NVIDIA助力Facebook新一代計(jì)時(shí)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)精確計(jì)時(shí)

NVIDIA ConnectX網(wǎng)卡助力社交網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵任務(wù)的分布式應(yīng)用實(shí)現(xiàn)精確計(jì)時(shí)功能

Facebook正在開(kāi)放其開(kāi)源計(jì)算項(xiàng)目 —— 時(shí)間設(shè)備項(xiàng)目（OCP TAP）的源代碼，該項(xiàng)目以經(jīng)濟(jì)高效的方式提供高度精確的計(jì)時(shí)功能，以及跨數(shù)據(jù)中心時(shí)間同步功能。在NVIDIA ConnectX-6 Dx網(wǎng)卡（NIC）的支持下，這項(xiàng)解決方案中的Time Card通過(guò)精確計(jì)時(shí)協(xié)議，可以將幾乎所有商用現(xiàn)成的（COTS）服務(wù)器變成精確的計(jì)時(shí)設(shè)備，與整個(gè)數(shù)據(jù)中心內(nèi)的其他服務(wù)器共享精確計(jì)時(shí)。

Facebook Time Card和NVIDIA 網(wǎng)卡這對(duì)組合為數(shù)據(jù)中心運(yùn)營(yíng)商提供了一個(gè)先進(jìn)和低成本的時(shí)間同步解決方案，并且該解決方案具有開(kāi)源、安全、可靠和可擴(kuò)展等特點(diǎn)。

精確的時(shí)間為什么對(duì)于數(shù)據(jù)中心至關(guān)重要

隨著應(yīng)用的擴(kuò)展并且IT運(yùn)營(yíng)遍布全球，保持?jǐn)?shù)據(jù)中心內(nèi)不同服務(wù)器，或位于各大洲不同數(shù)據(jù)中心的數(shù)據(jù)同步，變得更加重要和困難。分布式數(shù)據(jù)庫(kù)必須追蹤事件的確切順序以保持一致性并顯示因果關(guān)系。如果有兩個(gè)人試圖購(gòu)買同一只股票，那么根據(jù)公平性（和合規(guī)性）原則，就必須知道買單的先后順序。同樣，當(dāng)每小時(shí)有上千萬(wàn)人發(fā)布內(nèi)容，數(shù)百萬(wàn)用戶喜歡/稱贊/喜愛(ài)這些帖子時(shí)，F(xiàn)acebook必須知道每個(gè)帖子、每次點(diǎn)贊、每條回復(fù)或每個(gè)表情符號(hào)的實(shí)際發(fā)生順序。

保持?jǐn)?shù)據(jù)同步的方法之一是讓每個(gè)數(shù)據(jù)中心在每件事務(wù)操作完成后向其他中心發(fā)送更新，但由于數(shù)據(jù)中心之間的延遲太高，以至于無(wú)法支持每小時(shí)數(shù)百萬(wàn)個(gè)事件，這種做法很快就變得無(wú)法維持。

更好的方法是讓每個(gè)服務(wù)器和數(shù)據(jù)中心同步到精確的時(shí)間，使彼此之間的時(shí)間誤差不超過(guò)一微秒。這樣每個(gè)站點(diǎn)都能追蹤時(shí)間，并且當(dāng)它們與其他數(shù)據(jù)中心共享事件時(shí)，能夠正確排序每個(gè)事件。

時(shí)間同步越精確，應(yīng)用性能就越快。最近的一項(xiàng)測(cè)試表明，將計(jì)時(shí)精度提高80倍（將任何時(shí)間差異減小80倍）能夠使分布式數(shù)據(jù)庫(kù)的運(yùn)行速度提高3倍。在相同的服務(wù)器硬件上僅僅通過(guò)提高更精確和更可靠的時(shí)間就能實(shí)現(xiàn)顯著的性能提升。

網(wǎng)卡和網(wǎng)絡(luò)在時(shí)間同步中的作用

OCP TAP項(xiàng)目（以及Facebook關(guān)于開(kāi)源時(shí)間設(shè)備的博客文章）確切地定義了Time Card如何接收和處理來(lái)自GPS衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的時(shí)間信號(hào)，即使在衛(wèi)星信號(hào)暫時(shí)不可用時(shí)，也能保持精確的時(shí)間并與時(shí)間服務(wù)器共享這一精確的時(shí)間。同時(shí)，網(wǎng)絡(luò)以及所使用的網(wǎng)卡也發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。

圖1. OCP Time Card保持精確的時(shí)間并與支持PPS輸入/輸出的網(wǎng)卡（如NVIDIA ConnectX-6 Dx）共享這一時(shí)間（資料來(lái)源：Facebook工程博客）

時(shí)間設(shè)備中的網(wǎng)卡必須有一個(gè)用于連接Time Card的每秒時(shí)間脈沖（PPS）端口。這能確保每個(gè)時(shí)間服務(wù)器中Time Card和網(wǎng)卡之間的精確時(shí)間同步（精確到幾納秒之內(nèi)）。ConnectX-6 Dx是首批支持此功能的現(xiàn)代25/50/100/200Gb/s網(wǎng)卡之一。它還能過(guò)濾和檢查傳入的PPS信號(hào)，并使用其ASIC中的硬件在內(nèi)部維護(hù)時(shí)間，從而確保精確性和一致性。

計(jì)時(shí)精度達(dá)到次微秒級(jí)的時(shí)間裝置可以與數(shù)百個(gè)使用網(wǎng)絡(luò)時(shí)間協(xié)議（NTP）的普通服務(wù)器或數(shù)萬(wàn)個(gè)使用精確時(shí)間協(xié)議（PTP）的服務(wù)器共享該計(jì)時(shí)。由于網(wǎng)絡(luò)會(huì)增加時(shí)間信號(hào)的延遲，因此NTP和PTP通過(guò)為數(shù)據(jù)包添加時(shí)間戳來(lái)測(cè)量?jī)蓚€(gè)方向的傳輸時(shí)間、將抖動(dòng)和延遲考慮在內(nèi)并計(jì)算出每個(gè)服務(wù)器上的正確時(shí)間（PTP的精度更高，因此它開(kāi)始取代NTP協(xié)議）。

圖2. NVIDIA ConnectX-6 Dx帶有PPS輸入/輸出端口，可與Time Card直接進(jìn)行時(shí)間同步。它還可以在硬件中為數(shù)據(jù)包添加精確的硬件時(shí)間戳

另一種方法是使用軟件解決方案來(lái)添加時(shí)間戳，但在由于擁堵或CPU的干擾，用軟件添加時(shí)間戳的誤差可能達(dá)到幾毫秒，因此以今天的軟件方案添加時(shí)間戳是過(guò)于難預(yù)測(cè)、不精確、甚至是不可行的。相反，ConnectX-6 Dx網(wǎng)卡和BlueField-2 DPU可以在高達(dá)100Gb/s的速度下，在接收的數(shù)據(jù)包到達(dá)后和發(fā)送的數(shù)據(jù)包進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)前，立即為它們添加硬件時(shí)間戳。ConnectX-6 Dx可以為每一個(gè)數(shù)據(jù)包添加時(shí)間戳，即使在網(wǎng)絡(luò)負(fù)載極大的情況下，時(shí)間戳的精度誤差也小于4納秒（4ns）。其他大多數(shù)具有時(shí)間功能的網(wǎng)卡只對(duì)部分?jǐn)?shù)據(jù)包進(jìn)行標(biāo)記并且精度抖動(dòng)很大，因此在網(wǎng)絡(luò)流量大的情況下，它們的時(shí)間精確性就會(huì)下降。

NVIDIA網(wǎng)絡(luò)解決方案為商用網(wǎng)卡提供最精確的延遲測(cè)量，從而在所有服務(wù)器上實(shí)現(xiàn)最精確的時(shí)間，應(yīng)用層面的時(shí)間誤差通常低于一微秒（《1us）。網(wǎng)絡(luò)計(jì)時(shí)精度的提升意味著每臺(tái)服務(wù)器上的時(shí)間變得更加精確，這將為分布式應(yīng)用帶來(lái)更快的性能（并且為每個(gè)人帶來(lái)更多的Facebook“點(diǎn)贊數(shù)”）。

圖3. 使用OCP時(shí)間服務(wù)器和NVIDIA的網(wǎng)卡或DPU部署NTP或PTP可以將高度精確的時(shí)間傳到整個(gè)數(shù)據(jù)中心的所有服務(wù)器

精確時(shí)間同步，人人皆可受益

OCP時(shí)間設(shè)備項(xiàng)目使任何組織都能獲得精準(zhǔn)的計(jì)時(shí)功能。來(lái)自Facebook、NVIDIA和OCP的開(kāi)源時(shí)間服務(wù)器和開(kāi)源管理工具提供了一個(gè)讓每個(gè)人都可以像超大規(guī)模用戶一樣輕松使用這項(xiàng)功能的方法。

NVIDIA所提供的精確時(shí)間功能網(wǎng)卡和DPU（數(shù)據(jù)處理器）具有精確計(jì)時(shí)設(shè)備所需的超精確時(shí)間戳和網(wǎng)絡(luò)同步功能。當(dāng)使用BlueField DPU時(shí)，就可以在其Arm核上運(yùn)行PTP棧，從而將時(shí)間棧與其他服務(wù)器軟件隔離、持續(xù)驗(yàn)證該服務(wù)器內(nèi)的時(shí)間精確性并持續(xù)計(jì)算整個(gè)數(shù)據(jù)中心的最大時(shí)間誤差范圍。

為了發(fā)揮經(jīng)過(guò)優(yōu)化的時(shí)間服務(wù)器和時(shí)間同步所帶來(lái)的優(yōu)勢(shì)，云服務(wù)和數(shù)據(jù)庫(kù)已經(jīng)增加了基于時(shí)間的新命令和API。這些解決方案一同開(kāi)啟了精確計(jì)時(shí)的新時(shí)代，提高了分布式應(yīng)用的性能并為云和企業(yè)帶來(lái)新型解決方案。