Performance y escalabilidad del kernel Linux aplicado a redes de alta velocidad

Abstract

En la evolución de los sistemas operativos, desde el antiguo diseño de kernel monolítico (pasando por microkernels, exokernels o kernels verticales, y otras variantes) se ha llegado a lo que se denominó como kernel activo. Este nuevo diseño, presentado por Steve J. Muir en el año 2001, plantea un kernel especializado en procesamiento de red, motivado principalmente por la poca eficiencia con que los sistemas operativos de propósito general realizan este tipo de tareas en máquinas SMP. Su trabajo propone dedicar, de manera exclusiva, uno o más procesadores a tareas específicas del kernel, permitiendo que las aplicaciones de usuario se ejecuten, con la menor cantidad de intrusión por parte del sistema operativo, en el resto de los procesadores. De esta forma, el kernel deja de ser un proveedor pasivo de servicios para convertirse en un proceso activo del sistema, y la separación física de procesos de usuario con respecto a threads del kernel evita incurrir en el overhead necesario para implementar el modelo usuario/kernel. Esta tesis pretende continuar en esta línea de investigación, estudiando la forma de adaptar el kernel Linux a los altos requerimientos de procesamiento de red a los que estarán expuestos los servidores, dispositivos de red y estaciones de trabajo en un futuro cercano. Para lograr este objetivo, se estudia en profundidad el codiseño hardware/software del subsistema de red en un servidor con placas de red gigabit Ethernet, arquitectura SMP y el kernel Linux 2.6. También se hacen pruebas de performance y profiling del modelo actual de procesamiento de paquetes para compararlo con el prototipo propuesto más adelante. Complementando este trabajo, se analizan los problemas mencionados anteriormente y algunas soluciones propuestas por diversos grupos académicos y del ámbito industrial. En éste último entorno, el caso que destaca del resto es la nueva tecnología que está siendo desarrollada por Intel, denominada I/O Acceleration Technology, que utiliza varios de los conceptos mencionados en los trabajos citados anteriormente. Finalmente, se propone una modificación al subsistema de red del kernel Linux 2.6 sobre máquinas SMP, basándose en las ideas más recientes relacionadas con la evolución de los kernels. De esta forma, se logra evaluar el efecto de hacer un uso asimétrico de los procesadores en una máquina SMP, asignando un procesador, o un subconjunto de ellos, de manera exclusiva al procesamiento de red.