的TCP，就加一个中间层MPA来解决。DDP专注于指导数据搬移，MPA专注于识别DDP的边界，这是分层思想的一种体现。

## 术语

老规矩，我们先交代一下必须要了解的术语。

**FPDU**

Framed Protocol Data Unit，就不强行翻译了。Framed Protocol指的是MPA这层协议，所以FPDU指的就是MPA这一层的数据单元。从MPA这一层来看，它的包是以FPDU为单位的。

**ULPDU**

Upper Layer Protocol Data Unit，上层协议的数据单元。指的是MPA的上层传递给MPA这一层的数据的单位。在iWARP协议栈中，自然就是DDP层的数据单元，也就是DDP Segment。

FPDU是在ULPDU的基础上加上MPA头和CRC校验等控制信息得到的：

<center>从数据包的角度看FPDU和ULPDU的关系
</center>

<center>RFC 5044中关于ULPDU和FPDU的关系示意图
</center>

我们可以注意到每种协议都会定义Data Unit，只不过命名的方式不一样。比如TCP叫Segment，IP和UDP叫Datagram，以太网链路层叫Frame等等。我们理解FPDU和ULPDU时，跟它们做类比即可。

**MULPDU**

Maximum ULPDU，指的是DDP可以传给MPA层的最大ULPDU长度。为什么要有这个值呢，因为MPA的设计思想是尽量让一个TCP Segment可以容纳整数个FPDU，否则TCP分段可能导致一些DDP Segment被截断后放到两个TCP Segment中，这增加了iWARP接收端的处理难度，我们会在后文详细描述。MULPDU的值是从MPA传递给DDP层的的，DDP的Segment长度（传递给MPA层）不应该超过MULPDU。

**EMSS**

Effective Maximum Segment Size，有效最大分段的尺寸。在RFC 5044中，我们会取链路层的MTU和TCP层的MSS的最小值作为EMSS。MPA层会根据EMSS减去控制域段的长度，得到MULPDU之后将其传递给DDP层。当FPDU大于EMSS时，就一定会被分段，这不利于接收端的处理。

下图就是一个DDP加上MPA层的控制信息后大于TCP层的MSS，不得不被拆分的例子：

**乱序接收（Out of order）**

有些情况下数据包因为从源到目的地存在多条路径，会导致一个TCP流的不同TCP Segment不会按顺序到达目的地。而因为TCP本身是要保证顺序的，传统的TCP协议栈如果先收到后面的Segment，就只能先缓存下来，等到前面所有的Segment都到达之后再上送给上层的协议处理。

比如下图这个例子，虽然发送端按照顺序1、2、3发出了数据包，但是因为这几个包走的路径不同，导致到达的顺序变成了2、3、1。如果接收端不支持乱序接收，那么就需要把2和3先缓存下来，等1到达后再给ULP。

而支持乱序接收的TCP协议栈，可以先把后面的收到的Segment先送到上层。这一点对于DDP格外重要，因为每个DDP Segment都可以独立解析并且执行对应的内存搬移动作，不需要等待后续报文的到达。当然，只有完整的DDP Segment才会被送往上层，如果是片段的话，也要先缓存下来。

所以乱序接收这项技术，一方面节省了缓冲区空间，另一方面节省了ULP无事可做的时间，也就降低了总的处理时间。

## 报文格式

下面我们来看一下MPA的报文格式。

### FPDU

我们在前文说过，FPDU是MPA这一层的数据单位。每个FPDU都是下面这个样子：

它由固定的几部分组成：

后面紧跟着的ULPDU的字节数，不包含CRC，PAD和其中的Marker。
<span style="font-family: Wingdings;color: #222222;letter-spacing: 1px;font-size: 16px;background: #FFFFFF">l <span style="color: #222222; letter-spacing: 1px; font-size: 16px; background: #FFFFFF; font-family: 微软雅黑;"> **ULPDU - Upper Layer Protocol Data Unit: 1 ~ 64768 Bytes**
</span>

即上层的DDP传递给MPA层的Segment的长度。受限于TCP over IP的最大IP数据包长度65536，去掉各种头部之后，ULPDU最大长度为64768。

顾名思义，Pad本身有填补的意思，这个域段必须为全零，用于将ULPDU_Length和ULPDU不足4字节整数倍的长度补齐，以用于CRC校验。比如PAD前面的总长度是26个字节，那么就需要补2个字节的PAD，以达到28字节。

CRC32校验，用于保证数据传输的过程中没有错误产生。由两端协商是否启用，不启用时需要填0。校验的内容包括ULPDU_Length、ULPDU和PAD，以及属于该FPDU范围内的Marker。

从上面这些域段可以看出，不考虑Marker的话，MPA其实就是在DDP Segment外面“套了一层”长度信息和校验信息。

### Marker

Marker用于让接收端的能够更高效的识别出FPDU的边界，它的结构很简单：

保留域段，发送时必须设置为0。
<span style="font-family: Wingdings;color: #222222;letter-spacing: 1px;font-size: 16px;background: #FFFFFF">l <span style="color: #222222; letter-spacing: 1px; font-size: 16px; background: #FFFFFF; font-family: 微软雅黑;"> **FPDUPTR - FPDU Pointer: 16bits**
</span>

表示Marker的起始位置到ULPDU Length域段的起始位置的字节数。从命名就可以看出，它的作用是一个”指针“，指向了一个FPDU的头部。

举个例子，比如下图这个TCP的Segment，其中包含了前面一个FPDU的一部分Payload，以及一个完整的FPDU。这个分段中正好有一个Marker，那么**接收方可以通过Marker来定位出后面那个完整FPDU的ULPDU_Length域段的位置，从而找到整个FPDU。然后由MPA提取出FPDU中的ULPDU，并交给DDP进行数据DMA拷贝。**而遗留的属于前一个FPDU的Payload会在跟前一半拼成完整的FPDU之后再送给上层。

我们在前文中提到过，Marker是按照固定间隔插入到TCP流中的，RFC 5044中规定这个间隔为512 Bytes。所以在一条流中的Marker就是下图这个样子，每个Marker都**指向其所归属的FPDU的头部**。

除了上文描述的情况之外，还有几种特殊情况（M代表Marker）：

**Marker恰好在两个FPDU中间**

则该Marker的FPDUPTR值为全0：

**FPDU包含多个Marker**

每个Marker必须都指向这个FPDU的的起始位置：

**Marker之间包含多个FPDU**

这些Marker指向各自所属的FPDU的首地址：

下面我们来举个例子，假如一次启用了Marker的MPA报文起始TCP Sequnce Number序列号是11，又因为Marker的间隔固定为512 Bytes，那么接收端就知道TCP序列号为11、523（512 + 11），1035（512 * 2 + 11）处一定是Marker。假设第二个Marker的值为0x00 00 00 0C，那么TCP序列号为523 - 12 = 511处一定是FPDU的头部，即ULPDU_Length域段的第一个字节的位置：

## FPDU对齐

在详细描述通信流程之前，我们还必须了解一个重要的概念——FPDU对齐。所谓FPDU对齐，指的是FPDU的起始位置和TCP Payload的起始位置重合，而且这个TCP Segment中可以有整数个FPDU。

假设我们的一条TCP流上有三个连续的TCP Segment，下图是FPDU对齐的情况，可以看到每个TCP Segment都正好包含了整数个FPDU：

<center>FPDU对齐
</center>

而下图是FPDU未对齐的情况，可以看到每个TCP Segment中都有FPDU被“拦腰截断”：

<center>FPDU不对齐
</center>

FPDU对齐与否对接收端而言很重要。因为当不对齐的时候，接收端需要把很多不完整的FPDU片段存起来，等待它的另一半到达。在乱序接收的场景下，FPDU不对齐可能导致接收端耗费大量的缓冲区来存放FPDU片段，并且还原出完整的FPDU还需要额外的时间，这对时间和空间都造成了浪费。

所以发送端应该尽量保证FPDU对齐，通过上文中提到的EMSS来计算出合适的MULPDU传递给DDP层，以保证DDP Segment的大小合适，从而在加上MPA的各种控制域段之后，不会超过TCP层的MSS（不切分数据的上限）以及以太网链路层的MTU。

## 流程

背景知识都介绍完了，下面我们来讲一下MPA的收发两端是如何交互的。

作为一种RDMA协议，iWARP和RoCE/IB一样，实际应用时都应该是在网卡内部实现的。也就是说不仅RDMAP、DDP、MPA这三层，TCP和IP层也是由硬件完成的，而不是用标准的TCP/IP协议栈。这样硬件厂商们就可以选择专门针对iWARP进行优化，从而提高数据收发效率。

下文我们讲解流程的时候，会根据RFC 5044中的描述，分为非优化版本和优化版本的iWARP协议栈。

所谓“优化”，指的是将MPA层和TCP层实现在一起。下图是一个基于标准TCP/IP协议和Socket接口的MPA层，可以看到MPA和其他所有TCP的ULP一样，和TCP之间是完全独立的两层。

<center>RFC 5044 Figure 7 完整的分层实现TCP/IP + MPA
</center>

这种实现的优点是不需要修改TCP/IP协议栈，相对简单。缺点有两个，一个是MPA层不知道TCP层的MSS，只能根据MTU计算MULPDU告知DDP层，这可能频繁的导致FPDU不对齐的情况，造成接收端的开销变大；另外一个缺点是，接收端无法支持乱序接收，也就是说，必须按照顺序把TCP Segment上送给MPA层，导致DDP层经常处于没有数据要处理的闲置状态，效率低下。

下图是优化后的TCP/IP + MPA，可以看到它们融合到了一起。普通的ULP仍然通过Socket API来和TCP/IP协议栈交互，而MPA则使用定制版本的TCP/IP。

<center>RFC 5044 Figure 11 优化的TCP/IP + MPA实现
</center>

这消除了基于标准TCP/IP实现的MPA的缺点：一方面，发送端MPA层可以知道此时TCP层的MSS，计算出EMSS，然后告知DDP层MULPDU。**DDP层下发的Segment加上MPA的控制域段后再由TCP层处理为TCP Segment的时候，就能避免FPDU不对齐的情况。这样接收端就不用缓存大量的不完整的FPDU；另一方面，接收端可以支持乱序接收，收到任意TCP Segment之后，就可以交由MPA识别出其中完整的FPDU，然后给DDP层进行数据搬移，提高了处理效率。**当然，也不是没有缺点，那就是需要对TCP/IP进行重新设计，实现难度较大。

### 发送方行为

在使用标准TCP/IP协议栈时，发送方的行为如下：

1、 计算MULPDU并告知DDP，TCP可能不支持上报MSS，这种情况下会根据MTU计算。
2、 DDP根据MULPDU下发ULPDU给MPA。
3、 MPA生成FPDU：计算ULPDU_Length、插入Marker、补齐PAD到4字节整数倍，计算并加入CRC。
4、 MPA将FPDU传送给TCP层。

**发送方会尽量保证对齐，但是当ULPDU小于MULPDU等情况下，仍然会造成对齐丢失。**

下面我们举个例子，如下图所示，一共有三个待发送的DDP Segment。MPA层给他们加入ULPDU_Length、CRC和Marker（PAD省略未画出）之后，下发给TCP层。但是当前的ULPDU小于MULPDU，并且TCP的MSS中无法放入整数个FPDU时，那么后面一个FPDU就会被“截断”，一部分放入第一个TCP Segment，一部分放入第二个TCP Segment。从第二个TCP Segment开始，我们失去了FPDU对齐。

> 如何恢复FPDU对齐？ 可以等待发送缓冲区中的内容都发送出去之后再下发FPDU，或者通过动态调整MULPDU来“修复”不对齐的问题。

优化后的发送方行为如下：

1、 **TCP层可以将当前的EMSS告知MPA层用于计算MULPDU，并知会DDP。**
2、 DDP根据MULPDU下发ULPDU给MPA。
3、 MPA生成FPDU：计算ULPDU_Length、插入Marker、补齐PAD到4字节整数倍，计算并加入CRC。
4、 **MPA将FPDU传送给TCP层，保证每个TCP Segment都是FPDU对齐的。**（有些特殊情况，比如MTU改变，也可能导致对齐丢失）

这样一来，除了MTU改变的特殊情况，FPDU一直都是对齐的。还是上文的例子，当到第二个DDP Segment时，MPA会提前根据当前TCP MSS中剩余的空间，动态修改MULPDU并告知DDP层。这样当DDP就会调整Segment中Payload的大小，在一个TCP Segment中保持完整，不会被“截断”。

### 接收方行为

MPA + 标准TCP不支持乱序接收，TCP也不感知MPA的存在，TCP Segment必须按序处理。即某个TCP Segment必须等待前面的Segment都到达之后，才能上送给MPA处理。

因为数据是连续的，第一个TCP Segment的头部一定是FPDU起始位置，所以可以不依赖Marker找到每一个FPDU。也就是说，这种情况下，Marker是没有什么意义的（但是用户仍然可以选择启用）。

MPA通过ULPDU_Length和CRC确认完整性之后，就可以剥离控制域段，将ULPDU上送给DDP处理。DDP根据Header来搬移数据。

如果当前的FPDU不完整/后面的Segment先到达，则需要一个缓冲区来暂存收到的FPDU的片段，然后需要等待关联的Segment到达之后，还原出完整的FPDU再上送给DDP。

下面我们来举个例子，如下图所示，TCP Segment 1和2是两个连续的TCP分段。假如接收端先收到了TCP Segment 2，因为不支持乱序接收，所以需要将整个分段中的Payload都缓存起来。等收到前一个Segment 1之后，才可以开始处理给MPA层的消息。

收到TCP Segment 1后，因为第一个分段一定是FPDU对齐的，所以可以从中中取出一个FPDU，上送给MPA。紧接着处理下一个FPDU，通过校验ULPDU_Length发现其不完整，那么就根据TCP的Sequence Number（可以理解为每个字节按照顺序的编号）从缓冲区中找到这个FPDU的剩余部分，拼完整了之后再上送MPA。

之后，再根据TCP的Sequence Number找到下一个FPDU，从缓冲区中将其取出做完整性校验后会上送给MPA。

可以发现这种情况下，MPA一直是像”接龙“一样按顺序处理FPDU的，效率很低。并且如果乱序到达的TCP Segment很多的话，接收端需要申请大量的缓冲区来存放提前到达的分段。

MPA + 优化的TCP支持乱序接收，即收到任意TCP Segment之后，**一旦有完整的FPDU，就可以上送DDP。**

通过Marker定位出其所属的FPDU，然后检测FPDU的完整性和CRC，如果合法则剥离控制域段后发送给DDP。

同一个Segment中，一个完整FPDU之后一定是另一个FPDU的起始位置，接收端按照这个逻辑依次处理后面的FPDU。

无法定位头部的部分/不完整的部分将会暂存到缓冲区中，等待剩余部分到达后再进行FPDU的还原。

还是举上文中的例子，但是要强调一个原则，**无论是否是优化的MPA/TCP，接收端都不能假定每一个收到的包都是FPDU对齐的。因为总会有一些情况，比如用户改变MTU等会导致FPDU不再对齐。**实际优化版本的MPA/TCP，是几乎不会出现TCP Segment 2中FPDU不对齐的情况的，本例子只是极端情况。

假如我们先收到了TCP Segment2。接收端因为知道哪个位置会有Marker（根据字节序号），所以可以直接去读这个Segment中Marker的值。然后它会发现Marker指向的ULPDU_Length，经过校验，发现这是一个完整的FPDU，那么可以直接由MPA剥离控制域段后上送DDP层进行数据搬移了。

如果在TCP Segment 2中，这个FPDU后面还有内容，那么可以继续解析，直到没有完整的FPDU为止。而这个FPDU之前的Payload以及之后不完整的FPDU会被暂存到缓冲区中，等待剩余部分的到达。

之后接收端收到了TCP Segment 1，TCP/MPA同样可以根据Marker或者是首个包来找到FPDU，并剥离MPA控制域段后送给DDP。剩余不完整的FPDU会和缓冲区中的片段拼接完整，然后上送给DDP。

我们可以发现，优化的MPA/TCP，一方面所需要的缓冲区减少了，另一方面DDP不用按顺序处理Message了，因此效率有较大的提升。

到这里MPA收发流程我们就介绍完了，下面我们介绍一下使用MPA协议的两端是如何开始工作的。

## 协商

RFC 5044中定义了MPA层的协商流程，相对篇幅比较多，所以这里单独作为一个章节描述。

MPA这一层存在的意义是识别和分隔DDP Segment，对于非DDP业务，也就是普通的TCP流量来说，如果MPA被错误的启用，那么它可能会识别出错误的信息，造成ULP业务的混乱。因此通信的两端是需要通过“握手”来确认什么时候MPA启用，什么时候MPA未启用，以及一些额外的控制信息，比如MPA需不需要CRC校验，Marker有没有使能等等。所谓“握手”，也称作“建链”，就是通过约定好的报文格式和交互顺序，来交换一些控制信息，并且对这些控制信息进行维护。

我们把MPA启用（即建链）前后分别称为Startup Phase和Full Operation Phase两个阶段。

**Startup Phase**

初始化阶段，或者叫Stream模式。这个阶段中TCP流就是普通的流，可以传输任何上层信息。这时候两端的MPA尚未启动，可以交换一些链接配置信息。

**Full Operation Phase**

完全操作阶段，或者叫DDP/MPA模式，亦或是RDMA模式。这个阶段表示建链完成，MPA可以开始交换FPDU了，也就是完成了从基于流到基于消息的转换。**进入这个阶段之后，对应的TCP流之上只能传输MPA的报文。**如果想恢复普通业务的传输，需要退出MPA模式才可以。

这两个阶段的含义相对比较好理解，我们来看一下协商是如何进行的：

### 协商报文

固定格式的消息标识符，用于区分MPA的请求和MPA的回复。内容很简单，就是”MPA ID Req Frame“和”MPA ID Rep Frame“对应的ASCII码。

用于告知对端是否使能Marker。收到MPA Request Frame/Reply Frame的节点，如果发现Frame中的M为0，那么发往对端的MPA报文中就不能携带Marker了。

标识是否使能CRC校验。跟Marker不一样，只要建链的两端有一段置了这个标记，那么两端都必须产生和校验CRC。

私有数据，可以包含任何ULP数据。接收端的MPA层会把协商报文中的Private Data上送给ULP，由ULP判断是否接受其中描述的参数或者其他信息，如果不接受的话可以拒绝连接。这里面可以携带比如最大可以处理的Read Request请求数量等等配置信息。

表示Private Data域段的长度，如果该域段和Private Data的实际长度不符或者Private Data的长度超过了512字节，则要断开连接并报错。

表示拒绝连接。在MPA Request Frame中固定为0。而在发送MPA Reply Frame的一端，如果不同意发送连接请求的一端在MPA Request Frame报文Private Data域段携带的参数，则将回复报文中的这个标记置为1。

保留域段。

MPA协议的版本，RFC 5044中固定为1。

### 协商流程

根据建立连接的时机，协商分为两种：立即协商和延迟协商。

**立即协商**

又称为Immediately Startup，是在下层的TCP连接建立好之后立即切换为DDP/MPA，不需要在流模式下进行协商。两端需要提前约定一个端口号，或者使用SLP（Service Location Protocol，服务定位协议）来发现一个用于MPA通信的端口。

**延迟协商**

又称为Delayed Startup，是在下层的TCP连接建立之后的某个时刻才切换为DDP/MPA模式。中间这段”空窗期”，TCP流上承载的是普通的非MPA业务。当两端准备协商时，需要通过某些方式来知会对方（比如发一个特定格式的消息，协议中举的例子是“Hello"）。

这两种协商方式的差别仅在于发起的时机和方式，其它的交互的步骤都是相同的。

我们将发起MPA协商的一端称为Initiator，响应的一端称为Responder。

下面是协商步骤：

1、 Initiator发送一个MPA Request Frame，其中可能包含ULP提供的Private Data。

2、 Responder在进入MPA/DDP阶段前，必须一直等待MPA Request Frame，期间不能发送普通的TCP流。Responder还应该设置一个等待请求的超时时间，如果超过这个时间，就不再处理请求了。当收到MPA Request Frame之后：

<span style="font-family: Wingdings;color: #222222;letter-spacing: 1px;font-size: 16px;background: #FFFFFF">l <span style="color: #222222; letter-spacing: 1px; font-size: 16px; background: #FFFFFF; font-family: 微软雅黑;"> 如果MPA Request Frame格式正确，那么MPA会把Private Data传给ULP。但是如果ULP校验Private Data失败，那么MPA会回复一个R位为1的MPA Reply Frame（这个报文可以携带Private Data，说明错误原因或者携带其他信息），表示拒绝连接，然后退出MPA，但是保持TCP连接。ULP可以选择之后关闭TCP连接或者将TCP连接用于其他用途。
</span>

<span style="font-family: Wingdings;color: #222222;letter-spacing: 1px;font-size: 16px;background: #FFFFFF">l <span style="color: #222222; letter-spacing: 1px; font-size: 16px; background: #FFFFFF; font-family: 微软雅黑;"> 如果MPA Request Frame格式和内容都正确，那么回复一个R位为0的MPA Reply Frame，即为有效的连接。ULP可以在这个回复报文中携带Private Data。**之后Responder应该准备接收对端发过来的第一个FPDU，它在接收和校验完一个FPDU之前不允许发送FPDU（因为对端可能还没准备好）**。
</span>

3、 Initiator必须准备接收和校验MPA Reply Frame，当收到Reply之后：

<span style="font-family: Wingdings;color: #222222;letter-spacing: 1px;font-size: 16px;background: #FFFFFF">l <span style="color: #222222; letter-spacing: 1px; font-size: 16px; background: #FFFFFF; font-family: 微软雅黑;">如果格式正确，但是给ULP的Private Data不正确，或者R位为1，则退出MPA，并且保持TCP连接。ULP可以选择稍后关闭TCP连接或者将TCP连接用于其他用途。
</span>

<span style="font-family: Wingdings;color: #222222;letter-spacing: 1px;font-size: 16px;background: #FFFFFF">l <span style="color: #222222; letter-spacing: 1px; font-size: 16px; background: #FFFFFF; font-family: 微软雅黑;">如果格式正确，Private Data也正确，则进入MPA/DDP Operation Phase。Initiator可以开始发送FPDU了。
</span>

上面的过程如下图所示：

额外说一句，经过对软件协议栈的观察，在libibverbs库中，iWARP协议的CM建链就是通过MPA协商实现的。

## 示例

因为Soft-iWARP不支持Marker：

drivers/infiniband/sw/siw/siw_cm.c

另外我手上暂时没有支持iWARP的网卡，所以也没有条件抓带marker的数据包。这次我们从Wireshark的官网直接看一下抓好的报文，请大家从以下链接获取，下载下图中的iwarp_rdma.tar.gz：

[SampleCaptures ](https://link.zhihu.com/?target=https%3A//gitlab.com/wireshark/wireshark/-/wikis/SampleCaptures%23iwarp-protocol-suite)· Wiki · Wireshark Foundation / wireshark · GitLab

<div align="center"> <img src="https://pic2.zhimg.com/80/v2-72bf5eb36c3529957fcc43b2d5317615_720w.webp"/> </div>
![img])

用wireshark打开压缩包里面的read_write_long_run_mrkr，这是一个带Marker的长RDMA Write和RDMA Read的示例。

### 协商

首先可以看到在TCP的SYN之后紧接着就是MPA的Request，所以这是一次立即协商流程。

下面看MPA Request Frame，请求端使能Marker，不使能CRC，携带了7 Bytes的Private data，但是其具体是什么含义我们是解析不了的：

接着是MPA Reply Frame，回复的参数和请求端的请求中相同，Rejected标志也没有置位。所以协商的结果就是使能Marker，不使能CRC：

### 数据收发

最后我们随便找一个Write/Read的报文，可以看到DDP和RDMAP上层是MPA的控制域段。其中ULPDU_Length域段指出了后面不包含Marker的部分总长度为1038 Bytes；因为没有使能CRC，所以CRC这部分为全0：

这个FPDU中有两个Marker，然后问题来了，这两个值相等的Marker明显是有问题的。首先，Reserved域段竟然不是零，另外这个TCP Segment中只有一个FPDU，也就是只有一个头部，而根据RFC 5044的描述，如果一个FPDU中有两个Marker，那么他们都指向这个FPDU的头部。而又因为Marker之间的距离恒为512Bytes，所以他们之间的值的差一定是512，不可能相等。

下图是这个包的Data部分，绿色为Wireshark识别的Marker，而紧跟在后面的两个用红色标记的4字节“0x 00 00 d8 01”和“00 00 d8 03”明显更符合Marker的格式。

把FPDU Pointer域段倒过来，即0x01D8和0x03D8，他们的间隔正好是512Bytes。第一个Marker的起始位置为0x21A，减去0x1D8之后的结果为0x42，另一个Marker也是一样，0x41A - 0x3D8 = 0x42，这个值正好是FPDU的起始位置。。。

另外，Data域段都是0x02的循环，更印证了我们的猜想。关于Wireshark对iWARP的支持，网上也能搜索到一个BUG的报告：

[Wireshark中关于iWarp报文解析的两处bug | Chenny的Blog (chrtech.com)](https://link.zhihu.com/?target=https%3A//chrtech.com/2016/07/13/0021-wireshark-bugs-of-iWarp/)

所以结论是，要么是Wireshark对iWARP的协议支持有问题，要么是官方提供的示例包有问题，希望大家不要被误导。笔者发现问题之后已经在Wireshark的社区提了一个Issue，等待社区大佬回复后我会把最新进展更新到本篇文章。

至此，iWARP协议栈就给大家介绍完了。至于更多内容，包括重传、错误处理、保序机制等还请读者查阅几个RFC中的描述，由于精力和时间有限，就不给大家详细讲解了。

下一篇我将完成iWARP的综述，介绍一下它的历史和发展情况。

## 参考资料

[1] [RFC 5044](https://link.zhihu.com/?target=https%3A//datatracker.ietf.org/doc/html/rfc5041)

[2] 关于基于流和基于消息的解释. https://www.zhihu.com/question/341865775/answer/824061061

编辑于 2021-11-20 01:29

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