現代のデータセンター、AIクラスター、およびハイパフォーマンスコンピューティング（HPC）システムが継続的に拡大する中、超低遅延と高スループットのネットワークへの需要が急増しています。従来のTCP/IPアーキテクチャは、重要なワークロードの速度を低下させるオーバーヘッドを引き起こすことがよくあります。ここでRoCEv2（RDMA over Converged Ethernetバージョン2）が役立ちます。この記事では、RoCEv2とは何か、その仕組み、メリットと課題、そしてなぜ高パフォーマンスネットワークの核心技術として定着したのかを解説します。

RoCEv2とは？

RoCEv2は、イーサネットネットワーク上でリモートダイレクトメモリアクセス（RDMA）を可能にする業界標準のプロトコルです。ただし、前世代のRoCEv1とは異なり、UDP/IP上で動作するため、レイヤー3ネットワーク間でルーティング可能です。
RoCEv1：レイヤー2イーサネットのみに対応しており、スケーラビリティはローカルサブネットに限定されます。
RoCEv2：IPベースのインフラストラクチャ全体でRDMA機能を拡張し、パフォーマンスを犠牲にすることなく、より大規模で分散された環境でのデータ伝送を可能にします。
この進化により、既存のイーサネットインフラストラクチャを活用しつつ、RDMAを大規模に展開することが可能になります。

RoCEv2の仕組み

RoCEv2を深く理解するには、「RDMA」という言葉から説明します。
RDMA（リモートダイレクトメモリアクセス）は、通信するデバイスがCPUを経由せずにリモートサーバーのメモリに直接アクセスしてデータを交換する技術です。
RoCEv2の主要な原理：
RDMAのコンセプト：ゼロコピーデータ転送、カーネルバイパス、および最小限のCPU使用率。
プロトコル機能：RDMAトラフィックをUDP/IPでカプセル化することで、L3ネットワーク経由でのルーティングを可能にします。
トラフィック制御：損失のないパケット送信を保証するため、優先度フロー制御（PFC）と明示的コンジェスション通知（ECN）に依存しています。これはRDMAワークロードにとって重要な要件です。
制御平面とデータ平面：RoCEv2は制御信号とデータ転送を分離し、より効率的なフロー管理を実現します。

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RoCEv2のメリット

RoCEv2の核心にはRDMA技術が採用されており、これによりアプリケーションのメモリ空間間でデータをCPUの介入なしに直接転送することが可能です。これにより、不要なコピーが排除され、遅延が軽減されます。
超低遅延：RoCEv2の最も重要なメリットの一つは、従来のTCP/IP通信と比較して極めて低い遅延を実現できる点です。カーネルをバイパスし、不要なデータコピーを排除することで、RoCEv2は通信遅延をマイクロ秒レベルまで削減できます。
高スループットと近似ラインレート性能：RoCEv2は、アプリケーションが物理リンク容量に非常に近い速度でデータを転送できるようにします。RDMAがCPUの関与を最小限に抑えるため、パケット処理のオーバーヘッドが削減され、帯域幅がアプリケーションデータに専念されます。
CPUの負荷軽減とリソース効率化：従来のネットワークスタックは、データ処理に多量のCPUサイクルを消費します。RoCEv2はこれらの処理をネットワークインターフェースカード（NIC）に移行し、アプリケーション自体にCPUリソースを解放します。
IPネットワークにおける拡張性：RoCEv2はUDP/IP上で動作するため、レイヤー3ドメイン間でルーティング可能です。この拡張性は、ワークロードが複数のラック、建物、または地理的に分離されたサイトにまたがる現代の分散型データセンターにおいて不可欠です。
RoCEv2は、ほぼ限界のない性能と拡張性を実現しますが、ネットワークアーキテクチャの設計・調整・管理に対してより高い要件を伴います。AI、HPC、分散型ストレージなど、極限の性能が求められるシナリオでは、その利点は課題を上回ります。しかし、中小規模の環境や性能要件がそれほど厳しくない環境では、その複雑さが採用の障害となる可能性があります。

高性能ネットワークにおけるRoCEv2の役割

現代のデータセンターにおいて、RoCEv2は伝統的なイーサネットと次世代ワークロードの高速要件の橋渡し役を果たしています。これにより、以下のことが可能になります。
分散型AI/MLトレーニングにおいて、GPUクラスターがマイクロ秒レベルの遅延を要求するシナリオ。
HPCクラスターにおいて、科学シミュレーションが大規模な並列データ交換を必要とするシナリオ。
ストレージシステムにおいて、NVMe over Fabricsのようなアプリケーション向けに高速で予測可能なパフォーマンスを確保するシナリオ。
イーサネットの普遍性とRDMAの効率性を組み合わせることで、RoCEv2は企業や研究機関がネットワークを設計する方法を再定義しています。
RoCEv2は、多様な業界とワークロードにおいてますます広く採用されています。具体的には以下の分野で活用されています。
AI/MLトレーニングクラスター：TensorFlowやPyTorchなどのフレームワークにおいて、GPU間の通信を高速化します。
ハイパフォーマンスコンピューティング（HPC）：ゲノミクス、物理学、気象予測などの分野における大規模シミュレーションを可能にします。
クラウドデータセンター：スケーラビリティとパフォーマンスの両方を求めるマルチテナント環境をサポートします。
金融取引システム：リアルタイムの市場取引に必要な超低遅延を提供します。
分散型ストレージ：NVMe-oF、Ceph などのストレージバックエンドにおける効率的な RDMA 転送を可能にします。

まとめ

RoCEv2は、RDMAの効率性とイーサネットのスケーラビリティを融合させることで、高性能ネットワーク分野において重要な進化を遂げた技術です。導入には課題が伴い、慎重なチューニングが必要ですが、低遅延、高スループット、広範な適用可能性といったメリットは、HPC、AI、クラウド規模のインフラストラクチャにおける基盤技術として不可欠な存在となっています。企業がネットワークの限界をさらに押し広げていく中、RoCEv2を自動化やSDNソリューションと併せて評価することは、その価値を最大限に引き出すために不可欠となります。
高性能かつ効率的なデータセンターネットワークを求める企業にとっては、特定の要件やアプリケーションシナリオに合わせた適切なネットワークソリューションの選択は重要なステップとなります。FSは、エンタプライズスイッチ、100G/200G/400G/800G RoCE光トランシーバーモジュール、NVIDIA®アダプタなどの製品を提供しており、ネットワーク、データセンター、通信クライアント向けの通信および高速ネットワークシステムソリューションの専門プロバイダーとして位置づけられています。

本記事は FS.com からの転載です。原文リンク：https://www.fs.com/jp/blog/what-is-rocev2-rdma-applications-in-high-performance-networks-38105.html