RDMA编程基础

什么是Verbs

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什么是Verbs

Verbs直译过来是“动词”的意思，它在RDMA领域中有两种含义：

1) 由IB规范所描述的一组抽象定义

规定了各厂商的软硬件在各种Verbs下应该执行的动作或者表现出的行为，IB规范并未规定如何编程实现这些Verbs，在这种含义下，Verbs是与操作系统无关的。

举个例子，IB规范要求所有RDMA设备必须支持Create QP的行为（IB 规范11.2.5.1）：

描述：
为指定的设备创建一个QP。
用户必须指定一组用于初始化QP的属性。
如果创建QP所需的属性有非法值或者缺失，那么应该返回错误，该QP不会被创建；如果成功，那么返回该QP的指针和QPN。
……
输入：
设备指针；
SQ关联到的CQ；
RQ关联到的CQ，如果是XRC的INI QP，则可以不携带此参数；
……
输出：
新创建的QP的指针；
QP Number;
SQ的最大WR容量。
……

可以看出IB规范中的Verbs是对一个概念进行定义，讲的是“需要支持什么，但具体怎么实现我不做规定”。

2) 由OpenFabrics推动实现的一组RDMA应用编程接口（API）

既然是API，那么必然和运行的操作系统相关。Verbs API有Linux版本以及Windows版本（Windows版很久没有更新了）。

以Create QP为例，下文引用自Linux用户态Verbs API的帮助文档（ibv_create_qp(3): create/destroy queue pair）：

名称：
ibv_create_qp - create a queue pair (QP)
概要：

#include <infiniband/verbs.h> struct ibv_qp ibv_create_qp(struct ibv_pd pd, struct ibv_qp_init_attr *qp_init_attr);

描述：
ibv_create_qp()通过一个关联的PD创建一个QP，参数qp_init_attr是一个ibv_qp_init_attr类型的结构体，其定义在<infiniband/verbs.h>中。

struct ibv_qp_init_attr {

struct ibv_cq *send_cq; /* CQ to be associated with the Send Queue (SQ) */
struct ibv_cq *recv_cq; /* CQ to be associated with the Receive Queue (RQ) */
struct ibv_srq *srq; /* SRQ handle if QP is to be associated with an SRQ, otherwise NULL */
struct ibv_qp_cap cap; /* QP capabilities */
enum ibv_qp_type qp_type; /* QP Transport Service Type: IBV_QPT_RC, IBV_QPT_UC, or IBV_QPT_UD */
...

};

函数ibv_create_qp()会更新qp_init_attr->cap struct的内容，返回创建的QP所真正支持的规格……
返回值：
ibv_create_qp()返回被创建的QP的指针，或者在失败时返回NULL。QPN将在返回的指针所指向的结构体中。

可见Verbs API即是对IB规范中的Verbs定义的具体软件实现。

Verbs的第一种语义直接查阅IB规范的第11章即可，里面做了非常详细的描述。

本文介绍的是第二种语义，包含Verbs API是什么，如何和硬件产生交互，我们如何通过Verbs API来编写RDMA程序。如无特殊说明，下文中的Verbs均特指Verbs API。

Verbs API

Verbs API是什么

Verbs API 操作RDMA的函数接口，也就是说业界的RDMA应用，要么直接基于这组API编写，要么基于在Verbs API上又封装了一层接口的各种中间件编写。（rdma_cm）

Verbs API向用户提供了有关RDMA的一切功能，典型的包括：注册MR、创建QP、Post Send、Poll CQ等等。

对于Linux系统来说，Verbs的功能由rdma-core和内核中的RDMA子系统提供，分为用户空间驱动的 Verbs api和内核空间驱动的Verbs api，分别用于用户态和内核态的RDMA 程序。

结合上一部分的内容，我们给出一个OFED的全景：

广义的Verbs API主要由两大部分组成verbs和rdma_cm：

verbs和rdma_cm的区别：【RDMA】rdma_cm和verbs的区别_bandaoyu的笔记-CSDN博客

1、IB_VERBS

接口以ibv_xx（用户态）或者ib_xx（内核态）作为前缀，是最基础的编程接口，使用IB_VERBS就足够编写RDMA应用了。

比如：

ibv_create_qp() 用于创建QP
ibv_post_send() 用于下发Send WR
ibv_poll_cq() 用于从CQ中轮询CQE

2、RDMA_CM

以rdma_为前缀，主要分为两个功能：

1）CMA（Connection Management Abstraction）---- 建连连接管理

在Socket和Verbs API基础上实现的，用于CM建链并交换信息的一组接口。CM建链是在Socket基础上封装为QP实现，从用户的角度来看，是在通过QP交换之后数据交换所需要的QPN，Key等信息。

比如：

rdma_listen()用于监听链路上的CM建链请求。
rdma_connect()用于确认CM连接。

2）CM VERBS ----收发数据

RDMA_CM也可以用于数据交换 (收发数据），相当于在verbs API上又封装了一套数据交换接口。

比如：

rdma_post_read()可以直接下发RDMA READ操作的WR，而不像ibv_post_send()，需要在参数中指定操作类型为READ。
rdma_post_ud_send()可以直接传入远端QPN，指向远端的AH，本地缓冲区指针等信息触发一次UD SEND操作。

上述接口虽然方便，但是需要配合CMA管理的链路使用，不能配合Verbs API使用。

Verbs API除了IB_VERBS和RDMA_CM之外，还有MAD（Management Datagram）接口等。

需要注意的是，软件栈中的Verbs API具体实现和IB规范中的描述并不是完全一致的。IB规范迭代较慢，而软件栈几乎每天都有变化，所以编写应用或者驱动程序时，应以软件栈API文档中的描述为准。

狭义的Verbs API专指以ibv_/ib_为前缀的用户态Verbs接口，因为RDMA的典型应用是在用户态，下文主要介绍用户态的Verbs API。

设计Verbs API的原因

传统以太网的用户，基于Socket API来编写应用程序；而RDMA的用户，基于Verbs API来编写应用程序。

RDMA有三种协议IB/iWARP/RoCE，设计Verbs API通过统一接口，让同一份RDMA程序程序可以无视底层的硬件和链路差异运行在不同的环境中。

Verbs API所包含的内容

用户态Verbs API主要包含两个层面的功能：

为方便讲解，下面对各接口的形式做了简化，格式为"返回值1,返回值2 函数名(参数1, 参数2)"

1）控制面：

设备管理：

device_list ibv_get_device_list()

用户获取可用的RDMA设备列表，会返回一组可用设备的指针。

device_context ibv_open_device(device)

打开一个可用的RDMA设备，返回其上下文指针（这个指针会在以后用来对这个设备进行各种操作）。

device_attr, errno ibv_query_device(device_context*)

查询一个设备的属性/能力，比如其支持的最大QP，CQ数量等。返回设备的属性结构体指针，以及错误码。

资源的创建，查询，修改和销毁：

pd ibv_alloc_pd(device_context)

申请PD。该函数会返回一个PD的指针。(PD(内存)保护域--见:【RDMA】技术详解（三）：理解RDMA Scatter Gather List|聚散表_bandaoyu的笔记-CSDN博客）

mr ibv_reg_mr(pd, addr, length, access_flag)

注册MR。用户传入要注册的内存的起始地址和长度，以及这个MR将要从属的PD和它的访问权限（本地读/写，远端读/写等），返回一个MR的指针给用户。

cq ibv_create_cq(device_context, cqe_depth, ...)

创建CQ。用户传入CQ的最小深度（驱动实际申请的可能比这个值大），然后该函数返回CQ的指针。

qp ibv_create_qp(pd, qp_init_attr)

创建QP。用户传入PD和一组属性（包括RQ和SQ绑定到的CQ、QP绑定的SRQ、QP的能力、QP类型等），向用户返回QP的指针。（SRQ=shared receive queue）

errno ibv_modiy_qp(qp, attr, attr_mask)

修改QP。用户传入QP的指针，以及表示要修改的属性的掩码和要修改值。修改的内容可以是QP状态、对端QPN(QP的序号)、QP能力、端口号和重传次数等等。如果失败，该函数会返回错误码。
Modify QP最重要的作用是让QP在不同的状态间迁移，完成RST-->INIT-->RTR-->RTS的状态机转移后才具备下发Send WR的能力。也可用来将QP切换到ERROR状态。

errno ibv_destroy_qp(qp)

销毁QP。即销毁QP相关的软件资源。其他的资源也都有类似的销毁接口。

中断处理：

event_info, errno ibv_get_async_event(device_context)

从事件队列中获取一个异步事件，返回异步事件的信息（事件来源，事件类型等）以及错误码。

连接管理

rdma_xxx()

用于CM建链，不在本文展开讲。

2）数据面：

下发WR

bad_wr, errno ibv_post_send(qp, wr)

向一个QP下发一个Send WR，参数wr是一个结构体，包含了WR的所有信息。包括wr_id、sge数量、操作码（SEND/WRITE/READ等以及更细分的类型）。

WR的结构会根据服务类型和操作类型有所差异，比如RC服务的WRITE和READ操作的WR会包含远端内存地址和R_Key，UD服务类型会包含AH，远端QPN和Q_Key等。

WR经由驱动进一步处理后，会转化成WQE下发给硬件。

出错之后，该接口会返回出错的WR的指针以及错误码。

bad_wr, errno ibv_post_recv(qp, wr)

同ibv_post_send，只不过是专门用来下发RECV操作WR的接口。

获取WC

num, wc ibv_poll_cq(cq, max_num)

从完成队列CQ中轮询CQE，用户需要提前准备好内存来存放WC，并传入可以接收多少个WC。该接口会返回一组WC结构体（其内容包括wr_id，状态，操作码，QPN等信息）以及WC的数量。

使用Verbs API编写RDMA应用程序

(RDMA通信流程;RDMA简要介绍_baidu_14946515的博客-CSDN博客)

查看接口定义

内核态

内核态Verbs接口没有专门的API手册，编程时需要参考头文件中的函数注释。声明这些接口的头文件位于内核源码目录中的：

.../include/rdma/ib_verbs.h

比如ib_post_send()接口：

函数注释中有明确介绍该函数的作用，输入、输出参数以及返回值。

用户态

有多种方法查阅用户态的Verbs API：

在线查阅最新man page

用户态的Verbs API手册跟代码在一个仓库维护，手册地址：

https://github.com/linux-rdma/rdma-core/tree/master/libibverbs/man

这里是按照Linux的man page格式编写的源文件，直接看源文件可能不太直观。有很多在线的man page网站可以查阅这些接口的说明，比如官方的连接：

https://man7.org/linux/man-pages/man3/ibv_post_send.3.html

也有一些其他非官方网页，支持在线搜索：

https://linux.die.net/man/3/ibv_post_send

You searched for ibv_post_send - RDMAmojo RDMAmojo (推荐）

查阅系统man page

如果你使用的商用OS安装了rdma-core或者libibverbs库，那么可以直接用man命令查询接口：

man ibv_post_send

查询Mellanox的编程手册

《RDMA Aware Networks Programming User Manual Rev 1.7》，最新版是2015年更新的。该手册写的比较详尽，并且附有示例程序，但是可能与最新的接口有一些差异。

包含头文件

按需包含以下头文件：

#include <infiniband/verbs.h> // IB_VERBS 基础头文件#include <rdma/rdma_cma.h> // RDMA_CM CMA 头文件 用于CM建链#include <rdma/rdma_verbs.h> // RDMA_CM VERBS 头文件 用于使用基于CM的Verbs接口

编写应用

下面附上一个简单的RDMA程序的大致接口调用流程，Client端的程序会发送一个SEND请求给Server端的程序，图中的接口上文中都有简单介绍。

需要注意的是图中的建链过程是为了交换对端的GID（相当于TCP中的IP），QPN（QP序号）等信息，可以通过传统的Socket接口实现，也可以通过本文中介绍的CMA接口实现。

图中特意列出了多次modify QP的流程，一方面是把建链之后交互得到的信息存入QPC中（即QP间建立连接的过程），另一方面是为了（转换状态）使QP处于具备收/发能力状态才能进行下一步的数据交互。具体状态机的内容请回顾9. RDMA之Queue Pair

（假设A节点的某个QP要跟B节点的某个QP交换信息，除了要知道B节点的QP序号——QPN之外，还需要GID--（相当于TCP中的IP），在传统TCP-IP协议栈中，使用了家喻户晓的IP地址来标识网络层的每个节点。而IB协议中的这个标识被称为GID（Global Identifier，全局ID）8. RDMA之Address Handle - 知乎）

编译 & 执行

不在本文讨论范围内。

官方示例程序

rdma-core的源码目录下，为libibverbs和librdmacm都提供了简单的示例程序，大家编程时可以参考。

libibverbs

位于rdma-core/libibverbs/examples/目录下，都使用最基础的IB_VERBS接口实现，所以建链方式都是基于Socket的。

asyncwatch.c 查询指定RDMA设备是否有异步事件上报
device_list.c 列出本端RDMA设备列表
devinfo.c 查询并打印本端RDMA设备详细信息，没有双端数据交互
rc_pingpong.c 基于RC服务类型双端数据收发示例
srq_pingpong.c 基于RC服务类型双端数据收发示例，与上一个示例程序的差异是使用了SRQ而不是普通的RQ。
ud_pingpong.c 基于UD服务类型双端数据收发示例
ud_pingpong.c 基于UC服务类型双端数据收发示例
xsrq_pingpong.c 基于XRC服务类型双端数据收发示例

librdmacm

位于rdma-core/librdmacm/examples/目录下：

rdma_client/server.c 基础示例，通过CM建链并使用CM VERBS进行数据收发。

该目录剩下的程序就没有研究了。

参考文献

[1] RDMA Aware Networks Programming User Manual Rev 1.7

[2] part1-OFA_Training_Sept_2016

[3] https://en.wikipedia.org/wiki/OpenFabrics_Alliance

RDMA编程流程

使用RDMA传输协议，能满足低时延要求。目前有两张硬件可以使用RDMA传输，一个是infiniband，一个是RDMA over Ethernet，由于IB的成本较高，所以RoCE成为一种趋势。

RoCE可以在以太网上运行RDMA协议，时延比普通以太网可以提升30%以上，也可以支持双协议栈，同时用TCP和RDMA，编程过程类似IB。

有两张建链方式，一种是通过RDMA_CM建链，一种是先通过TCP建链，通过tcp通道交换双方的设备信息，QP信息，简历RDMA链路，然后关闭tcp链路，第二种更常用。

原文：https://blog.csdn.net/fellow0305/article/details/52900749

RDMA编程流程

1）初始化RDMA设备

ibv_get_device_list（）获取使用可以使用RDMA传输的设备个数，可以根据ibv_get_device_list结构中的dev_name找到需要使用的设备；

struct ibv_device **ibv_get_device_list(int *num_devices)；

ibv_open_device()打开设备，获取设备句柄；

ibv_query_device（）查询设备，获取设备属性

ibv_query_port（）查询设备端口属性

如果类型为Ethernet，bv_query_gid（）获取设备GID，用于交换双方信息使用

2）创建QP信息

ibv_alloc_pd（）用于创建qp接口的参数

ibv_create_cq（）创建CQ，一个CQ可以完成的CQE的个数，CQE与队列个数有关，队列多，CQE个数就设置多，否则设置少，一个CQ可以对应一个QP，也可以两个CQ对应一个QP。一个CQ包含发送和接收队列。

ibv_create_qp（）创建QP。类似tcp的socket

3）注册MR信息

ibv_reg_mr（）注册网卡内存信息，把操作系统物理内存注册到网卡

4）交换QP信息

ibv_modify_qp（）交换双方QP信息，修改QP信息状态级

Client端：先创建QP，修改状态级reset到INIT，修改INIT到RTR，然后发送到server端，server端创建QP，修改状态机有INIT到RTR，然后发送到客户端，客户端修改状态机有RTR到RTS，发送到server端，server端修改状态机有RTR到RTS，这样rmda链路简建立成功。

5）发送和接收

ibv_post_recv（）接收消息接口

ibv_post_send（）发送消息接口

ibv_poll_cq（）用于查询cq队列是否有事件产生，如果有调用recv接口接收。

(fellow0305)

例子

下面的代码示例演示了一种处理完成事件的可能方法。它执行以下步骤：

第一阶段：准备

1.创建一个CQ

2.请求在新的（第一个）完成事件上进行通知

第二阶段：完成处理程序

3.等待完成事件并确认

4.要求在下一次完成活动时发出通知

5.清空CQ

注意，可能会触发额外事件，而无需在CQ中具有相应的完成条目。如果将完成条目添加到步骤4和步骤5之间的CQ，然后在步骤5中清空（轮询）CQ，则会发生这种情况。

cq = ibv_create_cq(ctx, 1, ev_ctx, channel, 0);
if (!cq)
{fprintf(stderr, "Failed to create CQ\n");return 1;
}/* Request notification before any completion can be created */
if (ibv_req_notify_cq(cq, 0))
{fprintf(stderr, "Couldn't request CQ notification\n");return 1;
}.
.
./* Wait for the completion event */
if (ibv_get_cq_event(channel, &ev_cq, &ev_ctx))
{fprintf(stderr, "Failed to get cq_event\n");return 1;
}
/* Ack the event */
ibv_ack_cq_events(ev_cq, 1);/* Request notification upon the next completion event */
if (ibv_req_notify_cq(ev_cq, 0))
{fprintf(stderr, "Couldn't request CQ notification\n");return 1;
}/* Empty the CQ: poll all of the completions from the CQ (if any exist)
*/
do
{ne = ibv_poll_cq(cq, 1, &wc);if (ne < 0){fprintf(stderr, "Failed to poll completions from the CQ\n");return 1;}/* there may be an extra event with no completion in the CQ */if (ne == 0)continue;if (wc.status != IBV_WC_SUCCESS){fprintf(stderr, "Completion with status 0x%x was found\n",wc.status);return 1;}
}
while (ne);
The following code example demonstrates one possible way to work with
completion events in non - blocking mode. It performs the following steps:
1. Set the completion event channel to be non - blocked
2. Poll the channel until there it has a completion event
3. Get the completion event and ack it/* change the blocking mode of the completion channel */
flags = fcntl(channel->fd, F_GETFL);
rc = fcntl(channel->fd, F_SETFL, flags | O_NONBLOCK);
if (rc < 0)
{fprintf(stderr, "Failed to change file descriptor of completion event channel\n");return 1;
}
/** poll the channel until it has an event and sleep ms_timeout* milliseconds between any iteration*/
my_pollfd.fd      = channel->fd;
my_pollfd.events  = POLLIN;
my_pollfd.revents = 0;
do
{rc = poll(&my_pollfd, 1, ms_timeout);
}
while (rc == 0);
if (rc < 0)
{fprintf(stderr, "poll failed\n");return 1;
}
ev_cq = cq;
/* Wait for the completion event */
if (ibv_get_cq_event(channel, &ev_cq, &ev_ctx))
{fprintf(stderr, "Failed to get cq_event\n");return 1;
}
/* Ack the event */
ibv_ack_cq_events(ev_cq, 1);

ibv_poll_cq()

intibv_poll_cq(structibv_cq *cq,intnum_entries,structibv_wc *wc);

用于从 Completion Queue 中查询已完成的 Work Request。

所有的 Receive Request、signaled Send Request 和出错的 Send Request 在完成之后都会产生一个 Work Completion，Work Completion 就被放入完成队列（Completion Queue）中。

完成队列是 FIFO 的，ibv_poll_cq() 检查是否有 Work Completion 在完成队列中，如果是那么就将队首弹出，并返回那个 Work Completion 到 *wc 中。

ibv_wc 的结构如下，描述了一个 Work Completion 的情况。

structibv_wc {
uint64_twr_id;
enumibv_wc_status status;
enumibv_wc_opcode opcode;
uint32_tvendor_err;
uint32_tbyte_len;
uint32_timm_data;
uint32_tqp_num;
uint32_tsrc_qp;
intwc_flags;
uint16_tpkey_index;
uint16_tslid;
uint8_tsl;
uint8_tdlid_path_bits;
};

wr_id 由产生 Work Completion 的 Request 决定
status 是操作的状态，通常为 IBV_WC_SUCCESS 表示 Work Completion 成功完成，其他还有一些错误信息
opcode 表示当前的 Work Competition 是怎么产生的
bute_len 表示传输的字节数

参数说明：

Name	Direction	Description
*cq	in	用于存放 Work Completion 的完成队列
num_entries	in	表示最大从完成队列中读取多少个 Work Completion
*wc	out	将读取到的 Work Completion 返回出来，如果有多个则返回的是数组

函数的返回值：成功则返回读取到的 Work Completion 数量，为 0 表示未读取到 Work Completion，可认为是完成队列为空，为负值则表示读取出错。

ibv_req_notify_cq()

intibv_req_notify_cq(structibv_cq *cq,intsolicited_only);

用于在完成队列中请求一个完成通知。

调用 ibv_req_notify_cq() 之后，下一个被加到 CQ 中的请求（发送请求或者接收请求）会被加上通知标记，当请求完成产生一个 Work Completion 之后就会产生通知，完成通知将被 ibv_get_cq_event() 函数读取出来。

传入的参数中：

solicited_only 为 0 时表示无论下一个加入 CQ 的请求是哪种类型的都会产生通知，否则只有 Solicited 或者出错的 Work Completion 才会产生通知

ibv_get_cq_event()

intibv_get_cq_event(structibv_comp_channel *channel,
structibv_cq **cq,void**cq_context);

用于等待某一 channel 中的下一个通知产生。

ibv_get_cq_event() 默认是一个阻塞函数，调用之后会将当前程序阻塞在这里，直到下一个通知事件产生。

当 ibv_get_cq_event() 收到完成事件的通知之后，需要调用 ibv_get_cq_event() 来确认事件。

典型用法：

Stage I：准备阶段

创建一个 CQ，并且将它与一个 Completion Event Channel 相关联；

用 ibv_req_notify_cq() 对一个 Completion Work 调用通知请求；

Stage II：运行中

等待事件产生；

产生之后处理事件，并且调用 ibv_ack_cq_events() 来确认事件；

对下一个 Completion Work 调用 ibv_req_notify_cq() 的通知请求；

参数说明：

Name	Direction	Description
*channel	in	关联在 CQ 上的 Completion Event Channel
**cq	out	从 Completion 事件中得到的一个 CQ
**cq_context	out	从 Completion 事件中得到的 CQ context

返回值：为 0 表示成功，-1 在非阻塞模式下表示当前没有事件可读，阻塞模式则表示出错。

这种机制用于避免 CPU 反复读取 Work Completion ，若不采用事件的方法则只能通过不断地 ibv_poll_cq() 来轮询是否有事件完成

Errors记录

IBV_WC_WR_FLUSH_ERR(5/0x5)

Work Request Flushed Error

当 QP 的传送状态处于 Error 状态时，任何操作都会引发该错误。

IBV_WC_RNR_RETRY_EXC_ERR(13/0xd)

Receiver-Not-Ready Retry Error

当接收端没有准备好 Recv Request 时发送端产生了一个 Send Request 就会发生 RNR_RETRY 错误。

要求 ibv_post_recv() 必须在 ibv_post_send 之前完成，所以一种基本的思路就是一开始就 Post 一堆 Recv Request 到队列中去，然后检查当队列中的 Recv Request 少于一定数量时补充，保证不管发送端什么时候 Post Send Request 时，接收端都有足够的 Recv Request 来接收。

问题是如果发送端毫无顾忌地可以任意发送数据，尤其是在 RDMA_WRITE 方式，接收端这边会不会来不及取走数据，就被发送端传过来的新数据覆盖掉了？

或者设置 ibv_modify_qp() 参数中的 min_rnr_timer 以及 rnr_retry，前者是重试间隔时间，后者是重试次数，当 rnr_retry 为 7 时表示重试无限次。这种方法可用于重试直到接收端确认取走数据，并且准备好下一次的 Recv Request，然后发送端再进行发送。

当发送端发生 RNR_RETRY 错误时，重新调用 ibv_post_send() 是没用的，因为此时 QP 已经进入错误状态，接下来不管什么样的操作都会继续引发 IBV_WC_WR_FLUSH_ERR 错误。

除非另外使用一种流控制的方式，不然上面的两种解决方案都总会存在一定的局限性。

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【RDMA】技术详解（四）：RDMA之Verbs和编程步骤

RDMA编程基础

什么是Verbs

相关名词解释

Verbs API

Verbs API是什么

设计Verbs API的原因

Verbs API所包含的内容

使用Verbs API编写RDMA应用程序

查看接口定义

包含头文件

编写应用

编译 & 执行

官方示例程序

libibverbs

librdmacm

参考文献

RDMA编程流程

ibv_poll_cq()

ibv_req_notify_cq()

ibv_get_cq_event()

Errors记录

IBV_WC_WR_FLUSH_ERR(5/0x5)

IBV_WC_RNR_RETRY_EXC_ERR(13/0xd)

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