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고성능 Hybrid TCP/IP Offload Engine 구현을 위한 TCP/IP 프로토콜 분석
Analysis of TCP/IP Protocol for Implementing a High-Performance Hybrid TCP/IP Offload Engine 원문보기

정보과학회논문지. Journal of KIISE. 시스템 및 이론, v.32 no.6, 2005년, pp.296 - 305  

장한국 (부산대학교 컴퓨터 공학과) ,  오수철 (부산대학교 BK21 사업단) ,  정상화 (부산대학교 컴퓨터공학과) ,  김동규 (부산대학교 컴퓨터 공학과)

초록
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기존의 컴퓨터 시스템에서는 인터넷의 대표적인 프로토콜인 TCP/IP가 호스트 CPU에서 처리되는데, 이는 호스트 CPU에 많은 부하(load)를 발생시켜 전체 시스템의 성능을 저하시키는 문제를 야기한다. 최근 이러한 문제점을 해결하는 방안으로서 네트워크 어댑터에서 TCP/IP를 처리하는 TCP/IP Offload Engine(TOE)에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 본 논문에서는 Linux 운영체제에 내장된 TCP/IP 프로토콜 스택의 구조를 분석하고, 통신을 수행할 때 프로토콜 스택의 각 함수에서 소모되는 시간을 측정하여 호스트 CPU에 부하를 발생시키는 주 요인을 분석하였다. 이러한 분석을 바탕으로 CPU에 많은 부하를 발생시키는 기능은 하드웨어로 구현하고 나머지 기능들은 소프트웨어로 구현하는 Hybrid TOE 구조를 제안한다.

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TCP/IP, the most popular communication protocol, is processed on a host CPU in traditional computer systems and this imposes enormous loads on the host CPU. Recently TCP/IP Offload Engine (TOE) technology, which processes TCP/IP on a network adapter instead of the host CPU, becomes an important way ...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • 분석 결과에 따르면, TCP/IP의 전체 기능들 중에서 일부 주요 기능들이 전체 통신 시간의 70~90%를 차지하였다. 따라서, 이러한 분석을 바탕으로 하여 하드웨어 구현과 소프트웨어 구현의 장점을 조합한 Hybrid TOE 구조를 제안한다. Hybrid TOE 구조는 TCP/IP 프로토 콜을 사용한 송수신에서 시간을 많이 차지하는 기능들 을 하드웨어로 구현함으로써 통신을 보장하고, 통신의.
  • 본 논문에서는 Linux 운영체제에 내장된 TCP/IP 프 로토콜 스택의 구조를 분석하고, 통신을 수행할 때 프로 토콜 스택의 각 함수에서 소모되는 시간을 측정하여 호 스트 CPU에 부하를 발생시는 주 요인을 분석하였다. 분석 결과에 따르면, TCP/IP의 전체 기능들 중에서 일부 주요 기능들이 전체 통신 시간의 70~90%를 차지하였다.
  • 본 논문에서는 실험을 통해 TCP/IP를 사용한 송수신 과정의 각 함수에서 소요되는 시간을 측정하였다. 시간의 단위로는 CPU 클럭수를 사용하였고, 작은 데이타부터 큰 데이타까지 통신에서 소요되는 시간을 비교하기 위해 1.
  • TOE는 네트워크 어댑터 상에서 TCP/IP를 처리함으 로써 호스트 CPU에 가해지는 작업 부하를 줄이고 통신 의 성능을 높이는 기술이다. 본 논문에서는 효율적인 TOE 구조를 개발하기 위해 Linux 운영체제에 내장된 TCP/IP 프로토콜 스택을 분석하였고, 함수들의 수행시간을 측정한 실험을 통해 TCP/IP 내부에서 많은 부하 를 발생시키는 주요한 요소들을 분석하였다. 실험 결과에 따르면 송신 과정에서는 소켓 버퍼를 확보하는 과정, 사용자의 데이타를 소켓 버퍼로 복사하는 과정, 그리고 프로세스 스케줄링 과정에서 호스트 CPU에 많은 부하 가 발생하였다.
  • 수신 과정에서는 TCP 헤더를 검사하고 처리하는 과정, ACK 처리 과정, 수신 데이타를 사용자 영역으로 복사하는 과정, 그리고 소켓 버퍼를 해제하는 과정에서 많은 부하가 발생하였다. 이러한 실험결과를 바탕으로 본 논문에서는 하드웨어 기반 TOE 구현과 소 프트웨어 기반 TOE 구현의 장점들을 취합한 Hybrid TOE 구조를 제안하였다. Hybrid TOE 구조에서는 통 신의 성능에 큰 영향을 끼치는 기능들은 하드웨어로 구 현하고 나머지 기능들은 소프트웨어로 구현함으로써 통 신의 성능과 개발의 효율성을 동시에 제공할 수 있다.
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참고문헌 (15)

  1. Bierbaum, N., 'MPI and Embedded TCP/IP Gigabit Ethernet Cluster Computing,' Proceedings of 27th Annual IEEE Conference on Local Computer Networks 2002 (LCN 2002), pp. 733-734, Nov. 2002 

  2. Kay, J. and Pasquale, J., 'Profiling and reducing processing overheads in TCP/IP,' IEEE/ACM Transactions on Networking, Vol. 4, No.6, pp. 817-828, Dec. 1996 

  3. Camarda, P., Pipio, F. and Piscitelli, G., 'Performance evaluation of TCP/IP protocol implementations in end systems,' IEE Proceedings of Computers and Digital Techniques, Vol. 146, No. 1, pp. 32-40, Jan. 1999 

  4. Zec, M., Mikuc, M. and agar, M., 'Estimating the Impact of Interrupt Coalescing Delays on Stedy State TCP Throughput, Interrupt Coalescing,' Proceedings of International Conference on Software, Telecommunications and Computer Networks, Oct. 2002 

  5. Intel PRO/1000T IF Storage Adapter,' Data Sheet, http://www.intel.com/networklconnectivity/resources/ doclibrary/data_sheets/pro1000_T_IF_SApdf, Intel, 2003 

  6. Satran, JI., Meth, K., Sapuntzakis, C., Chadalapaka, M. and Zeidner, E., 'Internet Small Computer Systems Interface (iSCSI),' IETF RFC 3720, http://www.ietf.org/rfc/rfc3720.txt, April 2004 

  7. Aiken, S., Grunwald, D., Pleszkun, A. R. and Willeke, J., 'A Performance Analysis of the iSCSI Protocol,' Proceedings of the 20th IEEE/11th NASA Goddard Conference on Mass Storage Systems and Technologies (MSS '03), 2003 

  8. 'SLIC Technology Overview,' http://www.alacritech.com/html/tech_review.html, Alacritech, 2002 

  9. 'iSCSI Controller,' Data Sheet, http://download.qlogic.com/datasheet/16291/isp4010.pdf, qLogic, 2003 

  10. 'Adaptec TOE NAC 7711,' Data Sheet, http://graphics.adaptec.com/pdfs/ana_7711_datasheet.pdf, Adaptec, 2003 

  11. 'Alacritech SES1001T: iSCSI HBA Competitive Analysis,' Benchmark Report, http://www.veritest.com/clients/reports/alacritech/alac_ses1001t.pdf, Veri Test, March 2004 

  12. 'Unleashing File Server Potential with Adaptec GigE NAC 7711,' Benchmark Report, http://graphics.adaptec.com/pdfs/NAC_appbrief.pdf, Adaptec, 2003 

  13. Deering, S. and Hinden, R., 'Internet Protocol, Version 6 (IPv6) Specification,' IETF RFC 2460, http://www.ietf.org/rfc/rfc2460.txt, Dec. 1998 

  14. Recio, R., Culley, P., Garcia, D. and Hilland, J., 'An RDMA Protocol Specification (Version 1.0),' http://www.rdmaconsortium.org/home/draft-recio-iwaro-rdrnap-v.l.0.pdf, RDMA Consortium, Oct. 2002 

  15. Cox, A., 'Network Buffers and Memory Management,' Linux Journal, Issue 29, Sep. 1996 

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