深度学习训练基于Pod和RDMA

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引言

RDMA技术概述

InfiniBand

iWARP

RoCE

Pod和容器化环境

深度学习训练与RDMA结合

MPI和RDMA

深度学习框架与RDMA

实战：基于Pod和RDMA的深度学习训练

环境准备

步骤

YAML

性能和优势

结论

引言

随着深度学习在人工智能领域的快速发展，其在计算机视觉、自然语言处理、自动驾驶等多个领域都展现了强大的能力。然而，单个GPU的计算能力和内存大小已无法满足大规模深度学习训练的需求。为了使用更多的计算能力并缩短训练时间，分布式训练已成为解决大规模深度学习问题的关键方法。其中，RDMA（Remote Direct Memory Access）网络因其极高带宽与极低延迟的特性，在分布式训练中发挥着重要作用。本文将详细介绍如何在基于Pod的容器化环境中，利用RDMA网络进行深度学习训练。

RDMA技术概述

RDMA技术提供了一种跨过CPU、操作系统和TCP/IP协议栈，直接访问远端内存到本地内存的方式。它具有低延迟和低CPU使用率的优点。RDMA技术主要有三种实现方式：InfiniBand、iWARP和RoCE。其中，RoCE因其综合性能较好、兼容性较优、价格普惠而受到广泛认可。

InfiniBand

InfiniBand设计之初就考虑了RDMA，从硬件级别保证可靠传输，但网卡和交换机的价格昂贵，兼容性差。

iWARP

iWARP基于TCP或SCTP实现RDMA，对网络设备的要求较少，但TCP连接需要占用内核资源，市场认可度较低。

RoCE

RoCE基于Ethernet实现RDMA，消耗的资源比iWARP少，支持的特性比iWARP多，需要FCoE实现可靠传输。RoCE的综合性能较好，价格普惠，且最新版本RoCEv2支持IPv4和IPv6，具有良好的可扩展性和应用前景。

Pod和容器化环境

在容器化集群环境中运行分布式模型训练时，通常使用Pod作为容器的基本单位。Pod是Kubernetes中的最小部署单元，可以包含一个或多个容器。在基于Pod的环境中，容器网络接口（CNI）用于实现容器间的网络通信。

深度学习训练与RDMA结合

MPI和RDMA

MPI（Message Passing Interface）是一门比较老的技术，在高性能计算界几乎是标配，其对RDMA优化较好。MPI最大的优势有两点：一是MPI有一个高性能allreduce的实现，底层实现了tree aggregation；二是程序可以无缝移植到异构高性能计算环境，例如InfiniBand。

深度学习框架与RDMA

已有的深度学习框架大部分是基于传统的TCP/IP技术实现数据通信，在向RDMA网络移植时，有不同的技术方法可以选择：IPoIB、MPI以及RDMA Verbs。在这三种方法的选择上，需要在易用性和性能方面做出权衡。不合适的决策可能导致复杂且难以维护的代码实现。

例如，MXNet是一个模块化的深度学习框架，通过修改MXNet使其可以在RDMA网络上运行，可以将深度学习训练过程的通信部分划分为三个层次：点对点通信、Allreduce通信以及端到端训练。依据这种层次划分，可以提出增量式的移植与优化方法，使得性能的提升更有据可循。实验结果表明，在使用100个GPU时，并行效率可以从IPoIB版本的53%提升到96%，接近线性加速。

实战：基于Pod和RDMA的深度学习训练

环境准备

硬件环境：
- 服务器：若干台支持RDMA的服务器
- 网卡：支持RoCE或InfiniBand的网卡
- 交换机：支持RoCE或InfiniBand的交换机
软件环境：
- Kubernetes集群：用于管理Pod和容器
- 深度学习框架：如TensorFlow、PyTorch或MXNet
- MPI库：如mvapich2或MPICH
- 容器网络接口（CNI）插件：支持RDMA的CNI插件

步骤

部署Kubernetes集群：
- 在服务器上安装Kubernetes，并配置网络插件以支持RDMA。
配置RDMA网络：
- 在服务器上安装并配置RDMA网卡和驱动。
- 配置交换机以支持RDMA网络。
部署深度学习框架：
- 在Kubernetes集群中部署深度学习框架，并配置其使用RDMA进行通信。
编写分布式训练代码：
- 使用MPI编写分布式训练代码，并配置其使用RDMA进行通信。
- 将代码打包成容器镜像，并上传到Kubernetes集群中。
创建Pod并启动训练：
- 使用Kubernetes的YAML文件定义Pod，并指定使用RDMA网络。
- 启动Pod并开始进行分布式训练。

YAML

在Kubernetes中，要配置一个使用GPU和RDMA网络的Pod，需要创建一个YAML文件来定义Pod的规格。以下是一个示例YAML文件，它定义了一个使用example-gpu-dnn镜像的Pod，并假设你已经有一个支持RDMA的网络插件在Kubernetes集群中运行。

apiVersion: v1  
kind: Pod  
metadata:  name: example-gpu-dnn-pod  labels:  app: example-gpu-dnn  
spec:  containers:  - name: example-gpu-dnn-container  image: example-gpu-dnn:latest  imagePullPolicy: IfNotPresent  resources:  limits:  nvidia.com/gpu: 1 # 请求1个GPU  volumeMounts:  - name: rdma-device-plugin  mountPath: /var/lib/kubelet/device-plugins/  volumes:  - name: rdma-device-plugin  hostPath:  path: /var/lib/kubelet/device-plugins/  type: Directory  nodeSelector:  kubernetes.io/hostname: your-node-label # 指定运行Pod的节点，需要替换为实际的节点标签  affinity:  nodeAffinity:  requiredDuringSchedulingIgnoredDuringExecution:  nodeSelectorTerms:  - matchExpressions:  - key: feature.node.kubernetes.io/network-rdma.capable  operator: In  values:  - "true" # 确保Pod被调度到支持RDMA的节点上

在这个YAML文件中，做了以下几件事情：

定义了Pod的元数据和规格。
指定了容器使用的镜像example-gpu-dnn:latest。
设置了资源限制，请求1个GPU。
挂载了RDMA设备插件的目录，以便容器可以访问RDMA设备。
使用了nodeSelector来指定Pod应该运行在哪个节点上（需要替换为实际的节点标签）。
使用了affinity来确保Pod被调度到支持RDMA的节点上。

注意，需要根据实际环境和需求来调整这个YAML文件。特别是nodeSelector和affinity部分，需要确保它们与你的Kubernetes集群的配置相匹配。此外，如果RDMA设备插件不在/var/lib/kubelet/device-plugins/目录下，需要相应地修改volumeMounts和volumes部分。