Нуль-копирование

«Нуль-копирование»^{[источник не указан 34 дня]} (англ. zero copy) описывает операции, в ходе которых процессор не выполняет задачу копирования данных из одной области памяти в другую.

Обзор

Версии нуль-копирования для элементов операционной системы, таких как драйверы устройств, файловые системы и стеки сетевых протоколов, значительно увеличивают производительность определенных прикладных программ и более эффективно используют системные ресурсы. Производительность улучшается за счет предоставления возможности процессору переходить к другим задачам во время копирования данных, выполняемого параллельно в другой части машины. Кроме того, операции нуль-копирования снижают число затратных по времени переключений между режимами ядра и пользователя. Системные ресурсы используются более эффективно, так как использование такого сложного устройства как процессор для выполнения операций копирования, что само по себе является довольно простой задачей, весьма расточительно, если прочие более простые компоненты системы самостоятельно могут выполнить копирование.

Способы создания ПО с поддержкой нуль-копирования включают в себя использование копирование на основе технологии DMA и отображение в памяти (memory mapping) через блок управления памятью (MMU). Эти особенности требуют специфической аппаратной поддержки и обычно включают в себя определенные требования к выделению памяти.

Протоколы нуль-копирования очень важны для высокоскоростных сетей, в которых емкость сетевого соединения приближается к или превосходит возможности обработки процессором. В этом случае процессор проводит почти все время копируя передаваемые данные, и таким образом становится узким местом («бутылочным горлышком»), устанавливающим ограничение скорости соединения ниже его возможностей. Приближенный подсчет, используемый в индустрии, говорит, что примерно один тактовый цикл процессора требуется для обработки одного бита входящих данных. Например, процессор с тактовой частотой в 1 ГГц может обрабатывать сетевое соединение с пропускной способностью в 1 Гбит/сек при обычном копировании данных, но этот же самый процессор «захлебнется», работая с 10-гигабитным соединением. Именно поэтому ПО с поддержкой нуль-копирования становится крайне необходимым. Сетевые соединения свыше 1 Гбит/сек и, следовательно, и сетевое ПО с поддержкой нуль-копирования, на данный момент ограничены использованием лишь в суперкомпьютерных кластерах, крупных индустриальных (особенно государственных, научных и коммерческих) центрах данных (ЦОД) и так далее. Однако, по мере развития информационных технологий и по мере того, как сети с пропускной способностью в 1 Гбит/сек, 10 Гбит/сек и даже 100 Гбит/сек становятся все более распространенными, решения с нуль-копированием также начинают пользоваться все большим спросом, так как пропускная способность сетей растет быстрее производительности процессоров.

Протоколы нуль-копирования обладают некоторыми первоначальными накладными расходами, так что отказ от программного ввода-вывода (PIO) приемлем только для больших пакетов данных.

В основе протоколов RDMA (en:Remote Direct Memory Access) лежат методики нуль-копирования.

Некоторые операционные системы (включая Linux) поддерживают нуль-копирование файлов за счет специфических API-функций, как например, sendfile и sendfile64, splice, vmsplice.

Реализации и примеры использования

Корпорация Oracle Corporation разработала и внедрила в свои продукты протокол RDS, в значительной мере опирающийся на технологию нуль-копирования.

См. также

• Встраиваемая система
• Прямой доступ к памяти
• Память с автонумерацией (ASM)
• Драйвер
• Sockets Direct Protocol
• InfiniBand

Ссылки

• Efficient data transfer through zero copy by Sathish K. Palaniappan and Pramod B. Nagaraja  (англ.)
• Эффективный перенос данных с помощью zero copy (перевод статьи)  (рус.)