THESE

THESE présentée par Vincent ROCA pour obtenir le titre de DOCTEUR de l’INSTITUT NATIONAL POLYTECHNIQUE DE GRENOBLE (Arrêté ministériel du 30 mars 1992) Spécialité: Informatique ========================================== ARCHITECTURE HAUTES PERFORMANCES POUR SYSTEMES DE COMMUNICATION Date de soutenance: Vendredi 19 janvier 1996 Composition du jury: J.P. VERJUS Président E. BIERSACK Rapporteur S. FDIDA C. DIOT Directeur de thèse M. HABERT Examinateur C. HUITEMA X. ROUSSET DE PINA Thèse préparée au sein du laboratoire LSR dans le cadre d’un contrat CIFRE avec la société Bull S.A. - EchirollesA CatherineRemerciements On n’est pas grand chose tout seul, pas d’accord ? Et oui, alors c’est mon tour de remercier tous ceux et celles à qui je dois tout, et ça fait du monde. Bon, ben je commence par les chefs, de toutes façons je n’ai pas le choix ;-). J’ai eu l’immense privilège d’avoir deux supers chefs durant ces trois années. J’ai nommé Christophe Diot, toujours 1prêt à lire et à barbouiller de rouge ma prose, et qui de plus a réussi l’exploit de me faire comprendre ce qu’est la recherche. Il aura tout de même fallu cinq ans, depuis le DEA ! Et Michel Habert, mon chef Bulleur, débordant d’idées et de dévouement. Tous les deux, je ne vous remer- cierai jamais assez. Les membres du jury maintenant : Jean-Pierre Verjus, merci d’avoir accepté de présider mon jury. Ernst Biersack et Serge Fdida : chapeau, c’est vous qui avez fait le plus dur ! Christian Huitéma, j’apprécie grandement que vous soyez dans le jury. Xavier Rousset, merci pour ton soutien. Merci à tous ceux qui m’ont permis, par leurs commentaires, d’améliorer ces travaux et ce mémoire. Et merci à tous mes ex-collègues Bulleurs qui m’ont toujours aidé sous une forme ou une autre : Aimé, Jean-Dominique, Michèle, Kaïs, Frédéric, Philippe, Olivier, Jean, Denis, Thierry, Imed, MarieAn, Jean-Luc, Nouar, Sylvie, et j’en passe. Guy Mazaré, Gérard Michel et Jacques Mossière, merci de m’avoir facilité mes démarches admi- nistratives. Et pour tous les futurs thésards qui hésitent quant au choix du labo : venez au LSR, les pots y sont nombreux et copieux. Merci Jacques ! Un grand merci à mes mécènes, en l’occurence Bull S.A., l’ANRT, et l’ENSIMAG. Et puis longue vie à la section Archi, aux montagnes, aux montagnard(e)s, à la Yaute et à ses habitants, à Mountain Wilderness, au CAF, à la FRAPNA... Bon, je m’arrête. Et last but not least, je remercie mes parents de m’avoir mis au monde - c’était une très bonne idée -, et je pourrais en dire autant de Beau-papa et Belle-maman. Non non, ce n’est pas du fayottage, je vous assure ! N’oublions pas François et Aude, la Moumoune, et enfin Catherine à qui je dédie ce mémoire. 1. Je me souviens qu’au départ c’était de l’encre violette. Est-ce parce que le rouge impressionne davantage que tu as changé de couleur d’encre ? ivTable des matières ACRONYMES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . VIII RÉSUMÉ ET ABSTRACT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . X 1 INTRODUCTION . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 2 ETAT DE L’ART . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 2.1 Tendances dans le domaine des réseaux . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 2.1.1 Les couches basses : des LANs traditionnels aux réseaux gigabits/s 17 2.1.2 Les applications. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 2.1.2.1 Les deux générations d’applications . . . . . . . . . . . . . . . . 19 2.1.2.2 Les besoins des applications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 2.1.3 Caractéristiques des stations de travail actuelles . . . . . . . . . . . . . . . 23 2.1.3.1 L’aspect architecture de la machine hôte. . . . . . . . . . . . . 23 2.1.3.2 L’aspect système . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26 2.1.3.3 L’aspect protocole de communication . . . . . . . . . . . . . . . 26 2.2 Approches pour la conception de systèmes de communication hautes performan- ces . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29 2.2.1 Adaptation mutuelle des composants du système de communication 30 2.2.2 Optimisation des mécanismes de contrôle des protocoles . . . . . . . . 32 2.2.3 Optimisation des manipulations de données et des accès mémoire . 34 2.2.3.1 Moins de manipulations de données . . . . . . . . . . . . . . . . 34 vTable des matières 2.2.3.2 Meilleure utilisation des caches . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36 2.2.4 Accroissement des traitements par le parallélisme . . . . . . . . . . . . . . 37 3 NOTRE PLATE-FORME EXPÉRIMENTALE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41 3.1 Présentation de nos travaux . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41 3.1.1 Les points abordés par ces travaux . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41 3.1.2 Présentation de notre plate-forme expérimentale . . . . . . . . . . . . . . . 42 3.2 La machine hôte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43 3.2.1 La famille POWER de microprocesseurs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43 3.2.2 Le DPX/20 modèle 420. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44 3.2.3 Le système d’exploitation AIX . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44 3.3 BSD versus Streams . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45 3.3.1 L’ environnement BSD 45 3.3.2 L’environnement Streams . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47 3.3.3 Résumé . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50 3.4 Implémentation classique d’une pile TCP/IP sous BSD et Streams . . . . . . . . . 51 3.4.1 Une pile TCP/IP classique sous BSD . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51 3.4.2 Une pile TCP/IP classique sous Streams. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52 3.4.3 Limites à priori de l’implémentation Streams à la lumière de BSD . 54 3.5 Les alternatives. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55 3.5.1 Une implémentation démultiplexée sous Streams. . . . . . . . . . . . . . . 55 3.5.1.1 Architecture de l’implémentation démultiplexée. . . . . . . 55 3.5.1.2 Bénéfices de cette approche . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57 3.5.1.3 Techniques supplémentaires . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61 3.5.2 Une implémentation au niveau utilisateur de TCP . . . . . . . . . . . . . . 63 3.5.3 Une méthode d’accès ILP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64 3.5.3.1 Le cas du flux sortant . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65 3.5.3.2 Le cas du flux entrant 67 3.6 Les outils d’évaluation de performances . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68 3.6.1 Un environnement intégré d’évaluation de performances . . . . . . . . 68 3.6.2 Les autres outils. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69 3.6.2.1 L’outil de trace . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69 3.6.2.2 L’outil de comptage d’instructions . . . . . . . . . . . . . . . . . 70 3.6.2.3 L’outil d’analyse des contentions d’accès aux verrous . . 70 4 ETUDE DE PERFORMANCES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73 4.1 Expériences de haut niveau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73 4.1.1 Comparaison des différentes architectures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74 4.1.1.1 Les piles TCP/IP BSD et Streams classiques. . . . . . . . . . 74 4.1.1.2 La pile TCP/IP Streams démultiplexée . . . . . . . . . . . . . . 75 4.1.1.3 Implémentation au niveau utilisateur de TCP . . . . . . . . . 77 4.1.2 Evaluation des architectures sur des multiprocesseurs . . . . . . . . . . . 78 4.1.2.1 Performances et taux d’accélération . . . . . . . . . . . . . . . . 78 4.1.2.2 Contentions d’accès aux verrous . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80 4.1.2.3 Bilan . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83 viTable des matières 4.1.3 Evaluation d’ILP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83 4.1.3.1 Bénéfices liés à l’intégration copie/checksum. . . . . . . . . 83 4.1.3.2 Impact de la méthode d’accès ILP . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84 4.1.3.3 Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86 4.2 Expériences de bas niveau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87 4.2.1 Temps de traitement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87 4.2.1.1 Distribution des temps de traitement sous AIX/3.2.5 . . . 87 4.2.1.2 Distribution des temps de traitement sous AIX/4.1.2 . . . 88 4.2.1.3 Discussion 90 4.2.2 Instructions déroulées 93 4.2.2.1 Distribution des instructions déroulées sous AIX/4.1.2. . 93 4.2.2.2 Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95 4.2.2.3 Comparaison avec d’autres expériences de comptage d’ins- tructions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96 4.2.3 Ratios instructions/cycle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97 4.2.3.1 Ratios instructions/cycle moyens. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98 4.2.3.2 Ratios instructions/cycle durant les manipulations de don- nées . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99 4.2.3.3 D