|   | 
| Overview | 
| ======== | 
|   | 
| This readme tries to provide some background on the hows and whys of RDS, | 
| and will hopefully help you find your way around the code. | 
|   | 
| In addition, please see this email about RDS origins: | 
| http://oss.oracle.com/pipermail/rds-devel/2007-November/000228.html | 
|   | 
| RDS Architecture | 
| ================ | 
|   | 
| RDS provides reliable, ordered datagram delivery by using a single | 
| reliable connection between any two nodes in the cluster. This allows | 
| applications to use a single socket to talk to any other process in the | 
| cluster - so in a cluster with N processes you need N sockets, in contrast | 
| to N*N if you use a connection-oriented socket transport like TCP. | 
|   | 
| RDS is not Infiniband-specific; it was designed to support different | 
| transports.  The current implementation used to support RDS over TCP as well | 
| as IB. | 
|   | 
| The high-level semantics of RDS from the application's point of view are | 
|   | 
|  *    Addressing | 
|         RDS uses IPv4 addresses and 16bit port numbers to identify | 
|         the end point of a connection. All socket operations that involve | 
|         passing addresses between kernel and user space generally | 
|         use a struct sockaddr_in. | 
|   | 
|         The fact that IPv4 addresses are used does not mean the underlying | 
|         transport has to be IP-based. In fact, RDS over IB uses a | 
|         reliable IB connection; the IP address is used exclusively to | 
|         locate the remote node's GID (by ARPing for the given IP). | 
|   | 
|         The port space is entirely independent of UDP, TCP or any other | 
|         protocol. | 
|   | 
|  *    Socket interface | 
|         RDS sockets work *mostly* as you would expect from a BSD | 
|         socket. The next section will cover the details. At any rate, | 
|         all I/O is performed through the standard BSD socket API. | 
|         Some additions like zerocopy support are implemented through | 
|         control messages, while other extensions use the getsockopt/ | 
|         setsockopt calls. | 
|   | 
|         Sockets must be bound before you can send or receive data. | 
|         This is needed because binding also selects a transport and | 
|         attaches it to the socket. Once bound, the transport assignment | 
|         does not change. RDS will tolerate IPs moving around (eg in | 
|         a active-active HA scenario), but only as long as the address | 
|         doesn't move to a different transport. | 
|   | 
|  *    sysctls | 
|         RDS supports a number of sysctls in /proc/sys/net/rds | 
|   | 
|   | 
| Socket Interface | 
| ================ | 
|   | 
|   AF_RDS, PF_RDS, SOL_RDS | 
|     AF_RDS and PF_RDS are the domain type to be used with socket(2) | 
|     to create RDS sockets. SOL_RDS is the socket-level to be used | 
|     with setsockopt(2) and getsockopt(2) for RDS specific socket | 
|     options. | 
|   | 
|   fd = socket(PF_RDS, SOCK_SEQPACKET, 0); | 
|         This creates a new, unbound RDS socket. | 
|   | 
|   setsockopt(SOL_SOCKET): send and receive buffer size | 
|         RDS honors the send and receive buffer size socket options. | 
|         You are not allowed to queue more than SO_SNDSIZE bytes to | 
|         a socket. A message is queued when sendmsg is called, and | 
|         it leaves the queue when the remote system acknowledges | 
|         its arrival. | 
|   | 
|         The SO_RCVSIZE option controls the maximum receive queue length. | 
|         This is a soft limit rather than a hard limit - RDS will | 
|         continue to accept and queue incoming messages, even if that | 
|         takes the queue length over the limit. However, it will also | 
|         mark the port as "congested" and send a congestion update to | 
|         the source node. The source node is supposed to throttle any | 
|         processes sending to this congested port. | 
|   | 
|   bind(fd, &sockaddr_in, ...) | 
|         This binds the socket to a local IP address and port, and a | 
|         transport, if one has not already been selected via the | 
|     SO_RDS_TRANSPORT socket option | 
|   | 
|   sendmsg(fd, ...) | 
|         Sends a message to the indicated recipient. The kernel will | 
|         transparently establish the underlying reliable connection | 
|         if it isn't up yet. | 
|   | 
|         An attempt to send a message that exceeds SO_SNDSIZE will | 
|         return with -EMSGSIZE | 
|   | 
|         An attempt to send a message that would take the total number | 
|         of queued bytes over the SO_SNDSIZE threshold will return | 
|         EAGAIN. | 
|   | 
|         An attempt to send a message to a destination that is marked | 
|         as "congested" will return ENOBUFS. | 
|   | 
|   recvmsg(fd, ...) | 
|         Receives a message that was queued to this socket. The sockets | 
|         recv queue accounting is adjusted, and if the queue length | 
|         drops below SO_SNDSIZE, the port is marked uncongested, and | 
|         a congestion update is sent to all peers. | 
|   | 
|         Applications can ask the RDS kernel module to receive | 
|         notifications via control messages (for instance, there is a | 
|         notification when a congestion update arrived, or when a RDMA | 
|         operation completes). These notifications are received through | 
|         the msg.msg_control buffer of struct msghdr. The format of the | 
|         messages is described in manpages. | 
|   | 
|   poll(fd) | 
|         RDS supports the poll interface to allow the application | 
|         to implement async I/O. | 
|   | 
|         POLLIN handling is pretty straightforward. When there's an | 
|         incoming message queued to the socket, or a pending notification, | 
|         we signal POLLIN. | 
|   | 
|         POLLOUT is a little harder. Since you can essentially send | 
|         to any destination, RDS will always signal POLLOUT as long as | 
|         there's room on the send queue (ie the number of bytes queued | 
|         is less than the sendbuf size). | 
|   | 
|         However, the kernel will refuse to accept messages to | 
|         a destination marked congested - in this case you will loop | 
|         forever if you rely on poll to tell you what to do. | 
|         This isn't a trivial problem, but applications can deal with | 
|         this - by using congestion notifications, and by checking for | 
|         ENOBUFS errors returned by sendmsg. | 
|   | 
|   setsockopt(SOL_RDS, RDS_CANCEL_SENT_TO, &sockaddr_in) | 
|         This allows the application to discard all messages queued to a | 
|         specific destination on this particular socket. | 
|   | 
|         This allows the application to cancel outstanding messages if | 
|         it detects a timeout. For instance, if it tried to send a message, | 
|         and the remote host is unreachable, RDS will keep trying forever. | 
|         The application may decide it's not worth it, and cancel the | 
|         operation. In this case, it would use RDS_CANCEL_SENT_TO to | 
|         nuke any pending messages. | 
|   | 
|   setsockopt(fd, SOL_RDS, SO_RDS_TRANSPORT, (int *)&transport ..) | 
|   getsockopt(fd, SOL_RDS, SO_RDS_TRANSPORT, (int *)&transport ..) | 
|     Set or read an integer defining  the underlying | 
|     encapsulating transport to be used for RDS packets on the | 
|     socket. When setting the option, integer argument may be | 
|     one of RDS_TRANS_TCP or RDS_TRANS_IB. When retrieving the | 
|     value, RDS_TRANS_NONE will be returned on an unbound socket. | 
|     This socket option may only be set exactly once on the socket, | 
|     prior to binding it via the bind(2) system call. Attempts to | 
|     set SO_RDS_TRANSPORT on a socket for which the transport has | 
|     been previously attached explicitly (by SO_RDS_TRANSPORT) or | 
|     implicitly (via bind(2)) will return an error of EOPNOTSUPP. | 
|     An attempt to set SO_RDS_TRANSPPORT to RDS_TRANS_NONE will | 
|     always return EINVAL. | 
|   | 
| RDMA for RDS | 
| ============ | 
|   | 
|   see rds-rdma(7) manpage (available in rds-tools) | 
|   | 
|   | 
| Congestion Notifications | 
| ======================== | 
|   | 
|   see rds(7) manpage | 
|   | 
|   | 
| RDS Protocol | 
| ============ | 
|   | 
|   Message header | 
|   | 
|     The message header is a 'struct rds_header' (see rds.h): | 
|     Fields: | 
|       h_sequence: | 
|           per-packet sequence number | 
|       h_ack: | 
|           piggybacked acknowledgment of last packet received | 
|       h_len: | 
|           length of data, not including header | 
|       h_sport: | 
|           source port | 
|       h_dport: | 
|           destination port | 
|       h_flags: | 
|           CONG_BITMAP - this is a congestion update bitmap | 
|           ACK_REQUIRED - receiver must ack this packet | 
|           RETRANSMITTED - packet has previously been sent | 
|       h_credit: | 
|           indicate to other end of connection that | 
|           it has more credits available (i.e. there is | 
|           more send room) | 
|       h_padding[4]: | 
|           unused, for future use | 
|       h_csum: | 
|           header checksum | 
|       h_exthdr: | 
|           optional data can be passed here. This is currently used for | 
|           passing RDMA-related information. | 
|   | 
|   ACK and retransmit handling | 
|   | 
|       One might think that with reliable IB connections you wouldn't need | 
|       to ack messages that have been received.  The problem is that IB | 
|       hardware generates an ack message before it has DMAed the message | 
|       into memory.  This creates a potential message loss if the HCA is | 
|       disabled for any reason between when it sends the ack and before | 
|       the message is DMAed and processed.  This is only a potential issue | 
|       if another HCA is available for fail-over. | 
|   | 
|       Sending an ack immediately would allow the sender to free the sent | 
|       message from their send queue quickly, but could cause excessive | 
|       traffic to be used for acks. RDS piggybacks acks on sent data | 
|       packets.  Ack-only packets are reduced by only allowing one to be | 
|       in flight at a time, and by the sender only asking for acks when | 
|       its send buffers start to fill up. All retransmissions are also | 
|       acked. | 
|   | 
|   Flow Control | 
|   | 
|       RDS's IB transport uses a credit-based mechanism to verify that | 
|       there is space in the peer's receive buffers for more data. This | 
|       eliminates the need for hardware retries on the connection. | 
|   | 
|   Congestion | 
|   | 
|       Messages waiting in the receive queue on the receiving socket | 
|       are accounted against the sockets SO_RCVBUF option value.  Only | 
|       the payload bytes in the message are accounted for.  If the | 
|       number of bytes queued equals or exceeds rcvbuf then the socket | 
|       is congested.  All sends attempted to this socket's address | 
|       should return block or return -EWOULDBLOCK. | 
|   | 
|       Applications are expected to be reasonably tuned such that this | 
|       situation very rarely occurs.  An application encountering this | 
|       "back-pressure" is considered a bug. | 
|   | 
|       This is implemented by having each node maintain bitmaps which | 
|       indicate which ports on bound addresses are congested.  As the | 
|       bitmap changes it is sent through all the connections which | 
|       terminate in the local address of the bitmap which changed. | 
|   | 
|       The bitmaps are allocated as connections are brought up.  This | 
|       avoids allocation in the interrupt handling path which queues | 
|       sages on sockets.  The dense bitmaps let transports send the | 
|       entire bitmap on any bitmap change reasonably efficiently.  This | 
|       is much easier to implement than some finer-grained | 
|       communication of per-port congestion.  The sender does a very | 
|       inexpensive bit test to test if the port it's about to send to | 
|       is congested or not. | 
|   | 
|   | 
| RDS Transport Layer | 
| ================== | 
|   | 
|   As mentioned above, RDS is not IB-specific. Its code is divided | 
|   into a general RDS layer and a transport layer. | 
|   | 
|   The general layer handles the socket API, congestion handling, | 
|   loopback, stats, usermem pinning, and the connection state machine. | 
|   | 
|   The transport layer handles the details of the transport. The IB | 
|   transport, for example, handles all the queue pairs, work requests, | 
|   CM event handlers, and other Infiniband details. | 
|   | 
|   | 
| RDS Kernel Structures | 
| ===================== | 
|   | 
|   struct rds_message | 
|     aka possibly "rds_outgoing", the generic RDS layer copies data to | 
|     be sent and sets header fields as needed, based on the socket API. | 
|     This is then queued for the individual connection and sent by the | 
|     connection's transport. | 
|   struct rds_incoming | 
|     a generic struct referring to incoming data that can be handed from | 
|     the transport to the general code and queued by the general code | 
|     while the socket is awoken. It is then passed back to the transport | 
|     code to handle the actual copy-to-user. | 
|   struct rds_socket | 
|     per-socket information | 
|   struct rds_connection | 
|     per-connection information | 
|   struct rds_transport | 
|     pointers to transport-specific functions | 
|   struct rds_statistics | 
|     non-transport-specific statistics | 
|   struct rds_cong_map | 
|     wraps the raw congestion bitmap, contains rbnode, waitq, etc. | 
|   | 
| Connection management | 
| ===================== | 
|   | 
|   Connections may be in UP, DOWN, CONNECTING, DISCONNECTING, and | 
|   ERROR states. | 
|   | 
|   The first time an attempt is made by an RDS socket to send data to | 
|   a node, a connection is allocated and connected. That connection is | 
|   then maintained forever -- if there are transport errors, the | 
|   connection will be dropped and re-established. | 
|   | 
|   Dropping a connection while packets are queued will cause queued or | 
|   partially-sent datagrams to be retransmitted when the connection is | 
|   re-established. | 
|   | 
|   | 
| The send path | 
| ============= | 
|   | 
|   rds_sendmsg() | 
|     struct rds_message built from incoming data | 
|     CMSGs parsed (e.g. RDMA ops) | 
|     transport connection alloced and connected if not already | 
|     rds_message placed on send queue | 
|     send worker awoken | 
|   rds_send_worker() | 
|     calls rds_send_xmit() until queue is empty | 
|   rds_send_xmit() | 
|     transmits congestion map if one is pending | 
|     may set ACK_REQUIRED | 
|     calls transport to send either non-RDMA or RDMA message | 
|     (RDMA ops never retransmitted) | 
|   rds_ib_xmit() | 
|     allocs work requests from send ring | 
|     adds any new send credits available to peer (h_credits) | 
|     maps the rds_message's sg list | 
|     piggybacks ack | 
|     populates work requests | 
|     post send to connection's queue pair | 
|   | 
| The recv path | 
| ============= | 
|   | 
|   rds_ib_recv_cq_comp_handler() | 
|     looks at write completions | 
|     unmaps recv buffer from device | 
|     no errors, call rds_ib_process_recv() | 
|     refill recv ring | 
|   rds_ib_process_recv() | 
|     validate header checksum | 
|     copy header to rds_ib_incoming struct if start of a new datagram | 
|     add to ibinc's fraglist | 
|     if competed datagram: | 
|       update cong map if datagram was cong update | 
|       call rds_recv_incoming() otherwise | 
|       note if ack is required | 
|   rds_recv_incoming() | 
|     drop duplicate packets | 
|     respond to pings | 
|     find the sock associated with this datagram | 
|     add to sock queue | 
|     wake up sock | 
|     do some congestion calculations | 
|   rds_recvmsg | 
|     copy data into user iovec | 
|     handle CMSGs | 
|     return to application | 
|   | 
| Multipath RDS (mprds) | 
| ===================== | 
|   Mprds is multipathed-RDS, primarily intended for RDS-over-TCP | 
|   (though the concept can be extended to other transports). The classical | 
|   implementation of RDS-over-TCP is implemented by demultiplexing multiple | 
|   PF_RDS sockets between any 2 endpoints (where endpoint == [IP address, | 
|   port]) over a single TCP socket between the 2 IP addresses involved. This | 
|   has the limitation that it ends up funneling multiple RDS flows over a | 
|   single TCP flow, thus it is | 
|   (a) upper-bounded to the single-flow bandwidth, | 
|   (b) suffers from head-of-line blocking for all the RDS sockets. | 
|   | 
|   Better throughput (for a fixed small packet size, MTU) can be achieved | 
|   by having multiple TCP/IP flows per rds/tcp connection, i.e., multipathed | 
|   RDS (mprds).  Each such TCP/IP flow constitutes a path for the rds/tcp | 
|   connection. RDS sockets will be attached to a path based on some hash | 
|   (e.g., of local address and RDS port number) and packets for that RDS | 
|   socket will be sent over the attached path using TCP to segment/reassemble | 
|   RDS datagrams on that path. | 
|   | 
|   Multipathed RDS is implemented by splitting the struct rds_connection into | 
|   a common (to all paths) part, and a per-path struct rds_conn_path. All | 
|   I/O workqs and reconnect threads are driven from the rds_conn_path. | 
|   Transports such as TCP that are multipath capable may then set up a | 
|   TPC socket per rds_conn_path, and this is managed by the transport via | 
|   the transport privatee cp_transport_data pointer. | 
|   | 
|   Transports announce themselves as multipath capable by setting the | 
|   t_mp_capable bit during registration with the rds core module. When the | 
|   transport is multipath-capable, rds_sendmsg() hashes outgoing traffic | 
|   across multiple paths. The outgoing hash is computed based on the | 
|   local address and port that the PF_RDS socket is bound to. | 
|   | 
|   Additionally, even if the transport is MP capable, we may be | 
|   peering with some node that does not support mprds, or supports | 
|   a different number of paths. As a result, the peering nodes need | 
|   to agree on the number of paths to be used for the connection. | 
|   This is done by sending out a control packet exchange before the | 
|   first data packet. The control packet exchange must have completed | 
|   prior to outgoing hash completion in rds_sendmsg() when the transport | 
|   is mutlipath capable. | 
|   | 
|   The control packet is an RDS ping packet (i.e., packet to rds dest | 
|   port 0) with the ping packet having a rds extension header option  of | 
|   type RDS_EXTHDR_NPATHS, length 2 bytes, and the value is the | 
|   number of paths supported by the sender. The "probe" ping packet will | 
|   get sent from some reserved port, RDS_FLAG_PROBE_PORT (in <linux/rds.h>) | 
|   The receiver of a ping from RDS_FLAG_PROBE_PORT will thus immediately | 
|   be able to compute the min(sender_paths, rcvr_paths). The pong | 
|   sent in response to a probe-ping should contain the rcvr's npaths | 
|   when the rcvr is mprds-capable. | 
|   | 
|   If the rcvr is not mprds-capable, the exthdr in the ping will be | 
|   ignored.  In this case the pong will not have any exthdrs, so the sender | 
|   of the probe-ping can default to single-path mprds. |