合理使用光互联产品减少万卡集群高性能网络中TOR交换机上行网络的ECMP哈希冲突

众所周知，万卡集群需要高性能网络进行数据的大容量快速的交换数据。但是，数据流从服务器A传输到服务器B往往可以有多个网络路径可以选择，一旦所有数据流选择同一条网络路径进行传输时，就会造成该路径网络的拥堵。于是业界使用一种ECMP的方法，通过哈希运算（这里不做深究，简单点理解就是一种网络路径选择策略）进行数据流的网络路径选择，从而均衡所有网络路径的数据流。但是在大容量的高速数据流量的情况下，哈希算法还是有可能将多条数据流安排在同一网络路径中传输，这种现象称之为哈希冲突。

本文通过分析万卡集群高性能网络TOR层的ECMP哈希冲突，介绍如何通过使用有源光缆AOC和无源铜缆DAC分支线缆产品来减少ECMP哈希冲突的方法。

1.ECMP（Equal-Cost Multi-Path Routing）等价多路径路由

未开启ECMP时，无法充分利用路径资源。如图1所示，假设有数据流从服务器A到服务器C，有数据流从服务器B到服务器D。交换机每次都会选择TOR1-LEAF1-TOR2转发数据流。除非此条路径发生拥塞，才会重新选择路径。

图 1

开启ECMP，便可同时利用多条路径，通过哈希运算进行负载均衡，服务器A到服务器C数据流选择橘色路径，服务器B到服务器D的数据流选择红色路径，如图2所示。

图 2

2.哈希冲突

本文开头已经介绍了什么是哈希冲突，下面我们一起来分析TOR层在什么情况下会出现哈希冲突。假设我们TOR层使用64口交换机，端口带宽400G，上下行1：1进行互联。服务器使用8张400G网卡与TOR交换机互联。此时，服务器网卡端口带宽和TOR交换机端口带宽比1：1。

TOR层的哈希冲突，主要是TOR交换机的上行传输数据流时概率性冲突。

如果服务器A需要发送400G数量流给服务器C，首先发送给TOR1，TOR1将流量转发给 LEAF 层时，会根据哈希运算去随机选择LEAF1和LEAF2。与此同时，服务器 B如果也需要服务器D进行通信，它也会把400G数量流发送给TOR1。此时，TOR1也会根据哈希运算来选择把流量转发给LEAF1或者 LEAF 2。如果双方都哈希到了TOR1到LEAF 1这条链路，TOR1到LEAF2这条链路相对空闲，如图3所示。此时，由于TOR端口最大带宽只有400G，不可能同时将服务器A和服务器 B共计2*400G=800G的数量流上行传输到LEAR1交换机上，导致实际上A和B只有200G的网络带宽，如图4所示。所以，如果2个数据流都哈希到了TOR1到LEAF 1这条链路，就会在TOR1的上行传输方向就会产生哈希冲突。

图 3

图 4

由于这种现象是由于哈希运算导致的，因此不论是IB还是以太网RoCE都面临着这种概率可能性。

图5 英伟达在2023云网智联大会上介绍IB的负载均衡问题

3.如何避免哈希冲突

如果我们对假设的案例进行修改，服务器网卡端口带宽和TOR交换机端口带宽比修改为1：2，即TOR交换机端口带宽为400G，服务器网卡带宽为200G，让2张网卡端口和1个交换机端口连接，同一的传输方案中，服务器A和B上行到TOR交换机共计2*200G=400G的数据流，如果通过TOR交换机哈希运算选择同一网络路径上行，使用400G的端口进行上行传输，此时也可以正常传输。如图6所示。

图 6

基于修改后的案例，TOR交换机单个端口可以连接2张网卡，下行总共32个端口，意味着单个TOR交换机可以连接的服务器数量最多为32*2=64个。在大模型训练过程中将训练任务安排在同一TOR网络架构内的服务器，也可以减少哈希冲突的概率。

4.合理选择大成鹏通信有源光缆AOC和无源铜缆DAC产品

在未修改的案例中，服务器网卡端口带宽和TOR交换机端口带宽比1：1，皆为400G。此时使用的互联产品可以选择传统的光模块，或者有源光缆AOC和无源铜缆DAC线缆产品。在以太网中，两端均使用400G QSFP-DD、400G QSFP112或者400G OSFP的封装模式，需要根据两端设备端口类型决定；在IB网络中，两端均使用400G OSFP的封装模式，OSFP为IB指定封装。

在修改后的案例中，需要将2张网卡端口和1个交换机端口连接，使用的互联产品有源光缆AOC和无源铜缆DAC分支线缆产品。此时，在以太网中，交换机端使用400G QSFP-DD、400G QSFP112或者400G OSFP的封装模式，网卡端使用200G QSFP56封装或者200G QSFP-DD封装，需要根据两端设备端口类型决定；在IB网络中，交换机端使用400G OSFP的封装模式，网卡端使用200G QSFP56封装模式，OSFP和QSFP56为IB指定封装。

5.结语

以上分析的是通过选择大成鹏通信有源光缆AOC和无源铜缆DAC分支线缆产品，来减少万卡集群高性能网络中TOR交换机上行网络的ECMP哈希冲突。在此基础之上，可以提出两个减少哈希冲突的优化方向。一是使用分支线缆进行互联：如图6所示，LEAF层在下行网络中也存在哈希冲突的可能，此时使用分支线缆连接LEAF和TOR交换机，比如使用800G分支2*400G的光模块连接方式或者AOC分支线缆（DAC长度不够）进行LEAF-TOR的互联，就可以减少LEAF层下行方向哈希冲突的可能性；二是增加分支数量：比如单个的TOR交换机下，使用400G分支4*100G的AOC或者DAC进行互联，这样单个TOR交换机最多可以连接32*4=128个服务器，数量是400G分支2*200G方案可连接服务器数量的2倍，这种方法在LEAF层也同样适用。