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      網絡接口加速器可能是助力,也可能是阻力

      更新時間: 2007-08-01 16:08:56來源: 粵嵌教育瀏覽量:239

             從校驗和驗證(checksum validation)到TCP及更高層協議的卸載,網絡接口架構包含的加速功能日益增多。這些加速功能有部分可以利用軟件來有效執行。在某些環境中,復雜加速功能的使用實際上可能降低性能,損害系統完整性和安全性。
             正如過去30年中以太網標準取得了眾多進步一樣,這種主網絡接口架構也不斷有重大創新,其中許多旨在使操作系統和應用軟件能夠以更高的鏈路速度更有效地處理數據。在網絡鏈路速度提高給服務器I/O性能帶來挑戰的同時,新的加速功能出現,這并非巧合。某些加速功能經受住了時間的考驗,另一些因CPU和內核芯片組性能增益的穩定進步而漸被淘汰。研究如何在一個系統環境中運用某一特定加速功能,將有利于我們了解該功能的長期效用。
             普通的網絡接口不執行鏈路層協議以上的數據包處理。例如,以太網接口可以處理以太網幀校驗和(FCS),執行第二層多點傳送濾波。一個能夠基于包含在單幀的高層協議中的本地狀態提供化的適配器被定義為無狀態卸載適配器。能夠基于更協議被執行的無狀態卸載包括數據包包頭分離和TCP/IP校驗和計算及驗證。
             即使檢驗和這樣的簡單卸載,也可能在系統中引入運算沖突。例如,未經以太網FCS檢測的網絡故障根源的研究發現了硬件(如網絡接口適配器內部的直接存儲器存取(DMA)控制器)中的系統性錯誤。在硬件中,當在硬件中驗證檢驗和時,應用沒有被保護免受這些故障的損害。鑒于這個原因,在引入復雜的硬件或進行故障檢修時,應該謹慎地中止加速功能,以避免它們成為故障源頭。不過,隨著卸載技術和網絡適配器日益復雜,這可能不再是一個選擇。
             例如,遠程DMA(RDMA)協議激活網絡接口,直接向應用緩沖器傳送數據。因此,整個軟件堆棧需要作大量改變。在這種模型中,檢驗和必然在網絡適配器中產生并驗證。關于為了解決可靠性問題而在整個數據中心禁用(Infiniband)RDMA這樣的事件報告就不足為奇了。
             關于卸載技術前景需考慮的另一個權衡問題是,加速由硬件還是軟件實現。TCP段卸載(TSO) 即是一個好例子。TSO是無狀態卸載,其中TCP層經堆棧把一個非常大的段(比連接的的段尺寸還要大)傳送到網絡接口,再由網絡接口把它分割為大量數據包。
             這種方法降低了網絡堆棧內每個數據包的軟件開銷,從而提高了性能。這種分割工作通常由網絡適配器執行,并需要復雜的硅技術或嵌入式處理器來為每個數據包產生包頭。或者,也可以利用軟件在堆棧層執行,如同在Linux普通段卸載(GSO)中所做的那樣。同期測量結果顯示,除了無硅成本之外,其獲得的性能與采用硬件實現的幾無差別。
             圖:基于軟件的TCP段卸載(TSO)實現方案的效率幾乎能夠與基于硬件的實現方案相當。
             狀態卸載是一種網絡接口加速技術,基于包含在幀序列內高層協議中的狀態。若TCP是較別的協議,則狀態卸載被稱為TCP卸載引擎(TOE)。由于在網絡接口上處理更高層協議的固有要求,狀態卸載需要一個功能強大的嵌入式CPU,適配器上需要大量存儲器。額外的成本和功耗將使加速帶來的任何好處大打折扣。
             TOE還包含了一個完整的TCP/IP堆棧實現方案,其與主操作系統的截然不同。這引發了OS領域的擔憂。我們對一個10Gbps的TOE的TCP一致性測量結果顯示,其一致性級別低于Linux 2.6.9內核。特別地,包含選擇性確認(SACK)技術的TCP算法不由TOE執行。這一缺陷預計將在生產網絡環境中顯著降低性能,因為TCP對丟包的響應性能較低。
             雖然每一個TOE供應商都可能會逐步提高自己的TCP堆棧質量,但任何打算部署TOE器件的集成商都不應該只基于微基準方法來進行測試。終端用戶也應該對他們的TOE驅動器、固件甚至硅芯片做定期的更新,以修補缺陷,提高一致性。
             基于硬件的加速應該慎用。基于軟件的算法通常受益于摩爾定律,且任何加速都遵循Amdahl定律,因為應用層加速的范圍比微基準的小得多。終端用戶必須謹慎何時使用狀態卸載設備,這些設備不可以工作在OS卸載時的一致性級或性能級上。

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