在Docker容器中使用eRDMA实现应用程序直接访问物理设备提升数据传输和通信效率

eRDMA（Elastic Remote Direct Memory Access）是一种高性能网络通信技术，将eRDMA功能引入容器（Docker）环境可以实现容器应用程序绕过操作系统内核直接访问主机的物理eRDMA设备，从而提供更快的数据传输和通信效率，适用于在容器中需要大规模数据传输和高性能网络通信的应用场景。本文主要介绍如何在容器（Docker）中配置eRDMA，以及在自建k8s集群上如何使用eRDMA Controller组件在k8s pod上快速配置eRDMA。

使用限制

目前仅支持在以下Docker镜像中使用eRDMA功能。

Alibaba Cloud Linux 3/Ubuntu 22.04/24.04的镜像源（ARM和x86实例均支持）
Alibaba Cloud Linux 2/CentOS 7/CentOS 8/Ubuntu 18.04/Ubuntu 20.04/24.04的镜像源（仅x86实例支持）

说明

暂不支持Anolis OS的镜像源。

实现原理

在容器环境中使用eRDMA功能时，使用Docker的--device选项将/dev/infiniband/rdma_cm和/dev/infiniband/uverbsX两个字符设备映射到容器中，这样容器内的用户态程序就可以绕过操作系统内核直接访问eRDMA设备进行数据的收发。

/dev/infiniband/rdma_cm：用于eRDMA连接管理的字符设备。用户态程序可以通过对这个字符设备的操作，与eRDMA设备进行连接的建立、销毁和管理，包括创建和销毁连接、发送和接收连接事件等操作。
/dev/infiniband/uverbsX：用于用户空间eRDMA操作的字符设备。用户态程序可以通过对这个字符设备的操作，与eRDMA设备进行通信，包括打开设备、创建和销毁eRDMA通信端点、注册和注销内存缓冲区等操作。
说明
/dev/infiniband/uverbsX中的X是设备的索引号，可能会因系统和配置而异，您可以运行ls /dev/infiniband | grep uverbs命令查看字符设备名称。

在Docker容器中配置eRDMA

步骤一：为实例配置eRDMA

确认Docker所在实例的实例规格支持eRDMA、已绑定弹性RDMA网卡、已部署eRDMA驱动程序，同时eRDMA设备工作正常。

企业级CPU实例：请参见在企业级实例上启用eRDMA。
GPU实例：请参见在GPU实例上启用eRDMA。

步骤二：（可选）为实例部署Docker

如果您的实例尚未部署Docker相关环境，无法使用Docker，您需要先在实例中安装Docker。

具体操作如下所示：

远程连接实例。
具体操作，请参见使用Workbench登录Linux实例。
执行以下命令，确认实例是否已部署Docker环境。
```
sudo docker -v
```
如果Docker已正确部署，则输出具体版本号，如下所示：
如果Docker尚未部署或出现异常，则可能出现如下执行结果，请您参考为实例部署Docker。
为实例部署Docker。
- Alibaba Cloud Linux/CentOS镜像：请参见安装Docker。
- Ubuntu镜像：请参见Ubuntu帮助。

步骤三：（可选）为Docker部署镜像

如果您的Docker环境尚未部署任何镜像，您可以根据实际应用需求，部署对应的镜像。

本文以Alibaba Cloud Linux基础镜像为例，在Docker中下载Alibaba Cloud Linux镜像（需要开通公网）。

具体操作如下所示：

安装Docker。
执行以下命令，下载Alibaba Cloud Linux的Docker镜像。
```
sudo docker pull alibaba-cloud-linux-<image_version>-registry.<region_ID>.cr.aliyuncs.com/alinux<image_version>/alinux<image_version>:<TAG>
```
- <image_version>：Alibaba Cloud Linux的版本，例如2或3。
- <region_ID>：Docker镜像所在的地域，例如cn-hangzhou。
- （可选）<TAG>：Docker镜像的版本。如果填写，表示下载指定版本的镜像。如果不填，默认下载最新版本的镜像。
如何查看镜像所在的地域以及镜像版本信息？
1. 访问容器镜像服务-制品中心。
2. 单击alinux2/alinux2或alinux3/alinux3，查看Alibaba Cloud Linux 2和Alibaba Cloud Linux 3的Docker镜像版本信息。
  例如Alibaba Cloud Linux 3的Docker镜像信息如下，①表示Docker镜像所在的地域，②表示Docker镜像的版本信息。
示例命令如下：
- 在杭州地域下载220901.1版本的Alibaba Cloud Linux 3 Docker镜像
```
sudo docker pull alibaba-cloud-linux-3-registry.cn-hangzhou.cr.aliyuncs.com/alinux3/alinux3:220901.1
```
- 在杭州地域下载最新版本的Alibaba Cloud Linux 2 Docker镜像
```
sudo docker pull alibaba-cloud-linux-2-registry.cn-hangzhou.cr.aliyuncs.com/alinux2/alinux2
```
执行以下命令，查看镜像是否下载成功。
```
sudo docker images
```
示例结果如下，表示已成功下载220901.1版本的Alibaba Cloud Linux 3 Docker镜像和最新版本的Alibaba Cloud Linux 2 Docker镜像。

步骤四：启动容器并挂载eRDMA设备

使用Docker的--device选项将/dev/infiniband/rdma_cm和/dev/infiniband/uverbsX两个字符设备映射到容器中，这样容器内的用户态程序就可以绕过操作系统内核直接访问eRDMA设备进行数据的收发。详细信息，请参见实现原理。

具体操作如下所示：

远程连接ECS实例。
具体操作，请参见使用Workbench登录Linux实例。
执行以下命令，启动一个Docker容器实例并将eRDMA对应的字符设备映射到容器中。
```
sudo docker run --net=host --device=/dev/infiniband/uverbsX --device=/dev/infiniband/rdma_cm --ulimit memlock=-1 -t -i <IMAGE ID> /bin/bash
```
参数说明如下：
- --net=host：配置容器的通信模式为host。容器内的应用程序可以直接使用主机的网络接口和网络配置，从而实现与主机相同的网络通信能力。
- --device=/dev/infiniband/uverbsX和--device=/dev/infiniband/rdma_cm：将eRDMA对应的用户态字符设备暴露到容器中。
  执行以下命令，查看字符设备名称（uverbsX中的X）：
```
ls /dev/infiniband | grep uverbs
```
- --ulimit memlock=-1：将maxlockedmemory设置为unlimited表示不限制非root用户锁定内存的数量。这可以确保eRDMA应用程序在非root用户下能够锁定所需的内存量，从而有效地使用eRDMA功能。
- <IMAGE ID>：请根据实际环境填写Docker镜像的镜像ID，可以通过sudo docker images命令查看。
  执行以下命令，查看目标镜像ID：
```
sudo docker images
```
  本示例中，以步骤三中部署的Alibaba Cloud Linux镜像为例，执行结果如下：
本示例中执行命令
```
sudo docker run --net=host --device=/dev/infiniband/uverbs0 --device=/dev/infiniband/rdma_cm --ulimit memlock=-1 -t -i e8d9a60b6967 /bin/bash
```

步骤五：为Docker容器部署eRDMA驱动程序包

在容器内使用eRDMA还需要部署eRDMA的用户态驱动程序包，否则在容器内部无法识别eRDMA设备信息。阿里云提供了yum、apt源，用于便捷部署相应的程序包。

具体操作如下所示：

远程连接实例。
具体操作，请参见使用Workbench登录Linux实例。
进入目标容器内部。
如果您按照本文示例执行了步骤四的命令，那么已经直接进入Docker容器内部，直接在容器内安装用户态驱动包。
1. 执行以下命令，查看目标容器ID。
```
sudo docker ps
```
  本示例中以步骤四中启动的容器为例，执行结果如下所示：
2. 执行以下命令，进入容器内部。
```
sudo docker exec -it <CONTAINER ID> /bin/bash
```
  将CONTAINER ID替换为上一步您实际查询的目标容器ID。

进入容器内部后，在容器内安装用户态驱动程序包。

重要

以下操作示例中，http://mirrors.cloud.aliyuncs.com表示内网源地址，如果您需要公网访问，需要将http://mirrors.cloud.aliyuncs.com替换为https://mirrors.aliyun.com。使用公网会产生公网流量，进而可能产生额外费用。有关公网的计费规则，请参见公网带宽计费。

CentOS 7/CentOS 8

在容器中运行以下命令，在/etc/yum.repos.d目录中创建一个erdma.repo源文件。
```
sudo vim /etc/yum.repos.d/erdma.repo
```

在erdma.repo文件中添加如下内容，然后保存退出。

[erdma]
name = ERDMA Repository
baseurl = http://mirrors.cloud.aliyuncs.com/erdma/yum/redhat/$releasever/erdma/$basearch/
gpgcheck = 1
enabled = 1
gpgkey = http://mirrors.cloud.aliyuncs.com/erdma/GPGKEY

运行以下命令，更新yum源缓存。
```
sudo yum makecache
```

运行以下命令，安装用户态驱动包。

sudo yum install  libibverbs rdma-core librdmacm libibverbs-utils -y

Alibaba Cloud Linux

在容器中运行以下命令，添加repo仓库。
```
sudo yum-config-manager \
 --add-repo \
 http://mirrors.cloud.aliyuncs.com/erdma/yum/alinux/erdma.repo
```
说明
如果您的容器中没有安装yum-config-manager命令，请先运行sudo yum install -y yum-utils命令安装yum-utils包。yum-config-manager是yum-utils包的一部分，用于管理yum配置。
运行以下命令，更新yum源缓存。
```
sudo yum makecache
```

运行以下命令，安装用户态驱动包。

sudo yum install  libibverbs rdma-core librdmacm libibverbs-utils -y

Ubuntu 18.04/20.04/22.04/24.04

在容器中运行以下命令，添加PGP签名。

Ubuntu 18.04/Ubuntu 20.04

wget -qO - http://mirrors.cloud.aliyuncs.com/erdma/GPGKEY | sudo apt-key add -

Ubuntu 22.04/24.04

wget -qO - http://mirrors.cloud.aliyuncs.com/erdma/GPGKEY | sudo gpg --dearmour -o /etc/apt/trusted.gpg.d/erdma.gpg

运行以下命令，添加apt源。

Ubuntu 18.04

echo "deb [ arch=amd64 ] http://mirrors.cloud.aliyuncs.com/erdma/apt/ubuntu bionic/erdma main" | sudo tee /etc/apt/sources.list.d/erdma.list

Ubuntu 20.04

echo "deb [ arch=amd64 ] http://mirrors.cloud.aliyuncs.com/erdma/apt/ubuntu focal/erdma main" | sudo tee /etc/apt/sources.list.d/erdma.list

Ubuntu 22.04

echo "deb [ ] http://mirrors.cloud.aliyuncs.com/erdma/apt/ubuntu jammy/erdma main" | sudo tee /etc/apt/sources.list.d/erdma.list

Ubuntu 24.04

echo "deb [ ] http://mirrors.cloud.aliyuncs.com/erdma/apt/ubuntu noble/erdma main" | sudo tee /etc/apt/sources.list.d/erdma.list

运行以下命令，更新apt源。
```
sudo apt update
```

运行以下命令，安装用户态驱动。

sudo apt install libibverbs1 ibverbs-providers ibverbs-utils librdmacm1 -y

执行以下命令，在容器内部查看eRDMA设备信息。
```
ibv_devinfo
```
可以看到在容器内部，已经可以正常识别eRDMA设备。

Docker容器内配置eRDMA完成后，您可以通过SMC-R或者NetACC将eRDMA集成到容器内部的TCP应用中，实现应用加速。详细信息，请参见应用适配概述。

在自建k8s集群上使用eRDMA Controller部署eRDMA pod

步骤一：安装eRDMA Controller

在master节点执行以下命令，安装helm工具。
该工具用于管理eRDMA Controller相关组件的安装和卸载。安装后通过helm version验证是否成功安装
```
curl -fsSL -o get_helm.sh https://raw.githubusercontent.com/helm/helm/main/scripts/get-helm-3
chmod 700 get_helm.sh
./get_helm.s
```

执行以下命令，在master节点上下载eRDMA Controller源码。

git clone https://github.com/AliyunContainerService/alibabacloud-erdma-controller.git

eRDMA Controller的安装配置文件是deployment/helm/values.yaml。通过修改此文件可以选择工作模式并配置相关参数。支持两种工作模式：
- 常规模式 (Regular Mode)：适用于需要eRDMA Controller自动管理ERI (Elastic RDMA Interface)，并实现eRDMA资源动态分配的场景。
- 本地模式 (Local Mode)：适用于在k8s节点上已经完成eRDMA环境准备，并将eRDMA设备暴露给Pod的场景。不涉及eRDMA资源的动态管理。
配置项说明：
- localERIDiscovery：设置Controller的工作模式。
  - true：本地模式。
  - false：常规模式（默认）。
- credentials: 在常规模式下，Controller需要访问阿里云API来查询和配置ECS实例及弹性网卡。因此，需先创建 RAM 角色并授予所需权限。
  目前支持AccessKey认证。将 type 设为 access_key，并填入AccessKey ID 和Secret。
```
credentials:
  type: "access_key"
  accessKeyID: "{access key}"
  accessKeySecret: "{access key secret}"
```
  本地模式无需配置此项。
- preferDriver: 设置节点使用的eRDMA驱动类型。
  - default：默认驱动模式。
  - compat：兼容RoCE驱动模式。
  - ofed：基于OFED的驱动模式，适用于GPU机型。
- allocateAllDevices: 设置常规模式下的设备分配策略。
  - true：为Pod分配节点上的所有eRDMA设备。
  - false：根据NUMA拓扑为Pod分配一个eRDMA设备。
- exposedLocalERIs: 设置本地模式下节点需暴露给Pod的eRDMA设备。配置格式见示例。
```
exposedLocalERIs:
  - i-XXX erdma_0/erdma_1 # specify instance ID and erdma devices(erdma_0/erdma_1) to expose
  - i-* erdma_0           # specify erdma devices(erdma_0) to expose for all unspecified nodes
  - i-* erdma_*           # expose all existing erdma devices for all unspecified nodes
```
- 镜像配置：默认的erdma-agent镜像（registry.aliyuncs.com/erdma/agent）不支持本地模式。若要使用本地模式，需自行构建agent镜像，并将其推送至自定义镜像仓库。
  执行以下命令构建并推送镜像。示例使用阿里云容器镜像服务 (ACR)，需提前创建命名空间和镜像仓库。
```
docker build --tag <REGISTRY_NAME>-registry.<REGION_ID>.cr.aliyuncs.com/<NAMESPACE>/agent:<TAG> --target agent .

docker push <REGISTRY_NAME>-registry.<REGION_ID>.cr.aliyuncs.com/<NAMESPACE>/agent:<TAG>
```

使用helm安装erdma-controller组件。

helm install -f deploy/helm/values.yaml --namespace kube-system alibaba-erdma-controller deploy/helm/

验证安装。
- 常规模式安装完成后，验证 erdma-agent 和 erdma-controller Pod 是否已成功创建：
```
kubectl get pods -n kube-system | grep erdma
```
  查询节点上的 eRDMA 设备资源：
```
kubectl get erdmadevices
```
- 在本地模式下，系统仅创建erdma-agentPod，不会创建erdma-controllerPod，因此erdmadevices资源不可用。

步骤二：创建支持eRDMA网络加速的pod

要创建支持eRDMA网络加速的pod，需在容器的resources.limits中声明 aliyun/erdma: 1。可依照如下示例，需要将 <ERDMA_POD_IMAGE> 替换为实际使用的容器镜像地址：

apiVersion: apps/v1
kind: Deployment
metadata:
  labels:
    app: erdma
  name: erdma
spec:
  replicas: 1
  selector:
    matchLabels:
      app: erdma
  template:
    metadata:
      labels:
        app: erdma
      annotations:
    spec:
      containers:
      - command:
        - sleep
        - "360000"
        image: <ERDMA_POD_IMAGE>
        name: erdma
        resources:
          limits:
            aliyun/erdma: 1

如果要开启SMC-R透明加速，在annotations中配置 network.alibabacloud.com/erdma-smcr: "true"。此功能要求操作系统为Alibaba Cloud Linux 3，其内核版本不低于 5.10.134-17。

基于上述配置文件，执行以下命令，部署该Deployment，通过Deployment启动指定数量的Pod副本。
```
kubectl apply -f example.yaml
```

在容器（Docker）中启用eRDMA

使用限制

实现原理

在Docker容器中配置eRDMA

步骤一：为实例配置eRDMA

步骤二：（可选）为实例部署Docker

步骤三：（可选）为Docker部署镜像

步骤四：启动容器并挂载eRDMA设备

步骤五：为Docker容器部署eRDMA驱动程序包

CentOS 7/CentOS 8

Alibaba Cloud Linux

Ubuntu 18.04/20.04/22.04/24.04

在自建k8s集群上使用eRDMA Controller部署eRDMA pod

步骤一：安装eRDMA Controller

步骤二：创建支持eRDMA网络加速的pod

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