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자격증, 교육

컴퓨터활용능력시험 1급 실기 - 2과목 데이터베이스 실무 (2018개정) [실습파일], 임베디드 시스템에 기반한 TCP/IP Offload Engine과 RDMA 메커니즘의 구현

by Casey,Riley 2020. 2. 27.
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컴퓨터활용능력시험 1급 실기 - 2과목 데이터베이스 실무 (2018개정) [실습파일]

 

컴퓨터활용능력시험 1급 실기 - 2과목 데이터베이스 실무 (2018개정) [실습파일].zip
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임베디드 시스템에 기반한 TCP/IP Offload Engine과 RDMA 메커니즘의 구현  Implementation of a TCP/IP Offload Engine and RDMA Mechanism Based on an Embedded Systems In-Su YoonO, Sang-Hwa Chung Department of Computer Engineering, Pusan National University 요 약 기가비트의 속도를 넘는 고속 네트워크상에서 TCP/IP를 사용할 경우, 호스트 CPU에서 TCP/IP를 처리하는데 많은 부하가 발생 한다. 이러한 문제를 해결하기 위해 최근 네트워크 어댑터에서 TCP/IP를 처리하는 TCP/IP Offload Engine(TOE)에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 본 연구에서는 임베디드 시스템에 리눅스를 사용하여, TOE와 Remote Direct Memory Access(RDMA) 메 커니즘을 구현하였고 그 동작 방식을 보인다. 실험을 통해 구현된 메커니즘들을 검증하였으며, 각 구간별로 소요시간을 측정하였 다. 본 논문에서는 이러한 실험 결과를 바탕으로, 추후 기가비트 환경에 적합한 TOE 및 RDMA 메커니즘의 구현 방안을 제안한 다. 1. 서 론 호스트에서 TCP/IP를 처리하는 방식은, 통신 대역폭이 빠르 게 증가할수록 시스템 자원을 많이 소비하며, 이로 인해 전체 시스템의 성능을 저하시킨다. 이러한 문제점을 해결하기 위해, 네트워크 어댑터에서 TCP/IP를 처리하는 TOE에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 그러나 TOE도 TCP/IP 스택을 이동하 면서 발생하는 데이터 복사 문제를 여전히 지니고 있으며, 고 속 TCP/IP 통신에서 이러한 오버헤드는 상당히 크다. 이의 해 결을 위해 무 복사로 데이터를 전송할 수 있는 RDMA 메커니 즘이 RDMA 컨소시엄[1]에 의해 제안되었다. 이는 원격 노드 의 사용자 메모리로 패킷의 데이터를 바로 DMA할 수 있게 하 며, 이러한 RDMA와 TOE가 결합한 네트워크 인터페이스 카드 (NIC)를 RDMA enabled NIC(RNIC)이라고 부른다. 본 연구에서는 임베디드 시스템에 리눅스를 사용하여 TOE 와 RDMA를 구현하였으며, 기존 소켓 응용 프로그램들이 수정 없이 TOE와 RDMA를 이용할 수 있도록 하였다. 실험 결과, 임베디드 시스템에 리눅스를 사용하여 상기 메커니즘들을 구 현한 방식은 높은 지연시간을 가졌다. 본 논문에서는 구현된 메커니즘들의 각 구간별로 소요시간을 측정하여 그 원인을 분 석하였으며, 이를 바탕으로 추후 기가비트 환경에 적합한 TOE 및 RNIC의 구현 방안을 제안한다. 2. 관련 연구 TOE의 구현 방향은 크게 네트워크 어댑터에 범용 프로세서 를 탑재하여 TCP/IP를 처리하는 소프트웨어적 방법과 ASIC과 같은 별도의 하드웨어로 TCP/IP를 처리하는 하드웨어적 방법 으로 나뉜다. 소프트웨어 방식으로 구현한 사례로는 인텔사의 PRO1000T IP Storage Adapter를 들 수 있다. 이것은 임베디 드 리눅스와 같은 OS를 사용하여 TCP/IP를 처리하는 것이 아 니라, OS없이 동작할 수 있는 독자적인 프로그램을 개발하여 TCP/IP를 처리한다. 하드웨어 방식으로 구현한 대표적 사례로 는 Alacritech사의 Session Layer Interface Control(SLIC) 기술 과 Adaptec사의 ASIC에 기반한 TOE NAC 7711을 들 수 있다. 또한 InfiniBand나 VIA에 RDMA를 구현한 것[2][3]은 있으나, TOE와 RDMA가 결합한 형태인 RNIC은 학계에 보고된 바 없 다. 이러한 TOE 제품들은 전용 프로그램 및 ASIC을 사용하여 이 논문은 교육인적자원부 지방연구중심대학육성사업(차세대 물류IT기술연구사업단)의 지원에 의하여 연구되었음 TCP/IP를 처리하고 있어 그 통신 성능은 우수하다. 그러나 TOE상에 새로운 응용 계층을 추가하기 힘들며, IPv6와 같은 새로운 TCP/IP 구조를 적용시키기 힘들다는, 구조의 유연성 측면에서의 단점을 지닌다. 따라서 본 논문에서는 현재 여러 임베디드 시스템에 적용되고 있는 리눅스를 TOE 및 RDMA를 구현하는데 사용하였고, 실험을 통해 그 성능을 측정, 분석하 였다. 3. TOE와 RDMA 메커니즘의 구현 소켓 라이브러리를 이용하여 작성된 기존 TCP/IP 응용 프 로그램들이 수정 없이 TOE와 RDMA를 이용할 수 있도록 구 현하였으며, 이를 위해 호스트의 커널을 수정하였다. 또한 TOE 및 RDMA 메커니즘을 임베디드 커널 모듈과 응용 프로 그램으로 카드에 구현하였다. 3.1 호스트 측 구현 사항 TOE를 사용하고자 하는 기존 소켓 라이브러리 함수들은, 호스트의 TCP/IP 스택을 거치지 않고, 바로 BSD 소켓 계층에 서 디바이스 계층을 호출한다. 호출된 디바이스(TOE)는 소켓 함수를 구별하여 관련 TCP/IP 작업을 수행한 후, 그 결과를 반환하게 된다. 이를 위해 호스트의 2.4.27 버전의 리눅스 커 널을 수정하였으며, 그림 1은 수정 전, 후의 TCP/IP 처리 순 서를 나타낸다. 사용자 응용 프로그램 (소켓 라이브러리 사용) 사용자 영역 커널 영역 BSD 소켓 계층 INET 소켓 계층 TCP 계층 IP 계층 수정 전 수정 후 디바이스 계층 그림 1 커널 수정 전, 후의 TCP/IP 처리 순서 수정한 부분은 커널 소스 트리의 include/linux 디렉터리 안의 netdevice.h 파일과 socket.h 파일, net/ 디렉터리 안의 socket.c 파일을 수정하였다. 에 비해 문맥전환(context switching) 오버헤드를 없앨 수 있 었다. 3.2 카드 측 구현 사항 600MHz의 XScale과 기가비트 인터페이스를 가지고 있는 Cyclone사의 PCI-730 카드[4]를 이용하였다. PCI-730용 패치가 적용된 2.4.18 버전의 리눅스 커널을 임베디드 운영체제로 하였으며, XScale용 공개 컴파일러를 이용하여 임베디드 커널 모듈 및 임베디드 응용 프로그램을 작성하였다. 3.2.1 TOE 동작 메커니즘 임베디드 응용 프로그램이 TCP/IP 처리를 담당하며, 이러한 응용 프로그램과 호스트와의 연결을 임베디드 커널 모듈이 담당하도록 구현하였다. TOE를 이용한 send() 소켓 함수 처리 메커니즘을 그림 2에 나타낸다. 사용자 영역 메모리 ① send() 사용자 응용 프로그램 공유 메모리 ⑤ ⑥ toe_send() { 주소 변환 코드 인터럽트 송신 대기 결과값 반환 } 인터럽트 핸들러 { 대기중인 프로세스 깨움 디바이스 드라이버 } 임베디드 응용 프로그램 ② ⑧ ③ 인터럽트 핸들러 { top half: 인터럽트 수신 DMA 엔진 동작 bottom half: 대기중인 프로세스 깨움 } ioctl() { 인터럽트 송신 ⑦ } 임베디드 커널 모듈 호스트 영역 임베디드 시스템 영역 그림 2 TOE를 이용한 send() 소켓 함수 처리도 send() 함수 호출(①) 시, 사용자 메모리 영역의 물리 주소와 길이정보만을 구해 커널 모듈로 알려주고 인터럽트를 건다 (②). 커널 모듈은 이 정보를 이용해, 임베디드 응용 프로그램 과 공유하고 있는 메모리로 데이터를 DMA해 온다(③). 이 후 커널 모듈은 대기 중인 응용 프로그램을 깨우고(④), 응용 프 로그램은 공유 메모리에 있는 내용을 send() 함수를 통해 원 격 노드로 전송(⑤)한다. 그 결과는 ioctl()을 통해 커널 모듈 로 전달(⑥)되고, 커널 모듈은 이를 인터럽트를 통해 호스트에 알린다(⑦). 마지막으로 호스트의 디바이스 드라이버는 사용자 응용 프로그램을 깨워 결과값을 반환(⑧)하고 작업을 완료하 게 된다. recv() 함수는 그림 2와 유사한 순서에 의해 처리되 며, socket(), bind(), listen() 등과 같은 함수들은 상기 처리 순서에서 데이터를 DMA해오는 부분을 제외하고 같은 순서에 의해 처리된다. 3.2.2 RDMA 동작 메커니즘 본 연구에서는 send()/recv() 소켓 함수를 RDMA write를 통 해 처리하였고, 그림 3은 이러한 RDMA write의 메커니즘을 보인다. RDMA 패킷을 만드는 부분과 RDMA 패킷을 수신하였 을 때 호출될 수 있는 RDMA 패킷 핸들러를 커널 모듈 내에 구현하였다. 이렇게 독자적인 패킷처리 메커니즘을 커널 모듈 내에 구현함으로써 TOE의 임베디드 커널 모듈과 임베디드 응 용 프로그램으로 나누어 send(), recv() 함수를 처리하는 방식 ⑪ 네트워크 디바이스 드라이버 노드 1 송신 함수 수신 함수 } 임베디드 커널 모듈 송신 함수 수신 함수 네트워크 디바이스 드라이버 노드 2 그림 3 RDMA write를 이용한 기존 send()/recv()를 처리도 동작과정을 설명하면, 우선 노드 1에서 recv() 함수를 호출 (①)한 후, 디바이스 드라이버에서 사용자 영역의 메모리에 대 한 물리 주소와 길이정보를 구해 커널 모듈로 알려주는 방식 은 그림 2에서 나타낸 것과 동일하다(②). 이 후 커널 모듈의 인터럽트 핸들러는 이러한 정보를 바탕으로 소켓 버퍼를 생성 하고 자신과 원격노드의 MAC 주소를 가지고 패킷 헤더를 만 든다. 패킷의 데이터 부분은 디바이스 드라이버가 내려 준 물 리 주소와 길이 정보들을 기입하여 만든다. 이를 본 논문에서 는 RDMA 메모리 정보 패킷이라고 부른다. 이렇게 만들어진 패킷을 하위 네트워크 디바이스 드라이버 로 전달(③)하면, 네트워크 카드는 RDMA 메모리 정보 패킷을 노드 2로 전송하게 된다. RDMA 메모리 정보 패킷을 받은 노 드 2는 이를 커널 모듈에서 저장, 관리한다(④). 노드 2의 호 스트에서 send() 함수를 호출(⑤)한 후, 패킷 헤더를 만드는 부분까지는 앞 단락과 동일하게 동작한다. 이 후 노드 2는 RDMA 데이터 패킷을 만들기 위해 커널 모듈에서 관리하고 있는 노드 1의 메모리 정보와 사용자 영역에서 가져온 데이터 를 패킷의 데이터 부분에 추가하고 이를 노드 1으로 전송(⑧) 한다. RDMA 데이터 패킷을 받은(⑪) 노드 1은 RDMA 데이터 ④ ③ } RDMA 패킷 핸들러 { 수신 데이터 처리 코드 { DMA 전송 인터럽트 송신 } ⑫ ⑬ } 임베디드 커널 모듈 poll() 대기 send() 처리 코드 ioctl() 호출 ① 사용자 영역 메모리 recv() 사용자 응용 프로그램 ② rdma_recv() { 주소 변환 코드 인터럽트 송신 대기 ⑭ 결과값 반환 } 인터럽트 핸들러 { 대기중인 프로세스 깨움 디바이스 드라이버 } ⑩ } 인터럽트 핸들러 { 대기중인 프로세스 깨움 디바이스 드라이버 } 결과값 반환 사용자 영역 메모리 send() 사용자 응용 프로그램 ⑥ rdma_send() { 주소 변환 코드 인터럽트 송신 대기 호 스 트 영 역 ⑤ 인터럽트 핸들러 { top half: 인터럽트 수신 bottom half: RDMA 메모리 정보 패킷 생성 NIC 드라이버 호출 네트워크 버퍼 인터럽트 핸들러 { top half: 인터럽트 수신 DMA 엔진 동작 임 베 디 드 ⑦ bottom half: RDMA 데이터 패킷 생성 NIC 드라이버 호출 인터럽트 송신 ⑨ } RDMA 패킷 핸들러 { 메모리 정보 처리 코드 ⑧ 시 스 템 영 역 ④ 패킷에 기입된 메모리 정보를 바탕으로 패킷에 들어있는 데이 터를 호스트의 사용자 영역에 있는 수신 버퍼영역으로 바로 DMA 전송(⑫)한다. 이러한 RDMA 전송 메커니즘은 패킷에 데 이터와 함께 메모리 정보도 같이 보냄으로써 네트워크 혼잡에 의한 패킷 드랍 시 혹은 패킷이 순서대로 오지 않을 시에도 패킷내의 메모리 정보를 보고 사용자의 수신 버퍼로 직접 데 이터를 전송할 수 있다는 이점을 지닌다. 4. 실험 및 분석 실험에는 PCI-730 카드를 장착한 1.8GHz 펜티엄 IV 서버 2대가 사용되었으며, 3COM의 SuperStack3 스위치로 연결하 였다. 지연시간 측정은 send() 함수의 호출로부터 데이터가 원격 노드의 수신버퍼에 들어갈 때까지의 시간을 측정하였다. 각 구간을 나누어 소요 시간을 측정하였으며, 측정치는 4바이 트의 데이터 전송을 100회 반복한 평균치이다. 표 1은 TOE및 RDMA의 각 구간별 소요 시간과 지연시간을 나타낸다. 표 1 에서 T는 TOE를 R은 RDMA를 나타내며, 시간의 단위는 ㎲이 다. 표 1 TOE및 RDMA의 각 구간별 소요시간 및 지연시간 항 목 호스트 드라이버에서의 주소 변환 인터럽트 처리 (호스트↔카드) T R 시간 O O 4 O O 10 DMA로 메모리 정보와 데이터 전송 O O 37 top half에서 bottom half로 진입대기시간 O O 31 임베디드 응용 프로그램 깨움 TCP/IP 처리 (송, 수신) O O RDMA 패킷 처리 (송, 수신) 31 249 O 68 네트워크드라이버의 패킷처리 (송, 수신) O O 84 send() 완료 후, ioctl()함수호출 (송신측) O recv() 완료 후, ioctl()함수호출 (수신측) O 27 27 DMA로 수신된 데이터를 호스트로 전송 O O 33 TOE의 지연시간 RDMA의 지연시간 533 267 TOE는 임베디드 응용 프로그램을 사용하여 TCP/IP를 처리 하고, RDMA는 독자적인 패킷 처리 메커니즘을 가진다. TOE와 RDMA가 호스트와 인터페이스하는 메커니즘은 동일하다. 표 1에서 TOE의 지연시간이 533㎲라는 높은 지연시간을 가지는 데 비해, RDMA는 267㎲라는 상대적으로 낮은 지연시간을 가 진다. 이는 임베디드 응용 프로그램과 커널 모듈 사이를 오가 며 TCP/IP를 처리하는 TOE가 가지는 문맥전환 오버헤드를 RDMA가 없앴기 때문이다. 본 논문에서는 표 1의 실험결과와 관련 연구[5]를 바탕으로 TOE의 지연시간을 줄일 수 있는 방 안을 제안하고 그 예측치를 제시한다. 첫째, 임베디드 응용 프로그램에서 처리하는 작업을 커널 모듈에서 하게 한다면 TOE의 문맥전환 오버헤드를 없앨 수 있다. 이 경우 표 1의 진하게 표시된 시간들을 없앨 수 있다. 또한 관련 연구[5]에 의하면 전체 TCP/IP 처리시간에서 약 17%를 차지하는, 응용 프로그램 영역에서 커널 영역으로 데 이터를 복사하는 시간을 없앨 수 있다. 이 시간들이 줄어들면 406㎲의 지연시간을 가질 수 있다1. 둘째, 리눅스와 같은 OS 를 사용하지 않고 TOE를 구현하는 것이다. 이를 위해서 Lightweight TCP/IP stack[6]처럼 커널과 분리된 TCP/IP 코드 와 커널 없이 카드를 구동시킬 프로그램 작성이 필요하다. 이 경우, 리눅스의 TCP/IP와 디바이스 계층의 분리로 인한 두 계 층 간 데이터 복사 오버헤드를 없앨 수 있으며, 리눅스와 같 은 범용 OS가 시스템 운용을 위해 사용하고 있는 복잡한 알 고리즘 및 자료구조가 간단해질 수 있다. 관련 연구[5]는 이 러한 복사와 OS 오버헤드를 각각 32%, 20%를 차지한다고 밝 히고 있다. 이 경우 276㎲까지 지연시간을 줄일 수 있다2. 마 지막으로, 본 연구에 쓰인 하드웨어는 600MHz CPU와 100MHz로 동작하는 내부 버스를 가지고 있어, 매 캐시미스 발생 시, 6클럭을 쉬어야 한다. 이는 메모리 참조가 많은 TCP/IP를 처리할 때는 성능에 주요한 영향을 미친다. 따라서 성능이 우수한 800MHz XScale과 333MHz로 동작하는 내부 버스를 가지는 최신 칩[7]을 사용하게 된다면, 좀 더 지연시 간을 줄일 수 있을 것으로 예상한다. 따라서 본 논문에서는 위 단락에서 제안한 방법을 사용하여 TOE의 지연시간을 줄이고, TOE의 수신 측 데이터 복사문제를 본 연구에서 구현한 RDMA로 해결한다면 200㎲ 초반의 지연 시간과 400Mbps 이상의 대역폭을 가지는 소프트웨어 방식의 TOE 및 RNIC을 구현할 수 있을 것으로 기대한다. 5. 결론 및 향후 과제 본 논문에서는 PCI-730카드와 임베디드 리눅스를 이용하여 TOE와 RDMA 메커니즘을 구현하였으며, 그 동작 방식을 보였 다. 실험 결과 TOE와 RDMA는 각각 533㎲, 267㎲라는 최소 지연시간을 보였으며, 이를 각 구간별로 나누어 시간을 측정, 분석하였다. 이를 바탕으로 임베디드 응용 프로그램을 사용하 지 않고 TOE를 구현하는 방식과 임베디드 리눅스와 같은 범 용 OS없이 TOE 및 RNIC을 구현하는 방식이, 본 논문에서 구 현한 시스템과 비교하여 어느 정도 지연시간을 줄일 수 있는 가를 밝히고 있다. 향후 과제로는 본 연구에 사용한 PCI-730 카드보다 상위버전의 하드웨어상에서 OS를 사용하지 않는 TOE 및 RNIC을 개발할 예정이다. 

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