I. ¿Qué es la red InfiniBand?

InfiniBand, a menudo abreviado como «IB», es un estándar de comunicación de red y uno de los protocolos que implementan la tecnología RDMA (acceso directo a memoria remota). Utiliza tecnología de señalización diferencial de alta velocidad y mecanismos de transmisión paralela multicanal. Sus objetivos principales son ofrecer «alto rendimiento, baja latencia y alta fiabilidad».

InfiniBand es una tecnología de interconexión destinada a la computación de alto rendimiento (HPC) en el ámbito de los servidores. Se caracteriza por un rendimiento extremadamente alto y una latencia excepcionalmente baja, y se utiliza para la interconexión de datos entre ordenadores (por ejemplo, replicación o cargas de trabajo distribuidas). InfiniBand también se emplea como interconexión directa o conmutada entre servidores y sistemas de almacenamiento (como SAN y almacenamiento de conexión directa), así como entre los propios sistemas de almacenamiento. Además, facilita la comunicación entre servidores y redes (como LAN, WAN e Internet). Se utiliza ampliamente en centros de datos y en los campos de la HPC y el almacenamiento. Posteriormente, con el auge de la inteligencia artificial, se ha convertido en la tecnología de interconexión de red preferida para conectar servidores con GPU.

II. Historia del desarrollo de InfiniBand

A principios de la década de 1990, Intel fue pionera en la introducción del diseño del bus PCI en la arquitectura estándar de los ordenadores personales para dar cabida al creciente número de dispositivos externos. Sin embargo, a medida que las CPU, la memoria, los discos duros y otros componentes se actualizaban rápidamente, la evolución más lenta del bus PCI se convirtió en un cuello de botella para todo el sistema. Para abordar este problema, gigantes del sector de las tecnologías de la información como Compaq, Dell, HP, IBM, Intel, Microsoft y Sun, junto con más de 180 empresas adicionales, fundaron conjuntamente la **IBTA (InfiniBand Trade Association)**.

El objetivo de la IBTA era investigar nuevas tecnologías alternativas para sustituir al PCI y resolver su problema de cuello de botella en la transmisión. En consecuencia, en el año 2000 se publicó oficialmente la **Especificación de Arquitectura InfiniBand versión 1.0**. Esta introdujo el protocolo RDMA, que ofrecía menor latencia, mayor ancho de banda y mayor fiabilidad, además de permitir un rendimiento de E/S significativamente más potente, lo que la consolidó como un nuevo estándar para la tecnología de interconexión de sistemas.

Cuando se habla de InfiniBand, inevitablemente se piensa en una empresa israelí: **Mellanox** (nombre en chino: , fácil de recordar como «vender tornillos»). Fundada en Israel en mayo de 1999 por varios antiguos empleados de Intel y Galileo Technology, Mellanox se unió a la alianza industrial de InfiniBand poco después de su creación. En 2001, lanzaron su primer producto InfiniBand.

En 2002, el bando de InfiniBand sufrió una gran sacudida. Intel «abandonó el barco» y decidió centrar sus esfuerzos de desarrollo en **PCI Express (PCIe)**, que se lanzó en 2004. Otro gigante, Microsoft, también se retiró del desarrollo de InfiniBand. Aunque empresas como Sun e Hitachi mantuvieron su compromiso, el futuro de InfiniBand se vio ensombrecido.

A partir de 2003, InfiniBand se reorientó hacia un nuevo ámbito de aplicación: la «interconexión de clústeres informáticos». En 2005, encontró otra nueva aplicación: la «conectividad de dispositivos de almacenamiento». A partir de 2012, impulsada por el continuo crecimiento de la demanda de computación de alto rendimiento (HPC), la tecnología InfiniBand experimentó un gran auge, aumentando de forma constante su cuota de mercado.

A medida que la tecnología InfiniBand fue ganando protagonismo, Mellanox también creció y se convirtió en la "líder del mercado" en InfiniBand. En 2010, Mellanox se fusionó con Voltaire, lo que dejó a Mellanox (adquirida por NVIDIA en 2019) y a QLogic (adquirida por Intel en 2012) como los principales proveedores de InfiniBand.

En 2013, Mellanox adquirió la empresa de tecnología de fotónica de silicio Kotura y el fabricante de chips de interconexión óptica paralela IPtronics, lo que le permitió consolidar aún más su cartera de productos en el sector.

En 2015, la cuota de mercado de la tecnología InfiniBand en el "TOP500" La lista de superordenadores superó el 50 % por primera vez. Esto supuso el primer avance de InfiniBand sobre la tecnología Ethernet, convirtiéndose en la "tecnología de interconexión de clústeres preferida para superordenadores".

En 2015, Mellanox ocupaba una "una cuota del 80 %" del mercado mundial de InfiniBand. Su ámbito de actividad se había ampliado desde los chips hasta abarcar todo el espectro: adaptadores de red, conmutadores y pasarelas, sistemas de comunicación a distancia y cables y módulos, lo que les ha consolidado como un proveedor de redes de primer orden.

En 2019, NVIDIA dio un paso importante al adquirir Mellanox por "6.900 millones de dólares". Jensen Huang, director ejecutivo de NVIDIA, declaró: «Se trata de la unión de dos empresas líderes mundiales en computación de alto rendimiento. NVIDIA se centra en la computación acelerada, mientras que Mellanox se centra en las interconexiones y el almacenamiento». En retrospectiva, NVIDIA demostró una notable visión de futuro: el entrenamiento de modelos de gran tamaño depende en gran medida de clústeres de computación de alto rendimiento, y las redes InfiniBand son las "el socio ideal" para dichos grupos.

III. Cómo funciona InfiniBand

Los principios de funcionamiento de InfiniBand pueden parecer complejos para quienes no son especialistas en redes. Los principiantes pueden familiarizarse con los conceptos básicos o saltarse esta sección. El protocolo InfiniBand también adopta un "arquitectura por capas", siendo cada capa independiente y prestando servicios a la capa superior.

Capa física: Define cómo se agrupan las señales de bits en símbolos en el enlace físico, y posteriormente en tramas, símbolos de datos y relleno de datos entre paquetes. Detalla los protocolos de señalización para la construcción de paquetes válidos, etc.

Capa de enlace: Define el formato de los paquetes de datos y los protocolos para las operaciones de los paquetes, como el control de flujo, el enrutamiento, la codificación, la decodificación, etc.

Capa de red: Realiza el enrutamiento añadiendo al paquete un encabezado de ruta global (GRH) de 40 bytes. Durante el reenvío, los enrutadores solo realizan una comprobación CRC variable, lo que garantiza "integridad de la transmisión de datos de extremo a extremo".

Capa de transporte: entrega los paquetes a un par de colas (QP) específico e indica al QP cómo procesar el paquete. El transporte de red InfiniBand emplea la tecnología de control de flujo basado en créditos (CBFC) para garantizar la fiabilidad y la eficiencia de la transmisión de datos. Este mecanismo gestiona el crédito (que representa el volumen de datos que el receptor puede aceptar) entre el emisor y el receptor para evitar la pérdida de paquetes y la congestión.

El QP (par de colas) es la unidad de comunicación fundamental en la tecnología RDMA. Consiste en un par de colas: la SQ (cola de envío) y la RQ (cola de recepción). Cuando los usuarios invocan las API para enviar o recibir datos, básicamente colocan los datos en el QP. Las solicitudes del QP se procesan entonces una a una mediante sondeo.

Las ventajas de "CBFC" La tecnología se puede resumir en tres puntos principales:

1. Evita la congestión: gracias al ajuste dinámico del crédito y a la transmisión sin pérdidas, el CBFC previene eficazmente la congestión de la red y la pérdida de paquetes.

2. Mejora la eficiencia: el emisor puede transmitir datos de forma continua sin esperar a recibir acuses de recibo hasta que se agote el crédito, lo que mejora la eficiencia de la transferencia de datos.

3. Configuración automática: El mecanismo de control de flujo se activa automáticamente tras la instalación física de los dispositivos InfiniBand, sin necesidad de que el usuario realice ninguna configuración manual.

Como es evidente, InfiniBand define sus propios formatos de las capas 1 a 4 (física, de enlace, de red y de transporte), lo que constituye un protocolo de red completo. El control de flujo de extremo a extremo es la base para el envío y la recepción de paquetes de red InfiniBand, lo que permite crear una red sin pérdidas y altamente eficaz.

Por supuesto, para lograr la red de alta velocidad y sin pérdidas de InfiniBand también se recurre a tecnologías y funciones como Socket Direct, el enrutamiento adaptativo, el Subnet Manager (SM) para la gestión de subredes, la partición de redes y el motor SHARP (Protocolo de agregación y reducción jerárquica escalable) para la optimización de la red. En conjunto, estos componentes proporcionan su característico alto rendimiento, baja latencia y fácil escalabilidad.