資料中心高速網路之爭：InfiniBand、乙太網路、Omni-Path與SlingShot全面對決

引言：高速網路成為資料中心效能關鍵

在數位轉型浪潮席捲全球的今日，資料中心已成為現代企業和服務的神經中樞。隨著人工智慧、大數據分析和雲端運算等技術的快速發展，資料中心內部的網路連接技術面臨前所未有的挑戰與機遇。每一毫秒的延遲都可能影響使用者體驗，每一比特的頻寬都關乎服務品質，使得高速、低延遲的網路架構成為資料中心設計的核心考量。

在這場資料中心高速網路的角力賽中，四個主要技術脫穎而出：InfiniBand、乙太網路（Ethernet）、Omni-Path和SlingShot。這些技術各有優勢，適用於不同的應用場景，但它們之間的競爭也日趨激烈，尤其是長期佔據市場主導地位的InfiniBand和無處不在的乙太網路之間的較量最為引人注目。

本專欄將深入剖析這四種高速網路技術的特性、優缺點、應用場景和未來發展趨勢，幫助讀者了解資料中心網路架構的關鍵決策因素。

資料中心網路架構演進：從千兆到petabit時代

網路需求的爆炸性增長

過去二十年，資料中心的網路需求經歷了指數級增長。從最初的100 Mbps乙太網路，到千兆（Gigabit）乙太網路，再到現今的400 Gigabit乙太網路和更高速的InfiniBand HDR（200 Gbps）和NDR（400 Gbps），網路速度提升了數千倍。這一切都源於雲端服務、即時數據分析、高效能運算（HPC）和AI訓練等應用對高頻寬、低延遲網路的巨大需求。

現代資料中心網路的關鍵指標

評估資料中心網路架構時，以下幾個關鍵指標至關重要：

• 頻寬（Bandwidth）：每秒可傳輸的數據量
• 延遲（Latency）：數據從源到目的地所需的時間
• 擴展性（Scalability）：網路支援的節點數量及擴充能力
• 成本效益（Cost-effectiveness）：包括硬體、部署和維護成本
• 能源效率（Energy efficiency）：每比特數據傳輸的能耗
• 生態系統支援（Ecosystem support）：設備供應商、軟體和工具的完整度

InfiniBand技術詳解：超高速運算的標準選擇

InfiniBand的技術原理與架構

InfiniBand最初於2000年問世，是專為高效能運算環境設計的高速互連技術。它採用點對點架構，支援嚴格的服務品質（QoS）和遠程直接內存訪問（RDMA）技術，能夠繞過操作系統和CPU，直接將數據從一個系統的內存傳輸到另一個系統，大幅降低延遲並提高處理效率。

InfiniBand採用了切換式分層拓撲結構，支援Fat Tree、全連接（Full mesh）和Torus等多種網路拓撲，能夠滿足不同規模和類型工作負載的需求。

InfiniBand的發展歷程與速度演進

InfiniBand技術經歷了多次演進，速度不斷提升：

• SDR（Single Data Rate）：10 Gbps
• DDR（Double Data Rate）：20 Gbps
• QDR（Quad Data Rate）：40 Gbps
• FDR（Fourteen Data Rate）：56 Gbps
• EDR（Enhanced Data Rate）：100 Gbps
• HDR（High Data Rate）：200 Gbps
• NDR（Next Data Rate）：400 Gbps
• XDR（eXtended Data Rate）：800 Gbps（預計）

每一代的發展不僅提升了速度，還增強了可靠性、管理能力和能源效率。

InfiniBand在HPC與AI領域的應用優勢

InfiniBand在高效能運算（HPC）和AI訓練領域佔有絕對優勢，全球TOP500超級電腦中有超過一半使用InfiniBand互連技術。其主要優勢包括：

• 超低延遲（Sub-microsecond latency）
• 極高吞吐量
• 優異的CPU卸載能力
• 高效的RDMA支援
• 卓越的整合與擴展能力

這些特性使InfiniBand成為需要密集節點間通信的大規模科學計算、氣象預測、基因研究和複雜AI模型訓練的首選技術。

乙太網路的演進與優勢：無所不在的通用標準

乙太網路技術原理與靈活架構

乙太網路（Ethernet）自1980年代問世以來，已成為全球最普及的網路連接技術。它採用基於CSMA/CD（載波偵聽多路存取/碰撞偵測）的共享媒體存取方法，後來發展出交換式乙太網路，消除了碰撞問題並大幅提高效率。

乙太網路支援多種拓撲結構，包括星型、樹狀和網狀拓撲，適用於各種規模的網路部署。其簡單性、互操作性和普及性使其成為全球網際網路的基石。

從傳統到高速：乙太網路標準的演進

乙太網路標準由IEEE 802.3工作組定義，經歷了從最初的10 Mbps到今天的400 Gbps甚至800 Gbps的長足發展：

• 10 Mbps乙太網路（10BASE-T）
• 100 Mbps快速乙太網路（Fast Ethernet）
• 1 Gbps千兆乙太網路（Gigabit Ethernet）
• 10 Gbps萬兆乙太網路（10 Gigabit Ethernet）
• 25/40/50/100 Gbps乙太網路
• 200/400 Gbps乙太網路
• 800 Gbps乙太網路（開發中）

每一代標準都向後兼容，確保了平滑升級和異質網路環境的互操作性。

乙太網路對資料中心的應用價值

乙太網路在資料中心領域的主要優勢包括：

• 普及性與標準化：全球廣泛採用，設備供應商眾多
• 成本效益：相較於專用技術，通常具有更低的部署和維護成本
• 靈活性：支援各種拓撲和架構，從小型辦公室到超大規模資料中心
• 生態系統完整：豐富的軟體、工具和管理解決方案支援
• 持續創新：RoCE（RDMA over Converged Ethernet）等技術不斷縮小與InfiniBand在性能上的差距

Omni-Path架構：英特爾的高效能網路嘗試

Omni-Path技術背景與發展歷程

Omni-Path Architecture（OPA）是英特爾於2015年推出的高效能互連技術，旨在為高效能運算和資料中心提供高頻寬、低延遲的網路解決方案。這項技術源於英特爾收購QLogic的TrueScale InfiniBand業務和Cray的Aries互連技術，結合兩者優勢開發而成。

然而，值得注意的是，英特爾於2019年宣布停止開發Omni-Path第二代產品，並於2020年將Omni-Path業務出售給新成立的Cornelis Networks公司，該公司現在繼續開發和支援Omni-Path技術。

Omni-Path的技術特點與架構

Omni-Path具有以下技術特點：

• 100 Gbps的端口速度
• 適合大型叢集的可擴展性（支援多達數萬個節點）
• 創新的流量管理和擁塞控制機制
• 先進的路由算法
• 與英特爾處理器和平台的優化整合

Omni-Path採用基於Fat Tree的拓撲結構，支援多種網路配置，適用於各種HPC和資料分析工作負載。

Omni-Path的市場定位與應用場景

儘管Omni-Path未能獲得如InfiniBand般的市場份額，但它在特定領域仍有其應用價值：

• 中小型HPC叢集
• 學術研究環境
• 對成本敏感的高效能運算場景
• 與英特爾處理器和平台深度整合的環境

特別是在英特爾生態系統內，Omni-Path提供了與英特爾處理器、存儲和軟體堆疊的無縫整合，為某些特定用例提供了競爭優勢。

SlingShot網路：Cray超級電腦的互連技術

SlingShot技術起源與HPE Cray連結

SlingShot是由超級電腦巨頭Cray（現為HPE Cray）開發的高效能互連網路技術，於2018年推出，作為其第七代互連架構。它是Cray超級電腦系統的核心組件，專為極端規模的HPC和AI工作負載設計。值得注意的是，HPE於2019年收購Cray後，SlingShot技術成為HPE高效能運算產品線的重要部分。

SlingShot的技術創新與優勢

SlingShot技術的主要創新在於它成功地將高效能運算的嚴格要求與乙太網路的普及標準相融合：

• 基於200 Gbps乙太網路技術，但添加了專為HPC優化的功能
• Rosetta引擎，能夠在HPC協議和標準乙太網路協議之間進行高效轉換
• 自適應路由技術，降低擁塞並優化網路性能
• 低延遲設計，滿足要求嚴格的HPC應用需求
• 更低功耗和更高的能源效率

SlingShot在超級電腦和特殊場景中的應用

SlingShot主要應用於以下領域：

• 國家級和企業級超級電腦
• 美國能源部的領先超算系統，如Aurora和Frontier
• 需要乙太網路兼容性但又需要HPC性能的混合環境
• 大規模氣候建模、物理模擬和AI訓練系統

SlingShot的獨特之處在於它能夠同時連接HPC系統和標準IT基礎設施，提供兩全其美的解決方案，這對於許多希望整合HPC和企業IT環境的組織具有吸引力。

四大高速網路技術全面對比

性能指標全面評估

以下是四種技術在關鍵性能指標上的比較：

以下是二種主流技術在關鍵性能指標上的捉對廝殺：

適用場景分析

各技術最適合的應用場景：

• InfiniBand：超大規模HPC、AI訓練、需要最低延遲和最高頻寬的應用
• 乙太網路：通用資料中心、雲服務、Web服務、企業應用
• Omni-Path：中小型HPC叢集、學術研究、與英特爾平台深度整合的環境
• SlingShot：需要HPC性能但又需要乙太網路兼容性的混合環境、HPE超算系統

總擁有成本（TCO）比較

除了硬體成本外，總擁有成本還應考慮以下因素：

• 設備採購成本
• 部署和配置複雜度
• 人員技能要求
• 管理和維護成本
• 能源消耗
• 擴展和升級成本
• 生命週期支援

從長期TCO角度看，雖然乙太網路設備通常初始成本較低，但在特定HPC和AI場景中，InfiniBand的性能優勢可能帶來更好的投資回報，特別是在工作負載需要極低延遲和高頻寬的情況下。

InfiniBand vs. 乙太網路：核心對決深度分析

技術架構的根本差異

InfiniBand和乙太網路在設計理念上有著根本差異：

• InfiniBand：從一開始就設計為高效能運算環境的互連技術，注重延遲、頻寬和擴展性
• 乙太網路：設計為通用網路技術，注重互操作性、靈活性和成本效益

這種設計理念的差異體現在技術實現上：InfiniBand使用端到端的信用機制確保無丟包傳輸，而乙太網路傳統上使用基於丟包的擁塞控制機制，雖然現代乙太網路已加入無丟包功能，但實現方式和效率仍有差異。

應用開發和生態系統對比

兩種技術的生態系統特點：

• InfiniBand：
  • 強大的中間件（如OpenMPI、MVAPICH）支援
  • 完善的HPC和AI庫優化
  • 主要由NVIDIA（收購Mellanox後）主導發展
  • 專注於性能極限場景
• 乙太網路：
  • 全球標準，多廠商支援
  • 豐富的網路管理和監控工具
  • 廣泛的應用和服務支援
  • 更大的技術人才池

未來發展趨勢：融合還是分化？

隨著技術發展，InfiniBand和乙太網路之間的界限正在模糊：

• 乙太網路通過RoCE（RDMA over Converged Ethernet）和無丟包傳輸等技術，不斷縮小與InfiniBand在性能上的差距
• InfiniBand通過提升互操作性和簡化管理，努力降低採用門檻
• SlingShot等技術顯示出融合兩者優勢的可能性

然而，對於極端性能要求的應用，InfiniBand仍保持領先地位；而乙太網路在通用資料中心和雲環境中的主導地位也難以撼動。兩種技術很可能在可預見的未來繼續並存，各自在擅長的領域發揮優勢。

資料中心網路選型策略與最佳實踐

需求評估：確定關鍵應用特性

選擇適合的資料中心網路技術，首先需要評估以下關鍵因素：

• 工作負載特性：批處理vs.互動式、數據密集vs.計算密集
• 延遲敏感度：毫秒級延遲是否可接受，還是需要微秒甚至納秒級延遲
• 擴展需求：當前和未來預計的節點數量
• 預算約束：初始投資和長期運營成本考量
• 現有基礎設施：與現有系統的兼容性和整合要求
• 技術團隊能力：維護和優化特定網路技術的專業知識

混合網路架構：靈活應對多樣化需求

隨著工作負載多樣化，許多現代資料中心採用混合網路架構：

• 雙網路策略：HPC和AI叢集使用InfiniBand，一般服務器使用乙太網路
• 網路分區：根據應用特性在同一資料中心內部署不同網路技術
• 網關技術：使用專用網關實現不同網路技術之間的無縫通信
• 服務質量（QoS）分層：在同一網路內為不同應用提供差異化服務質量

未來規劃：預留升級路徑

技術選型不僅要考慮當前需求，還應預留未來升級路徑：

• 評估各技術的路線圖和長期發展趨勢
• 考慮模塊化設計，方便部分升級而非全面替換
• 關注標準發展和新技術動向
• 平衡專用技術優勢與標準技術靈活性

制定至少3-5年的技術演進規劃，確保資料中心網路架構能夠適應業務和技術的變化。

案例分析：不同場景的網路技術選擇

大型雲服務提供商案例

以亞馬遜AWS、微軟Azure和谷歌Cloud等大型雲服務提供商為例，它們通常採用以下策略：

• 主要骨幹網路使用高速乙太網路（100/200/400GbE）
• 為特定高性能計算服務提供InfiniBand選項（如AWS的EFA和Azure的InfiniBand支援）
• 大規模投資網路功能虛擬化（NFV）和軟體定義網路（SDN）
• 自研網路設備和ASIC，優化成本和性能

研究機構超級電腦案例

以台灣國家高速網路與計算中心（NCHC）和國際頂級超算中心為例：

• 大多採用InfiniBand HDR/NDR或SlingShot作為主要互連技術
• 儲存網路可能使用專用網路或高速乙太網路
• 外部連接使用乙太網路與校園網和網際網路互通
• 高度優化的拓撲結構，如三維Torus或多層Fat Tree

企業混合雲資料中心案例

典型企業混合雲資料中心網路選擇：

• 通用服務器集群使用10/25/100GbE乙太網路
• 關鍵應用可能使用RoCE技術獲得RDMA能力
• 專用AI訓練集群可能選用InfiniBand
• 採用SDN技術實現跨資料中心和雲環境的統一管理
• 逐步升級策略，優先提升瓶頸區域網路性能

未來趨勢：資料中心網路技術的演進方向

速度提升：從400G到800G及更高

網路速度將繼續提升，主要發展趨勢包括：

• InfiniBand XDR（800 Gbps）預計於2025年問世
• 800GbE乙太網路標準正在制定中
• 1.6 Tbps及更高速度的研發已在進行
• 光互連技術的廣泛應用，推動更高速率
• 新型光電材料和芯片技術突破，降低高速傳輸能耗

智能網路：AI輔助的自優化網路架構

網路不再只是連接點，而是智能系統的一部分：

• AI驅動的流量分析和預測
• 自適應路由和拓撲自優化
• 主動式擁塞偵測與避免
• 自動化安全威脅偵測和緩解
• 能源感知型網路管理，優化功耗

融合技術：打破傳統技術邊界

技術融合將成為主流趨勢：

• 計算網路融合（Compute-Network Convergence）
• 存儲網路融合（Storage-Network Convergence）
• 端到端可編程網路架構
• 開放標準與專有技術的融合
• 雲網融合（Cloud-Network Integration）

量子網路：未來資料中心的可能發展

雖然仍處於早期研究階段，量子網路可能在未來十年內開始影響資料中心設計：

• 量子加密通信的資料中心應用
• 量子傳感器在網路監控中的運用
• 分布式量子計算的網路需求
• 量子-傳統混合網路架構的演進

結論：選擇最適合的資料中心網路架構

資料中心網路技術的選擇沒有放之四海而皆準的答案，而是需要基於具體需求、應用場景和長期規劃做出平衡考量。InfiniBand憑藉其卓越的性能在高效能運算和AI領域保持領先地位；乙太網路則以其普及性、標準化和生態系統優勢在企業資料中心和雲環境中占據主導地位；Omni-Path和SlingShot等技術則在特定領域和應用場景中發揮重要作用。

隨著技術的發展和融合，資料中心網路架構正朝著更高速、更智能、更融合的方向演進。無論選擇哪種技術，確保網路架構能夠靈活適應不斷變化的業務需求和技術發展，才是資料中心設計的關鍵所在。

未來的資料中心網路將不再是簡單的連接媒介，而是整個數位基礎設施的神經系統，融合計算、存儲、安全和智能於一體。對於IT決策者而言，關鍵在於深入理解各技術的優缺點，結合組織的具體需求和長期發展規劃，制定兼顧當前實用性和未來擴展性的網路架構策略。

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