IOProtokolle

IO-Protokolle sind die Regeln, Formate und Abläufe, die die Kommunikation von Daten zwischen Bausteinen eines Computersystems festlegen. Sie bestimmen, wie Daten adressiert, verpackt, übertragen, erkannt und Fehler behandelt werden. Typische Einsatzgebiete umfassen Speicherschnittstellen, Peripherie- und Netzwerkkonnektivität sowie den Datenaustausch zwischen Prozessor, Speicher und Geräten.

Gängige IO-Protokolle lassen sich grob in Speicherschnittstellen (zum Beispiel SATA, SAS, NVMe über PCIe), Netzwerkschnittstellen (Ethernet, Fibre Channel, InfiniBand) und Peripherieprotokolle (USB, Thunderbolt) unterteilen. Daneben existieren interne Busprotokolle wie I2C, SPI und UART, die für die Kommunikation zwischen Chips auf Leiterplatten verwendet werden. Jedes Protokoll definiert Typen von Frames, Paketen, Adressierung und Fehlererkennung.

Auf der Transport- bzw. Protokollschicht arbeiten IO-Protokolle mit unterschiedlich tiefen Schichten. PCI Express organisiert beispielsweise Transaktionen über Transaktions- und Link-Layer, wobei USB und SATA eigene mehrschichtige Strukturen verwenden. Netzwerkverbindungen nutzen häufig zusätzliche Protokollstufen (Link, Transport, Anwendung). Wichtig sind Mechanismen wie Handshake, Flusskontrolle, Puffern und Interrupt- oder Polling-Strategien zur Koordination von Datenfluss und Ressourcen.

Leistungskriterien von IO-Protokollen umfassen Latenz, Durchsatz, Overhead und QoS. Speicherzugriffe können über DMA oder programmierte I/O erfolgen; Speicher- und Cache-Kohärenz spielen eine Rolle bei Mehrkopfsystemen. Treiber, Betriebssystemkern und Firmware implementieren die Protokolle im Zusammenspiel mit der Hardware, um Zuverlässigkeit, Fehlertoleranz und Datenintegrität sicherzustellen.

Standards und Organisationen wie PCI-SIG, IEEE, USB-IF und SNIA spezifizieren IO-Protokolle und Schnittstellen. Zeitgenössische Entwicklungen beinhalten NVMe über PCIe, NVMe over Fabrics sowie fortgeschrittene Speicherprotokolle, die niedrige Latenz und hohen Durchsatz für Speichersysteme und Rechenzentren ermöglichen.