[논문]공유 버스를 사용한 멀티캐스트 Cut-through 스위치의 설계

백정민; 김성천

공유 버스를 사용한 멀티캐스트 Cut-through 스위치의 설계
Design of Multicast Cut-through Switch using Shared Bus 원문보기

정보과학회논문지. Journal of KIISE. 시스템 및 이론, v.27 no.3, 2000년, pp.277 - 286

초록
AI-Helper

스위치 형식의 네트워크이 많은 주목을 받고 있다. 그것은 높은 네트워크 성능을 요구하는 환경에 매우 적합하기 때문이다. 일반적인 공유매체 지역 네트워크는 만족할 만한 처리율과 지연시간을 제공하지 못한다. 특히 멀티미디어 어플리케이션이 증가하면서 통신 성능이 보다 중요시 되고 있다. 이러한 환경에서 스위치 형식의 네트워크는 우수한 성능을 보인다.스위치 형식의 네트워크는 높은 대역폭과 낮은 처리 시간을 얻을 수 있다. 따라서 스위치 형식의 지역네트워크를 구성할 때 고속(high-speed)의 스위치가 중요하다. 효율적인 스위치 디자인이 스위치 형식의 네트워크 성능을 향상시키는 중요한 요소인 것이다. 또한 멀티캐스트 메시지 처리의 중요성이 높아지면서, 효과적인 멀티캐스트를 지원하는 스위치의 설계가 필요하다. 기존의 컷-스루(cut-through) 스위칭 기술(switching technique)에서는 스위치 원소(switch element)의 구조를 변경시켜 데드락을 피하면서 멀티캐스팅이 가능하게 하였다. 그러나 처리율의 저하와 스위치 크기의 증가의 문제를 안고 있다. 따라서 하드웨어적으로 유니캐스트와 멀티캐스트를 분리함으로써 효율적인 멀티캐스팅을 가능하게 한다. 본 논문에서는 이러한 구조를 통해 멀티캐스팅에 있어서 성능 향상을 보이는 스위치 구조를 제안한다.

Abstract ▼ AI-Helper

Switch-based network is suitable for the environment of demanding high performance network. Traditional shared-medium Local Area Networks(LANs) do not provide sufficient throughput and latency. Specially, communication performance is more important with multimedia application. In these environments, switch-based network results in high performance. A kind of switch-based network provides higher bandwidth and low latency. Thus high-speed switch is essential to build switch-based LANs. An effective switch design is the most important factor of the switch-based network performance, and is required for the multicast message processing. In the previous cut-through switching technique, switch element reconfiguration has the capability of multicasting and deadlock-free. However, it has problems of low throughput as well as large scale of switch. Therfore, effective multicating can be implemented by using divided hardware unicast and multicast. The objective of this thesis is to suggest switch configuration with these features.

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

본 논문에서는 기존의 컷-스루 스위치의 구조를 유지하면서 , 좀 더 효과적인 멀티캐스팅을 위해서 공유 버스를 사용하는 스위치를 제안하였다. 공유 버스를 사용하는 방법은 처리율에 있어서 월등한 성능 향상을 얻을 수가 있다.
본 논문에서는 컷-스루 스위치의 멀티캐스트 시에 발생하는 이러한 문제를 해결한다. 즉, 유니캐스트 메시지와 멀티캐스트 메시지를 하드웨어적으로 분리해서 처리함으로써 메시지간의 .

가설 설정

예를 들어 입력 io에서 출력。5와。6으로 멀티캐스트를 한다. 그리고 동시에 입력 i4에서。5와。6으로 멀티캐스트를 한다고 가정한다. 이 때 스위치내에 다른 트래픽은 존재하지 않는다고 가정할 때, 상호 배제 상황 (mutual blocking situation) 이 발생한다.
다음은 메시지의 크기를 최대 크기인 64바이트로 가정하고 실험을 하였다, <그림 13A은 처리율이다. 처리율에 있어서 두 가지 방식 모두 급격한 감소를 보이고있다.
메시지의 크기는 8바이트, 16바이트, 64바이트일 때를가정하였다. 먼저 16x16 스위치에서 가장 작은 메시지크기인 8바이트일 때 비교하였다.
스위치에 들어오는 메시지들은 모두 멀티캐스트 메시지일 때와 멀티캐스트 메시지와 유니캐스 메시지가 비율이 50:50일때를 가정하였다. 멀티캐스트 메시지들은 적어도 2개의 목적지를 갖고 라우팅을 하게 된다.
시뮬레이션을 수행하는 스위치의 크기는 16x16을 가정한다. 이것은 앞서 가정한 인트라스위치 네트워크에근거한다.
이것은 앞서 가정한 인트라스위치 네트워크에근거한다. 즉, 하나의 스위치만을 사용해서 지역네트워크을 구성한다는 가정이다.

제안 방법

결과는 처리율과 평균 지연 시간에 관한 비교를 하였다. 시간 단위는 us이다.
기존의 컷-스루 스위치에 멀티캐스팅을 위해 공유 버스를 사용할 것을 제안하였다.제안한 방법의 성능 평가를 다음 장에서 한다.
1 공유 버스를 사용하는 스위치에서의 라우팅 방법공유 버스를 적용한 스위치의 전체적인 구조는<그림 7>와 같다. 기존의 컷-스루 스위치의 구조에 공유 버스를 중앙에 추가하였다.
따라서 멀티캐스트를 지원하고 완전 적응 라우팅을지원하기 위해서 다음과 같은의 모듈을 Ni가제안하였다.
먼저 16x16 스위치에서 가장 작은 메시지크기인 8바이트일 때 비교하였다.<그림 9>는 처리율이다.
본 논문에서 제안하는 멀티캐스트 컷-스루 스위치와기존의 컷-스루 스위치의 성능을 비교 평가하였다. 이장에서는 실험 결과를 비교 분석한다.
따라서 입력 포트에서 발생되는 메시지들의 반은 멀티캐스트 메시지를 갖고 나머지 반은 유니캐스트 메시지를 갖게 된다. 이 때 처리율과 평균 지연 시간의 비교를 하였다. 멀티캐스트 메시지의 라우팅 방법은 앞에서 제안한 방법과 동일하다.
이를 위해서 기존의 콘트롤 로직과 함께 공유 버스를 담당하는 콘트롤 로직을 추가한다. 추가하는 콘트롤 로직은 멀티캐스트 메시지들을 공유 버스를 통해서 라우팅 되게 한다.
이상은 일정한 크기의 스위치에서 멀티캐스트 메시지의 크기를 변화하면서 실험 평가 한 것이다. 다음은 메시지의 종류가 오직 멀티캐스트일 때가 아닌 , 멀티캐스트 메시지와 유니캐스트 메시지가 혼합된 형태이다.
유니캐스트의 경우에는 기존의 방식을 그대로 모두 사용하였다. 즉, 기존의 XY라우팅을 사용하여서 라우팅하는 방법을 두 가지 방식 모두에서 사용하였다.
다음은 메시지의 종류가 오직 멀티캐스트일 때가 아닌 , 멀티캐스트 메시지와 유니캐스트 메시지가 혼합된 형태이다. 즉, 멀티캐스트 메시지와 유니캐스트 메시지의 비율을 50:50 으로 하였다. 따라서 입력 포트에서 발생되는 메시지들의 반은 멀티캐스트 메시지를 갖고 나머지 반은 유니캐스트 메시지를 갖게 된다.

이론/모형

본 논문에서는 Scientific and Engineering Software Inc, 사의 SESAVorkbench# 사용하여 확률에 의한 이산 사건 모델링(discrete event modeling)으로 시뮬레이션을 수행하였다.[8]

성능/효과

<그림 17>은 처리율의 비교이다. 8바이트, 16바이트 , 64바이트 일 때 각각 9배, 6배, 2배의 처리율의 향상을 얻을 수 있었다. 메시지의 크기가 커질 때 최소 2배의 처리율 향상을 얻을 수 있었다.
8바이트일 때에서 76%의 감소를 보이나, 16바이트일 때에는 50%의 증가를 , 64바이트일 때에는 60% 정도 평균 지연 시간이 증가 하였다.
공유 버스를 사용하는 멀티캐스트 컷-스루 스위치의 경우에는 메시지의 크기에 상관없이 100% 가까운 처리율을 얻을 수 있었다, 8바이트와 16바이트일 때 각각 1.4배와 3배의 처리율의 향상을 얻었다.
향상을 얻을 수 있다. 그것은 스위치의 크기가 비교적 작고, 메시지의 크기가 작을 때 기존의 방법에 비해서 월등한 처리율의 향상을 보인다. 따라서 멀티캐스트가 중요시 되는 통신 환경에 적합한 방법이라 할 수 있다.
그러나 로드가 25%에 도달하면서 급격히 감소를 하여서 로드가 높아짐에 따라서 그 다음부터는 큰 변화는없이 다소 낮은 처리율을 보이고 있다. 두 가지 경우의비교에 있어서는 평균적으로 약 2배 정도의 처리율의향상을 얻을 수 있었다.
실험 평가에서 알 수 있지만, 공유 버스를 통한 멀티캐스트는 일반 멀티캐스트에 비해서 월등한 성능 향상을 보이고 있다. 따라서 2개의 공유 버스만으로도 기존의 스위치에서보다 높은 성능을 얻을 수 있었다.
로드가 증가함에 따라서 공유 버스를 사용하는멀티캐스트 컷-스루 스위치가 1.5배 정도 증가함을 볼수 있다, 처리율의 감소와 함께 성공한 메시지들의 처리시간 역시 매우 높음을 알 수 있었다.
8바이트, 16바이트 , 64바이트 일 때 각각 9배, 6배, 2배의 처리율의 향상을 얻을 수 있었다. 메시지의 크기가 커질 때 최소 2배의 처리율 향상을 얻을 수 있었다.
스위치를구성하는 기본 원소를 양방향전송에서 동쪽-북쪽 라우팅으로 개선함으로써 데드락을 피하면서 멀티캐스트를 가능하게 하였다.[1] 그러나 스위치의 크기가 두배 이상 커지는 단점을 가지고 있다.
기존의 방식은 로드가 높아짐에 따라서 큰 변화는 없이 매우 낮은처리율을 보였다. 스위치의 크기가 증가하고 메시지의크기 역시 증가함에 따라서, 기존의 것과 제안하는 것과의 차이가 가장 뚜렷하였다. 즉, 평균적으로 약 7배 정도의 처리율의 향상을 얻을 수 있었다.
스위치의 크기와 메시지의 크기의 변화에 따라서 멀티캐스트 컷-스루 스위치는 처리율에 있어서는 최소 2배에서 최대 10배정도의 향상을 얻을 수 있었다. 처리 시간에 있어서는 2배 정도의 감소에서 스위치의 크기와 메시지의 크기가 동시에 커지면 2배 정도 증가하는 결과를 보였다、
이것은 실험을 통해 얻을 수 있었다. 실험 평가에서 알 수 있지만, 공유 버스를 통한 멀티캐스트는 일반 멀티캐스트에 비해서 월등한 성능 향상을 보이고 있다. 따라서 2개의 공유 버스만으로도 기존의 스위치에서보다 높은 성능을 얻을 수 있었다.
이러한 메시지들이 많고 또한 처리율이 높으므로 평균적으로 증가하는 것을 얻을 수 있었다. 또한 파이프라인형식으로 전송하는 기존의 방식이 처리율이 높다면 처리 시간에서는 이득이 될 수 있음을 알 수 있다.
스위치의 크기가 증가하고 메시지의크기 역시 증가함에 따라서, 기존의 것과 제안하는 것과의 차이가 가장 뚜렷하였다. 즉, 평균적으로 약 7배 정도의 처리율의 향상을 얻을 수 있었다.
스위치의 크기와 메시지의 크기의 변화에 따라서 멀티캐스트 컷-스루 스위치는 처리율에 있어서는 최소 2배에서 최대 10배정도의 향상을 얻을 수 있었다. 처리 시간에 있어서는 2배 정도의 감소에서 스위치의 크기와 메시지의 크기가 동시에 커지면 2배 정도 증가하는 결과를 보였다、
기존 방법의 컷-스루 스위치 형식에서는 20%이하의 매우 낮은 처리율을 보였다. 평균적으로 제안하는 스위치 방법이 기존의 것보다 10배정도의 처리율의 향상을 얻을 수 있었다.

참고문헌 (8)

M. Yang and L.M. Ni, 'Design of scalable and multicast capable cut-through switches for high-speed lans,' Proceedings of the 1997 ICPP, pp.324-332, Aug. 1997
N.J. Boden and et al., 'Myrinet - a Gigabit-per-second local area network,' IEEE Micro, vol.15, pp.29-36, Feb. 1995

상세보기
L.M. Ni ,'Should scalable parallel computers support efficient hardware multicast?,' Proc. of the 1995 ICPP workshop on challenges for Parallel Processing, pp.2-7, Aug. 1995
Myricom, 'Myrinet link specfication,' http://www.myri.com/products/docu- mentation/link/
D. Cohen and G. Finn, 'ATOMIC A low-cost, very-high-speed, local communication architecture,' Proceedings of the 1993 International Conference on Parallel Processing, vol. 1, pp. 39 - 46, Aug. 1993
L.L. Peterson and B.S. Davie, Computer networks : a system approach, Morgan Kaufmann 1996
C. Partridge, Gigabit Networking, Addison-Wesley 1993
SES/Workbench Rel. 3.0, Scientific and Engineering Software, Inc., 1995

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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