Motor de descarga TCP

El motor de descarga TCP ( TOE ) es una tecnología utilizada en algunas tarjetas de interfaz de red (NIC) para descargar el procesamiento de toda la pila TCP/IP al controlador de red. Se utiliza principalmente con interfaces de red de alta velocidad, como Gigabit Ethernet y 10 Gigabit Ethernet , donde la sobrecarga de procesamiento de la pila de red se vuelve significativa. Los TOE se utilizan a menudo ^{[ 1 ]} como una forma de reducir la sobrecarga asociada con los protocolos de almacenamiento del Protocolo de Internet (IP), como iSCSI y el Sistema de Archivos de Red (NFS).

Originalmente, TCP fue diseñado para redes de baja velocidad poco fiables (como los primeros módems de acceso telefónico ), pero con el crecimiento de Internet en términos de velocidades de transmisión de la red troncal (utilizando enlaces de portadora óptica , Gigabit Ethernet y 10 Gigabit Ethernet ) y mecanismos de acceso más rápidos y fiables (como DSL y módems de cable ), se utiliza frecuentemente en centros de datos y entornos de PC de escritorio a velocidades superiores a un gigabit por segundo. A estas velocidades, las implementaciones de software TCP en los sistemas host requieren una potencia de cálculo significativa. A principios de la década de 2000, la comunicación TCP gigabit dúplex completo podía consumir más del 80 % de un procesador Pentium 4 de 2,4 GHz , ^{[ 2 ]} lo que resultaba en pocos o ningún recurso de procesamiento disponible para que las aplicaciones se ejecutaran en el sistema. 

TCP es un protocolo orientado a la conexión, lo que añade complejidad y sobrecarga de procesamiento. Estos aspectos incluyen:

• Establecimiento de la conexión mediante el "apretón de manos de tres vías" (SYNchronize; SYNchronize-ACKnowledge; ACKnowledge).
• El acuse de recibo de los paquetes en el extremo remoto aumenta el flujo de mensajes entre los puntos finales y, por lo tanto, la carga del protocolo.
• Los cálculos de suma de verificación y número de secuencia suponen, una vez más, una carga para una CPU de propósito general. 
• Cálculos de ventana deslizante para el acuse de recibo de paquetes y el control de la congestión .
• Finalización de la conexión .

Al trasladar algunas o todas estas funciones a un hardware dedicado, un motor de descarga TCP, se libera la CPU principal del sistema para otras tareas.

Una de las primeras patentes en esta tecnología, para la descarga de UDP, fue otorgada a Auspex Systems a principios de 1990. ^{[ 3 ]} El fundador de Auspex, Larry Boucher, y varios ingenieros de Auspex fundaron Alacritech en 1997 con la idea de extender el concepto de descarga de pila de red a TCP e implementarlo en silicio personalizado. Introdujeron la primera tarjeta de red de descarga completa de pila paralela a principios de 1999; la SLIC (Session Layer Interface Card) de la compañía fue la predecesora de sus ofertas TOE actuales. Alacritech posee varias patentes en el área de descarga de TCP/IP. ^{[ 4 ]}

Para 2002, cuando el surgimiento del almacenamiento basado en TCP, como iSCSI , despertó interés, se decía que "al menos una docena de nuevos participantes, la mayoría fundados hacia el final de la burbuja de las puntocom, están persiguiendo la oportunidad de aceleradores de semiconductores comerciales para protocolos y aplicaciones de almacenamiento, compitiendo con media docena de proveedores establecidos y diseños ASIC propios". ^{[ 5 ]}

En 2005, Microsoft obtuvo la licencia de la base de patentes de Alacritech y, junto con esta, creó la arquitectura de descarga parcial de TCP conocida como TCP Chimney Offload. Esta arquitectura se basa en la patente de Alacritech "Communication Block Passing Patent". Al mismo tiempo, Broadcom también obtuvo una licencia para fabricar chips TCP Chimney Offload.

En lugar de reemplazar completamente la pila TCP con un TOE, existen técnicas alternativas para descargar algunas operaciones en cooperación con la pila TCP del sistema operativo. La descarga de suma de comprobación TCP y la descarga de segmentos grandes son compatibles con la mayoría de las NIC Ethernet actuales. Técnicas más recientes, como la descarga de recepción de grandes paquetes y la descarga de acuse de recibo TCP, ya están implementadas en algunos dispositivos Ethernet de gama alta, pero resultan efectivas incluso cuando se implementan exclusivamente por software. ^{[ 6 ] [ 7 ]}

A diferencia de otros sistemas operativos, como FreeBSD, el kernel de Linux no incluye soporte para TOE (que no debe confundirse con otros tipos de descarga de red). ^{[ 19 ]} Si bien existen parches de fabricantes de hardware como Chelsio o Qlogic que agregan soporte para TOE, los desarrolladores del kernel de Linux se oponen a esta tecnología por varias razones: ^{[ 20 ]}

• Seguridad : dado que TOE se implementa en hardware, es necesario aplicar parches al firmware de TOE , en lugar de solo al software, para solucionar cualquier vulnerabilidad de seguridad detectada en una implementación específica de TOE. Esto se ve agravado por la novedad y la especificidad del proveedor de este hardware, en comparación con una pila TCP/IP bien probada como la que se encuentra en un sistema operativo que no utiliza TOE.
• Limitaciones del hardware: debido a que las conexiones se almacenan en búfer y se procesan en el chip TOE, la falta de recursos puede ocurrir con mayor facilidad en comparación con la generosa CPU y memoria disponibles para el sistema operativo.
• Complejidad : TOE rompe con la premisa de que los núcleos tienen acceso a todos los recursos en todo momento; detalles como la memoria utilizada por las conexiones abiertas no están disponibles con TOE. Además, TOE requiere cambios muy importantes en la pila de red para funcionar correctamente, e incluso cuando se realizan, es posible que funciones como la calidad de servicio y el filtrado de paquetes no funcionen.
• Propietario : TOE se implementa de forma diferente según el fabricante del hardware. Esto implica que se debe reescribir más código para adaptarse a las distintas implementaciones de TOE, lo que conlleva la complejidad mencionada y, posiblemente, una mayor seguridad. Además, el firmware de TOE no se puede modificar fácilmente, ya que es de código cerrado.
• Obsolescencia : Cada tarjeta de red TOE tiene una vida útil limitada, ya que el hardware del sistema se adapta rápidamente a los niveles de rendimiento de TOE y, finalmente, los supera.

Gran parte del trabajo actual sobre la tecnología TOE lo realizan fabricantes de tarjetas de interfaz Ethernet de 10 Gigabit, como Broadcom , Chelsio Communications , Emulex , Mellanox Technologies y QLogic .

• Paquete de redes escalables
• Tecnología de aceleración de E/S (I/OAT)
• Ethernet de bajo consumo energético (EEE)
• Operación periférica autónoma

• Artículo: TCP Offload al rescate por Andy Currid en ACM Queue
• Solicitud de patente 20040042487
• Mogul, Jeffrey C. (2003). "La descarga TCP es una idea tonta cuyo momento ha llegado" (PDF) . Actas de HotOS IX: Noveno taller sobre temas candentes en sistemas operativos . Asociación USENIX . Recuperado el 23 de julio de 2006 .
• "Motor de descarga TCP/IP (TOE)" . 10 Gigabit Ethernet Alliance . Abril de 2002.
• Descarga de tareas de red de Windows
• GSO en Linux
• Breve descripción de LSO en Linux
• Estudios de caso sobre problemas de rendimiento con LSO y modelado de tráfico (Linux)
• Nuevas características de FreeBSD 7.0, breve análisis sobre la compatibilidad con TSO. Archivado el 21/12/2016 en Wayback Machine.