Cechy i wymagania mechanizmów komunikacji

Systemy klastrowe z punktu widzenia potrzeb dostępu do danych można podzielić na dwie główne kategorie: systemy zorientowane obliczeniowo (ang. compute-bound) lub systemy zorientowane na wejście-wyjście (ang. I/O-bound). W przypadku pierwszych wymagania są raczej małe, nawet w przypadku systemów charakteryzujących się wysoką dostępnością -- wystarczają standardowe mechanizmy komunikacji w sieci lokalnej oparte na protokole TCP/IP i sieci (fast) ethernet. Tego rodzaju systemy powstawały głównie w ośrodkach naukowych.

Zastosowania komercyjne najczęściej dotyczą systemów drugiego rodzaju, gdzie niezawodna i wydajna komunikacja ma kluczowe znaczenie. Tradycyjne mechanizmy komunikacji takie jak TCP/IP, nawet wykorzystujące współczesne szybkie rozwiązania sprzętowe, jak np. giganet ethernet, nie spełniają wymogów takich zastosowań z uwagi na duże narzuty związane z następującymi parametrami:

• opóźnienie (ang. latency) -- czas potrzebny na przesłanie pojedynczego komunikatu, tj. czas od momentu zainicjowania transferu przez użytkownika-nadawcę do momentu odebrania przez użytkownika-odbiorcę. Najczęściej ten parametr najgorzej wypada w tradycyjnych mechanizmach komunikacji. Na przykład narzut stosu TCP/IP w systemie Windows NT 4.0 (komputer PC z dwoma procesorami Pentium II 400Mhz) jest tak duży, że przesłanie 4 bajtów danych przez sieć o przepustowości 1,25 Gb/s (gigabit ethernet) zajmuje 118 mikrosekund, z czego rzeczywisty transfer przez sieć to mniej niż 1 mikrosekunda [5]. Opóźnienie ma kluczowe znaczenie dla mechanizmów synchronizacji w systemach rozproszonych (krótkie komunikaty sterujące); z pewnością mniejsze przy przesyłaniu danych o bardzo dużych rozmiarach. Według przeprowadzonych badań co najmniej 80% wszystkich przesyłanych komunikatów w sieciach to krótkie porcje danych nie większe niż 200 bajtów, w niektórych przypadkach wskaźnik ten wynosi 99% [7],
  
• przepustowość (ang. bandwidth) -- ilość danych przesyłanych w jednostce czasu. Podobnie jak w przypadku opóźnienia, dysonans między możliwościami sprzętu a wydajnością oferowaną przez implementację stosów sieciowych w systemach operacyjnych może być bardzo duży,
  
• obciążenie procesora -- liczba cykli procesora zużywanych na obsługę komunikacji, które mogłyby być wykorzystane do innych celów.

Na przestrzeni ostatnich lat prowadzono wiele prac w ośrodkach akademickich (m.in. projekt SHRIMP [1] na Uniwersytecie Princeton) nad stworzeniem oprogramowania i sprzętu pozwalającego obniżyć narzuty związane z komunikacją. Głównym pomysłem było pominięcie jądra systemu operacyjnego^1.4 przy wymianie danych, co miało pozwolić na osiągnięcie wydajności bliskiej fizycznym możliwościom sprzętu i zmniejszenie narzutów (w szczególności skrócenie opóźnień), powodowanych przez tradycyjne protokoły sieciowe. Komercyjnym rozwiązaniem opartym na wynikach tych prac jest standard Virtual Interface Architecture (VIA), szczegółowo opisany w rozdziale 2.