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Aceleración de TCP / IP

Por: Javier Condori Flores

Asignatura:Arquitecturas de Comunicación de Altas PrestacionesProfesor: Julio Ortega Lopera

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Los procesadores rápidos, no son suficientes

• En las ultimas décadas hemos sido testigos de los grandes cambios de procesamientos en los sistemas de comunicación.

• Por otro lado los procesadores incrementan su velocidad de computo cada 18 meses o menos.

• Mientras que el aumento del ancho de banda se realiza cada 9-12 meses mazo menos.

• Pero desafortunadamente las aplicaciones que se comunican utilizando el estandar del protocolo TCP/IP, no parecen mejorar en similares tazas.

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Objetivos

• Comprender la magnitud y razones del desfaseentre la velocidad del procesador y entre procesos y rendimiento de la comunicación.

• Estudia la ejecución de TCP / IP en variosprocesadores y sistemas operativos queabarcan un intervalo de tiempo.

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Introducción

• En la última década hemos sido testigos de un enorme aumento en las capacidades de nuestro cómputo y sistemas de comunicación. La velocidad del procesador a aumentado exponencialmente, duplicándose cada 18 meses más o menos.

• La tasa de crecimiento, que es también conocida como Ley de Moore, se ha mantenido desde el setenta y se espera que siga ocurriendo (al menos) para el futuro próximo.

• Del mismo modo, el ancho de banda de red, siguió una similar tasa de crecimiento, se duplica cada 9-12 meses, más o menos, según lo indicado por Ley de Gilder.

• Con base en la Ley de Moore y la Ley de Gilder, se llega a la conclusión de que el rendimiento aplicaciones distribuidos en red mejoren en tasas similares, es decir, se duplica cada 9-18 meses.

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Introducción (II)

• El estudio nos permitirá plantearnos:

• En futuras aplicaciones de red se podrácapitalizar las leyes de Moore y Gilder? es decir, doble su rendimiento cada 9-18 meses?

• El rendimiento de la comunicación entre procesos mejorara a un ritmo comparable a los sugeridos por las leyes Moore y de Gilder?

• Cuáles son los cuellos de botella más importantes en el rendimiento de basada en TCP / IP?

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El experimento

• Para medir el rendimiento entre procesos de comunicación, se utilizo una variedad de equipos basados en SPARC, Alfa y procesadores Pentium.

• El mas lento de los ordenadores fue un SPARC Station de 40 MHz.

• El mas rápido fue un Pentium de 1200 MHz.

• Se utilizo los software lmbench y ttcp, para caracterizar con precisión la comunicación entre procesos de rendimiento de los sistemas informáticos estudiados.

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El experimento (II)

• Las medidas utilizadas, para caracterizar el desempeño de los sistemas, son el ancho de banda, la latencia, y el tiempo.

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El Kernel (Entrada / Salida)

• La mayoría de las operaciones entre procesos requieren la asistencia del núcleo, del Sistema Operativo.

• En el primer ejemplo se medirá la latencia de entrada / salida del núcleo al SO.

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Ejemplo I

• Se muestra el gasto de un sistema operativo.• Se traza el núcleo de entradas y salidas en

función del procesador.• Vemos que los procesadores Pentium han

conseguido mas de 50 veces mas rápido, y el costo de entrar al SO ha mejorado en un factor de 15.

• Los procesadores SPARC son mas rápidos en un factor de 25, la sobre carga de entrar al núcleo también a mejorado en un factor de 3.

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Grafica del Ejemplo I

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Ejemplo II

• Se estudia el rendimiento de TCP / IP, entre comunicar los procesos que se ejecutan al mismo tiempo.

• Se mostrara el ancho de banda entre los procesadores localizados en la misma maquina en funcion a la velocidad del procesador, el tamaño de los mensajes es de 64 Kbytes.

• Vemos los equipos Pentium el rendimiento el rendimiento es muy bajo.

• Aunque vemos que la velocidad del procesador a mejorado en un factor de 35 en ambos caso, el TCP/IP solo a mejorado en un factor de 5 para Alfa, y un factor de 12 para pentiums.

• Vemos que los procesadores SPARC tienen mejor rendimiento, en TCP/IP

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Grafica del Ejemplo II

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Ejemplo III

• Se mostrara la escalabilidad de TCP/IP entre procesos de comunicación que residen en diferentes computadores, conectados a través de una red.

• Se investiga el desempeño de la aplicación TCP / transferencias basadas en IP.

• El ancho banda para comunicarse sera de 100 Mbps y 10 Mbps en una LAN.

• Se utilizan varios equipos como fuente de trafico.• El destino del trafico es una red de 10 Mbps, equipo

UltraSPARC-1, con reloj de frecuencia de 167 Mhz.• Estará conectado a una Ethernet con un adaptador

de 10 Mbps, y el destino de trafico a una red de 100 Mbps, es una Ultra-4 de 400 Mhz.

• El resultado sera denotado por Mbytes transferidos por CPUsec.

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Grafica del Ejemplo III

A pesar de que la escalano es exactamente la misma que el procesadorla línea de velocidad, quese ajusta a los datostiene una pendiente de 0,8, lo que implica que el TCP / IP sigue la ejecución de rendimientodel procesador en un

80%.

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Grafica del Ejemplo III

Muestra el rendimiento alcanzado (en Mbytes por CPUsec) sobre el rendimiento alcanzado de nuestra base de caso de la red LAN de 10 Mbps. Podemos ver fácilmente el rendimiento de TCP / IP, en este caso las escalas son muy bajas en relación con la velocidad del procesador. Aunque en el procesador las velocidades han mejorado por un factor de 25, el ancho de banda sólo ha mejorado en un

factor de 17.

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Grafica del Ejemplo III

Vemos que HTTP escalasde rendimiento un 30% más rápido que el procesador velocidades -mucho peor querendimiento de TCP / IP.

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Por qué no es TCP / IP cada vez másrápido como el hardware

• Las innovaciones arquitectónicas no necesariamente aplican tratamientos a los protocolos.

• No se presentan gran cantidad de localidad temporal, es decir para acceder a sus datos en varias ocasiones se tendrían que tener cache de gran tamaño.

• Los protocolos muy optimizados reducen el numero de acceso a sus datos y por lo tanto no se aprovecha grandes caches que puedan existir.

• Las actividades del sistema operativo en los últimos procesadores, se vuelven relativamente mas lentos en comparación con actividades similares en los anteriores procesadores.

• El ancho de banda de memoria puede ser un factor limitante.

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Conclusiones

• Los resultados sugieren que la disparidad entre la velocidad del procesador y el rendimiento de TCP / IP es grande y probablemente sigaaumentando. Esto requiere de métricas de desempeño nuevas que no caracterizan sólo la capacidad informática, sino también la comunicación capacidades de los procesadoresmodernos. En general, se vuelve cada vez másimportante para comprender y optimizar la ejecución de TCP / IP, en particular, y protocolo de software en general, en los últimos procesadores.

• Nuestra principal conclusión es que el rendimiento de TCP / IP no es comparable a la velocidad del procesador.