编者按：TCP 协议作为当前使用最为广泛的网络协议，场景遍布移动通信、数据中心等。对于数据中心场景，通过弹性 RDMA 实现高性能网络协议 SMC-R，透明替换应用 TCP 协议，实现应用网络透明加速。本文整理自龙蜥大讲堂第 15 期，视频精彩回放已上传至龙蜥官网，欢迎查看！
为什么需要新的内核网络协议栈？
Linux 内核网络协议栈没有银弹，当前 Linux 网络协议栈是在性能（吞吐、CPU 使用率）、时延和通用性权衡下的实现。在真实场景中，我们可能需要高性能但是并不通用的用户态协议栈，亦或是通用、更高性能更低时延的方案，但是基于传统以太网卡的方案很难有大幅度的提升，更多是基于硬件的红利，例如 100G/400G 网络。鉴于此，我们考虑是否可以基于其他高性能网络，提供 TCP 兼容的行为和 socket 接口，提供更优的性能。
基于共享内存的网络通信
在谈跨主机通信之前，我们先把视线放到单机维度，如何在单机维度实现 IPC？下面是几种常见的 IPC 方式：
不出意外，共享内存是最快的 IPC 方式，但是缺少一种 OS 层面的统一实现和接口，多数是在语言的 library 中提供。
这里我们分解一下单机维度的共享内存 IPC 流程：
- 发送方写到预先分配好的一块内存区域；
- 通知对端，并更新新写入内存的偏移量；
- 接收方按照新更新的偏移量读取数据；
- 接收方更新读取内存的偏移量。
如果有一种技术，可以实现在两台机器间“搬运”内存，那么我们可以把这种高性能 IPC 方案从单机维度拓展到不同的主机间。很显然，Remote Direct Memory Access RDMA 可以帮助我们高效地搬运内存。
相对于单机的共享内存通信流程，基于 RDMA 的流程：
- 发送方写到本机预先分配好的一块内存区域；
- 通过 RDMA 将该内存写入到对端维护的内存区域的相同位置；
- 通过 RDMA 通知接收方，并更新新写入内存的偏移量；
- 接收方按照新更新的偏移量读取数据；
- 接收方通过 RDMA 更新读取内存的偏移量。
基于 RDMA 的共享内存模型，SMC-R 应运而生，SMC-R 缩写即为 Shared Memory Communcation over RDMA。
下面让我们看下 SMC-R 是如何加速 TCP 应用。
SMC-R 是一种混合协议，即通过 TCP 实现建联时信息交互，通过 RDMA 网络实现数据路径高性能数据传输。同时，一旦 RDMA 链路建联失败，可以 fallback 到 TCP，实现兜底 TCP 的能力。除此之外，SMC-R 借助多个 RNIC，可以实现运行时的故障迁移，确保运行时可靠性。
RDMA 本身提供了 verbs 接口供应用使用，SMC-R 基于共享内存的模型，提供了一套完全兼容 TCP socket 的内核接口，可以通过 LD_PRELOAD 基于 eBPF 的规则替换等方式，实现将 TCP socket 透明替换成 SMC socket，进而实现透明替换和加速。
基于 SMC-R 透明替换，我们测试了几种应用场景，其中 Redis 有最高 57% 的性能提升，此时 Redis 无需进行任何改造，即可享受 SMC-R 带来的性能加速。
使用 SMC-R 加速应用
透明替换并加速 TCP 应用，可以使用下面三种方案：
- 使用 LD_PRELOAD 的方式，这种方式原理是将动态链接的二进制文件中，关于 socket 创建的 SOCK_STREAM 协议，替换为 AF_SMC 协议，从而实现将 TCP 透明替换 SMC 协议；
- 通过 net namespace 级别的 sysctl，可以实现网络命名空间（容器等）纬度的所有 TCP 连接的替换；
- 通过 eBPF 规则（例如五元组、进程 ID 等），动态匹配需要替换的连接进行替换。
SMC-R 在龙蜥
在龙蜥社区中，我们也正在持续不断地增强优化 SMC，包括性能、使用场景、稳定性和透明替换。参与龙蜥社区贡献的半年时间内，共为 Linux 上游社区贡献了 60+ 的补丁。
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