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AI数据中心网络热潮下，如何突破传统以太网利用率瓶颈？

近年来，随着AI大模型训练（如GPT-4、Gemini）的爆发式增长，数据中心网络的流量压力急剧上升。单次训练任务可能涉及数千张GPU卡协同工作，生成集合通信流量（All-Reduce、All-to-All等），网络面临高并发、低延迟、无损传输的严苛需求。然而，传统以太网的网络利用率长期徘徊在35%~40%，成为制约AI算力释放的关键瓶颈。如何将利用率提升至85%甚至90%以上？这需要从架构设计、传输协议到调度算法的全面革新。

AI大模型训练催生网络利用率危机

当前，AI训练任务的数据规模呈指数级增长。以混合专家模型（MoE）为例，其参数分布在不同GPU节点上，训练过程中频繁的梯度同步与参数更新会触发In-Cast拥塞——多源同时向单一目的节点发送数据，导致目的链路带宽瞬时耗尽。传统以太网依赖ECMP（等价多路径）进行负载均衡，但面对AI流量的高熵值特性（流持续时间长、包大小固定），ECMP的粗粒度Hash调度极易引发“流量极化”（部分链路过载而其他链路闲置）。

超级以太网：从架构到协议的效率革命

超以太网联盟（UEC）提出了一套系统性解决方案，目标是将网络利用率提升至85%以上，其核心技术涵盖以下维度：

1. 无损传输：从粗暴丢弃到精准控制

传统以太网在拥塞时直接丢弃报文，而UEC引入端到端无损传输技术，结合RoCEv2的PFC（优先级流量控制）和ECN（显式拥塞通知），实现微秒级拥塞反馈。例如，当交换机检测到队列深度超过阈值时，通过ECN标记数据包头部，通知接收端触发速率调节，避免全局性丢包。针对In-Cast拥塞，UEC进一步提出INC（In-Network Computing）技术，允许交换机在传输过程中对All-Reduce流量进行梯度聚合，减少冗余数据传输量。

2. 拓扑革新：CLOS架构与动态无阻塞

传统三层网络架构（接入-汇聚-核心）因收敛比限制，难以避免纵向带宽瓶颈。UEC采用CLOS无阻塞拓扑，通过横向扩展实现“任意端口间均可直达”，总接入带宽与核心带宽保持1:1。然而，CLOS架构仍需应对局部链路拥塞问题。为此，UEC提出包喷洒（Packet Spraying）技术，将单条流的报文分散到多条等价路径，结合传输层协议支持乱序重组，最大化利用全网带宽。实验表明，包喷洒可将长流（如AI训练流）的链路利用率提升30%以上。

3. 拥塞机制：UEC传输层改进方案

当In-Cast拥塞产生后，目前主要通过端到端的流控机制来缓解这一问题。例如，基于ECN的DCQCN/DCTCP技术通过调节源端的发送流量速率，适应网络的可用带宽。由于ECN携带的信息只有1个bit，这种调节方式不够精确。例如，DCQCN在收到ECN后，首先会大幅度降低速率，然后逐步提高速率，直到与可用带宽匹配。这个过程较为缓慢，期间网络带宽的利用率明显不足。为了解决这一问题，UEC传输层（UET，Ultra Ethernet Transport Layer）提出了以下改进措施：

• 加速调整过程：UET通过测量端到端延迟来调节发送速率，并根据接收方的能力通知发送方调整速率，快速达到线速。

• 基于遥测：来自网络的拥塞信息可以通告拥塞的位置和原因，缩短拥塞信令路径并向终端节点提供更多信息，从而实现更快的拥塞响应。

解锁90%利用率的关键实践

作为UEC核心成员，星融元通过自研技术进一步突破利用率极限，其创新点包括：

1、Flowlet：微突发流量的精细化调度

AI训练流量具有显著的计算-通信交替特性，通信阶段产生大量微秒级突发流量（Flowlet）。星融元利用Flowlet间的空闲间隔（>100μs），将其动态调度至不同路径，既避免报文乱序，又实现负载均衡。例如，在ResNet-152训练任务中，Flowlet技术将网络吞吐量提升22%，时延降低15%。

2、基于遥测的路由

为了将包、flowlet或整个流调度到不同的路径上，需要路由协议的控制。传统的路由协议，基于静态的网络信息来计算最优路径，如OSPF基于网络带宽计算最短路径，BGP根据AS-PATH长度计算ECMP等。这种控制与网络实际负载脱节，需要加以改进。

基于遥测的路由（Int-based Routing）技术结合OSPF、BGP和在网遥测（INT）技术，为网络中任意一对节点之间计算多条路径，每个路径的开销是动态测量的延迟，从而能够根据实时的网络负载进行路由，从而充分利用每个路径的带宽。

3、WCMP

ECMP技术将包、flowlet或整个流均匀的分布到多个路径上，忽略了不同路径上的实际负载。为了进一步提升网络利用率。星融元采用加权代价多路径（Weighted Cost Multiple Path）算法，基于遥测获取的时延等信息，在时延更低的路径上调度更多的流量，在时延更高的路径上调度更少的流量，从而实现所有路径的公平利用。在理想情况下，流量经过不同路径的总时延是相等的，可充分利用所有可用带宽。

【参考文献】

• [1] Ultra Ethernet Consortium, “Ultra Ethernet Introduction” 15th October 2024.
• [2] Asterfusion, “Unveiling AI Data Center Network Traffic” https://cloudswit.ch/blogs/ai-data-center-network-traffic/.
• [3] Asterfusion, “What is Leaf-Spine Architecture and How to Build it?” https://cloudswit.ch/blogs/what-is-leaf-spine-architecture-and-how-to-build-it/.