Current Implementations of the Virtual Interface Architecture (VIA)

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1 Current Implementations of the Virtual Interface Architecture (VIA) Seminarvortrag von Thorsten Backhaus im Rahmen des Seminars des Lehrstuhls Rechnerarchitektur der Universität Mannheim im Wintersemester 2003/2004

2 Inhalt Vernetzung im Allgemeinen Userlevel Netzwerke abgegrenzt zur naiven Vernetzung Interessantes aus der VIA Spezifikation Zusammenfassung VIA Verschiedene Implementierungen im Vergleich Zusammenfassung Implementierungen 2

3 Vernetzung im Allgemeinen Grundlage jeglicher Kommunikation Verschiedene Ausprägungen Topologie Zugriffsverfahren LAN / SAN / WAN typische Netzwerke, User Level Netzwerke 3

4 Vernetzung im Allgemeinen Sprung ins Betriebssystem nötig um eine Anforderung zu bearbeiten. Unterbrechung des sich momentan auf dem Prozessor befindlichen Prozesses Kostet Zeit Möglichkeit suchen diesen Sprung ins Betriebssystem zu umgehen. 4

5 Stack Time vs. Hardware Execution Time [8] 5 Relativ zur Prozessorgeschwindigkeit

6 Userlevel Netzwerke User Prozess kann direkt auf einen Kommunikations-Endpunkt zugreifen Multiplexing und Demultiplexing wird direkt vom NIC übernommen Intelligentere, mächtigere NICs notwendig Nur noch bei grundlegenden Operationen Sprung ins Betriebssystem notwendig 6

7 VIA ein Userlevel Netzwerk Idee: Vereinheitlichung eines Userlevel Standards Compaq, Intel & Microsoft arbeiteten Standard aus Definition schon relativ alt: Ende

8 VI Consumer & Provider Der VI Consumer ist derjenige Teil des Systems, der kommunizieren möchte. Besteht also aus Anwendung und einer VI Provider Library Der VI Provider ist derjenige Teil des Systems, der Kommunikation ermöglicht. Also die Netzwerkkarte und ein Kernel Agent 8

9 VI Architecture [5] 9

10 Das Virtual Interface [5] 10

11 Queues Jedes VI: Send und Receive Queue Darin stehen Deskriptoren Eine Completion Queue für mehrere VI s auf einem Knoten. Sammeln mehrerer Completion-Ereignisse möglich Damit kann Polling und Interrupting auf ein Minimum reduziert werden. 11

12 Der Deskriptor Eine Datenstruktur, die den Ort und die Größe eines Daten Puffers enthält und die Anweisung, was mit diesen Daten geschehen soll. Setzen von Completion -Bits um Erfolg / Misserfolg anzuzeigen. Komplett asynchrone Kommunikation Polling / Interrupts 12

13 Doorbells Jedes VI hat eine send- und eine receive- Doorbell An dieser wird geläutet, wenn Anwendung neuen Deskriptor in eine Queue geschrieben hat.[5] Speicher auf NIC wird in User Space gemapped [1] u.u. oft pollen um alle Doorbells zu überprüfen Über Kernel gehen / zentralisierter Ansatz [1] 13

14 Kernel Agent Stellt Schnittstelle zum Betriebssystem dar Speicher muss beim Betriebssystem angefordert werden. (sehr teuer) Das erledigt der KernelAgent. Da DMA Transfers erwünscht sind darf die Seite im Speicher nicht ausgelagert werden. Übernimmt alle Aufgaben, die die Hardware nicht übernehmen kann 14

15 Speicherverwaltung Deskriptoren: virtuelle Adressierung, Periph. Bus: physikalische Adressierung Betriebssystem erledigt die Adressumsetzung mit einem Kernel Trap NIC erledigt Adressumsetzung Tabelle im Hauptspeicher Bestenfalls hat NIC eigenen Speicher 15

16 Data Transfer Modes [5] Send Receive RDMA Write RDMA Read (optional) 16

17 Ebenen der Verlaesslichkeit [5] 17

18 Beispiel fuer eine Anwendung Öffne die Netzwerkkarte Registriere benötigten Speicher Erzeuge benötigte VI s... Programm... Lösche VI s Schliessen der Netzwerkkarte 18

19 Die VIPL (VI Provider Library) Wichtige Funktionsgruppen: Hardware Connection Endpoint Creation and Destruction Connection Management Memory Protection and Registration Data Transfer and Completion Operations Completion Queue Management Querying Operations Error Handling 19

20 Zusammenfassung VIA Richtig Sinn macht eine Implementierung von VIA erst dann, wenn es genügend Hardware Support fuer die VIA Funktionen gibt. Umsetzung Virtuelle - Physikalische Adresse Doorbells Send/Receive Queues Completion Queues 20

21 Zusammenfassung VIA Dies ist nur möglich, wenn man auf genügend Speicher und einen Prozessor oder sonstigen programmierbaren Baustein auf der NetzwerkKarte zurückgreifen kann. Aktuelle Implementierungen, die VIA in Hardware implementieren benutzen dazu eine spezielle Firmware für den jeweiligen Netzwerk Prozessor 21

22 Übersicht über aktuelle VIA Implementierungen Software Implementierungen M-VIA VI-GM (Myri) ServerNet VIA Hardware Implementierungen Firm VIA Giganet VIA (clan) Berkley s VIA Project Servernet II (Compaq) 22

23 Übersicht über verschiedene VIA Implementierungen [1] Abbildung aus [1]; somit beziehen sich die Anmerkungen in dieser Tabelle nicht auf den Anhang dieser Präsentation 23

24 M-VIA: A High Performance Modular VIA for Linux Typ: Software Emulation VIPL, Kernel Agent Fast/Gigabit Ethernet Drivers Kann parallel zu TCP/IP laufen Strikt Intel-Konform Sehr effektiv auf SMP Maschinen MPI Implemetierung (MVICH) existiert Final official Release: M-VIA

25 M-VIA Da kein spezieller HW Support: Zero-copy beim Senden One-copy beim Empfangen 25

26 M-VIA Protoco Network Latency (us) Bandwidth l (MB/s) Packet Engines GNIC II TCP Packet Engines GNIC II M-VIA Tulip Fast Ethernet TCP Tulip Fast Ethernet M-VIA

27 VI-GM [9] Typ: Userlevel Library (SW) Läuft als middleware auf GM 1.X GM 2.0 wird nicht mehr unterstützt Komplett Threadsafe Strikt Intel-Konform Unterstützung aller Reliability Levels Kein RDMA Read Unterstützt 64k Knoten 27

28 VI-GM Leider keine echten Messergebnisse GM1.6.4 hat folgende Werte: NIC: PCI64C Bandbreite: 421 MByte/s (bidir) Latenz: 6.7 µs min Host CPU: 0.54 µs 28

29 Myricom Ausblick Myricoms LanAI Prozessoren: Ab Version 7 Doorbell-tauglich Minimale Latenzzeiten von: 3,5 us (LanAI 2XP) mit MX, kein GM oder VI-GM 950 Mbyte/s Durchsatz (bidir) Es wird auf der SC2003 ein Cluster vorgestellt» Allerdings kein VIA» Auch keine Performance-Daten für VIA vorhanden 29

30 Berkley VIA Typ: Firmware Austausch für LanAI 4.x Latenz us Bandbreite Mbyte/s Damals PCI mit 33 MHz Oder S-Bus mit 25 MHz Keine vollständige Implementierung 30

31 FirmVIA Die Register des TBIC2 sind in den Adressraum des PPCs gemapped. Die Netzwerkkarte an sich kommuniziert mit dem Host über den SRAM, der in den User/Kernel Adressraum gemapped wird, oder es wird ein Interrupt ausgelöst. Die DMA Controller sorgen fuer die entsprechende IO Performance Bidirektionale 150 Mbyte/S 31

32 FirmVIA Firmware des NICs leicht abgewandelt Latenz von us 32

33 Giganet clan VIA Typ: Hardware Implementation von VIA Latenz von 24 us, Durchsatz von 70 Mbyte/s [4] Es existiert eine Implementierung für Microsoft SQL Server 2000 (clan1000) [8] 33

34 Latenz von clan [4] 34

35 Bandbreite von clan [4] 35

36 ServerNet VIA Typ: Software Emulation Latenz von 100 us Tandem hat zwar eine Hardware Version von VIA angekuendigt [4] aber Mittlerweile ist nicht mehr im Netz. 36

37 Weiteres Compaqs Servernet II: Hardware Implementierung Latenz 7.4 us, 180 Mbyte/s Durchsatz [7] Leider auch hier Informationen nicht nachprüfbar, da Homepage nicht mehr verfügbar. 37

38 Weiteres Auf Dolphins Homepage findet sich auch nichts aktuelles über VIA (1998) myvia: am letzter Eintrag. 38

39 Zusammenfassung Implementierungen Es scheint fast, als ob sich niemand mehr für VIA interessiert. Die meisten Projekte liegen in der Zeit von Viele Anbieter haben bei ihren neusten Produkten gar keine Unterstützung für VIA (weder implementiert, noch angedacht) 39

40 Zusammenfassung Implementierungen Eine echte Hardware Lösung existiert bisweilen nicht für VIA. Da keine wirkliche Begrenzung der Anzahl der VIs gemacht wird: Schwierig so etwas komplett in Hardware zu realisieren. Es wird wohl immer eine Emulationsebene geben, die die VIs auf die benutzte Hardware abbildet. (Multiplex) 40

41 References [1] Banikazemi, Abali, Herger, Panda: Design Alternatives for Virtual Interface Architecture (VIA) and an Implementation on IBM Netfinity NT Cluster [2] Bounadonna, Geweke, Culler: An Implementation and Analysis of the Virtual Interface Architecture [3] Rangarajan, Iftode: Software Distributed Shared Memory over Virtual Interface Architecture: Implementation and Performance [4] Speight, Abdel-Shafi, Bennet: Realizing the Performance Potential of the Virtual Interface Architecture [5] Intel, Compaq, Microsoft: Virtual Interface Architecture Specification. Draft Version 1.0. December 4, 1997 [6] [7] Begel, Bounadonna, Culler, Gay: An Analysis of VI Architecture Primitives in Support of Parallel and Distributed Communication [8] Dell Whitepaper January 2001: Virtual Interface Architecture and Microsoft SQL Server 2000 [9] bzw. 41

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