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문제 정의
- 이는 흠 네트워크에 입출력되는 트래픽을 감시하여 사용자의 서비스 트래픽이 있는 경우 시스템을 활성 모드로 구동하고, 사용자의 서비스 트래픽이 없는 경우 시스템을 전력 절감 모드로 구동하여 소비전력을 줄이는 개념을 토대로 한다. 본 논문에서는 가변적인 네트워크 트래픽을 반영하기 위해 지난 유휴 시간의 기록에 따라 전력 절감 모드를 결정하는 알고리즘을 설계하였다. 시뮬레 이션 결과 기존의 ACPI 방식에 비해 최소 14% 에서 최대 49%의 전력 절감 효과를 보였다.
- 이에 본 연구에서는 유휴 시간의 특성을 고려하여 전력 절감 모드를 사용하되 프록시 처리를 최대화함으로써, 전력 절감 효과를 높인 알고리즘을 도출하였다. 그리고 이를 검증하기 위해 홈 네트워크로부터 트래픽을 수집하여 시뮬레이션으로 수행하고 성능을 평가하였다.
제안 방법
- 그리고 이를 검증하기 위해 홈 네트워크로부터 트래픽을 수집하여 시뮬레이션으로 수행하고 성능을 평가하였다.
- 36 % 전력 효율이 높아졌다. 그리고 인터넷 전화 서비스를 고려하기 위해 실시간 전송(RTP: Real Time Transport) 프로토콜을 사용하는 H.223 트래픽을 사용하여 테스트하였다. 그 결과 ACPI 알고리즘의 경우, 32초간 624.
- 다음으로, 성능 비교를 위해서 본 연구에서는 그림 8과 같이 ACPI 알고리즘을 구현하였다.
- ARP나 ping, DHCP, 각종 조회용 패킷들이 이에 해당한다. 더불어 본 논문에서는 메신저의 연결 확인 패킷 또한 프록시로 처리하였다. 세 번째는 활성 모드에서 처리해야 하는 사용자 데이터로서, 첫 번째와 두 번째에 해당하지 않는 나머지 사용자 데이터 패킷이다.
- 번째 방식을 적용하였다. 더불어 전력 절감 효율을 보완하기 위해서 전력 절감 모드에서는 간단한 제어용 프로토콜이나 연결 확인용 응용 프로토콜 트래픽까지 최대한 프록시로 처리하도록 설계하였다. 이를 통해 전력 절감 모드의 유지 시간을 확보함으로써 전력 절감 효율을 높였다.
- 결정된다. 또한 본 논문에서는 현재 유휴 시간을 예측하기 위해식 ⑴을 사용하였으며, a 값으로 0.5를 사용하여 이전의 누적 예측치와 직전 유휴 시간을 50%씩 반영하도록 하였다.
- 먼저 본 논문에서는 가변적인 네트워크 트래픽의 특성을 반영하기 위해 유휴 시간의 패턴을 고려 한두 번째 방식을 적용하였다. 더불어 전력 절감 효율을 보완하기 위해서 전력 절감 모드에서는 간단한 제어용 프로토콜이나 연결 확인용 응용 프로토콜 트래픽까지 최대한 프록시로 처리하도록 설계하였다.
- 본 알고리즘은 기본적으로 직전까지의 유휴 시간을 고려하여 현재의 유휴 시간을 예상하고, 이에 따라 전력 절감 모드로의 전환 여부를 결정한다. 이 알고리즘의 주안점은 전력 절감 모드에 있을 때 최대한프록시로 처리함으로써 전력 절감 모드의 유지 시간을 늘리는 것이다.
- 본 알고리즘을 적용한 후 전송 속도에 어떠한 영향을 미치는지 분석하기 위해 본 논문에서는 전력절감 알고리즘을 적용하기 전에 비해서 적용한 후에 전송 속도가 감소한 비율을 퍼센트 단위로 계산하였다. 여기서 전송 속도는 초당 전동되는 비트수로 정의하며 Mbps의 단위이다.
- 윈도우에서는 ACPI를 지원하고 있으며, 설정된 시간 동안 키보드 입력 등의 사용자 이벤트가 발생하지 않는 시간이지속되면 시스템 대기 모드로 전환한다. 시스템 대기모드로의 전환 기준은 보통 20분으로 설정되어 있으므로, 20분간 활동이 없으면 전력 절감 모드로 전환하도록 구현하였다.
- 알고리즘을 홈 게이트웨이 에 적용하기 전에 먼저 시뮬레이션을 통해 알고리즘의 설계와 성능을 평가하였다. 본 알고리즘이 적용되는 홈 게이트웨이는 전력 절감 모드 전환에 필요한 지연 오버헤드가 1초 이상이므로 상용 ACPI 방식과 성능을 비교한다.
- 이와 관련된 연구로는 네트워크 트래픽을 기반으로 유휴 시간을 예측하는 방식 [3, 41, 서비스 기반의 홈 서버 전력 관리 방식[6], 홈네트워크를 구성하는 장치와 24시간 이용 패턴을 고려한 전력 절감 방식[7], 전력 절감과 서비스 품질보장을 위한 미들웨어 구조⑻ 등이 제안되었다. 이 중에서 본 논문에서는 과거의 유휴 시간을 누적하여 기록하고, 다음 유휴 시간을 예측하는 방식을 기반으로 한 전력 절감 방식을 고려하였다.
- 이러한 시뮬레이션 프로그램을 사용하여 홈 네트워크에서 주로 사용되는 응용 프로그램인 방문자 확인, 텔넷, FTP, 그리고 메신저, 인터넷 전화 트래픽에 대해 다섯 가지 시나리오를 테스트해보았다.
- 한다[3]. 이를 위해 이전까지의 예측 값을 누적한 평균과 직전 결과 값을 적절한 비율로 반영하여 다음 CPU 버스트의 길이를 예측한다.
- ACPI 알고리즘의 경우, 바로 활성 (Wakeup) 모드로 전환하고, 타이머를 초기화한다. 이에 반해 제안 알고리즘은 프록시 처리를 할 수 있는 패킷인 경우 전력 절감 모드인 채로 프록시 처리를 한다. 프록시 처 리 대상이 아닌 일반 사용자 패킷에 대해서는 유휴 시간 예측치를 계산하고, 활성 모드로 전환한 후, 타이머를 초기화한다.
- 하지만 유휴 시간은 가변적인 인터넷 트래픽의 특성으로 인하여, 평균적인 값으로 표현하기가 어렵다. 이에 유휴 시간의 패턴을 누적해오면서 이를 기반으로 다음 유휴 시간을 예측해보는 방식으로 접근하였다.
- 그리고 시뮬레이션 프로그램이 종료되면 모든 로그를 텍스트 파일로 저장한다. 패킷 트래픽은 네트워크에 수집한 여러 시나리오를 적용하였으며, 그 중에서 본 논문에서는 다음과 같은 시나리오를 예로 제시하였다.
데이터처리
- 본 알고리즘이 적용되는 홈 게이트웨이는 전력 절감 모드 전환에 필요한 지연 오버헤드가 1초 이상이므로 상용 ACPI 방식과 성능을 비교한다. 시뮬레이션 프로그램의 전체 흐름은 그림 6과 같다.
이론/모형
- 임계치 丁는 E와 W의 합으로 정의했으며 P가 T보다 작으면 타이머 T1 을 예측된 시간인 Q로 설정한다. Q 값을 계산하는 것은 Jain 과 Chlamtac의 알고리즘[9]을 사용하였다.
- 트래픽 트레이스를 기반으로 한 시뮬레 이션에서 이 방식은 EWMA 방식에 비해 좋은 성능 평가를 보여주었으나 복잡도는 증가한다. 본 논문에서는 알고리즘이 복잡하지 않으면서 좋은 성능을 보이는 것이 목표이므로 EWMA 방식을 채택하였다.
- 그림 9에서 보는 바와 같이 '[INPUT] Traffic Trace 부분은 트래픽 입력 파일을 보여주는 것으로서 맨 앞에 있는 [ ] 안에는 시간이 표시되고, ( ) 안에는 패킷 일련 번호가 표시되며, 그 다음으로는 타임 스탬프와 프로토콜 종류가 표시된다. 패킷 캡쳐 프로그램인 Wireshark [11]를 사용하여 수집된 트래픽을 텍스트 파일로 전환하여 사용하였다.
성능/효과
- 00 % 전력 효율이 높아졌다. FTP 트래픽을 테스트했을 때, ACPI 알고리즘의 경우, 29초간 546.0 Mh를 소모하였고, 제안 알고리즘의 경우 453.0 Wh< 소모하여, ACPI 알고리즘에 비해 17.03 % 전력 효율이 높아졌다. 메신저 트래픽을 테스트했을 때, ACPI 알고리즘의 경우, 16초간 292.
- 223 트래픽을 사용하여 테스트하였다. 그 결과 ACPI 알고리즘의 경우, 32초간 624.0 Vh를 소모하였고, 제안알고리즘의 경우 315.0 Wh를 소모하여, ACPI 알고리즘에 비해 49.52 % 전력 효율이 높아졌다.
- 첫 번째 방법은 상용화된 것으로서, 미리 지정한 시간동안 사용되지 않을 때 전력 절감 모드로 전환하고, 사용자 이벤트가 있으면 무조건 활성 모드로 전환하는 간단한 방식이지만 네트워크 트래픽의 변화를 반영할 수 없다. 두 번째 방법은 논문 연구 단계로서, 과거에 기록된 유휴 시간을 기준으로 현재의 유휴 시간을 예상하여 전력 절감 효과가 있다고 판단되는 경우에만 전력 절감 모드로 전환한다[3, 4丄 하지만 이 방식은 트래픽의 변화를 반영할 수 있으나 전력 절감 모드로의 전환에 소모되는 지연 오버헤드가 1초 이상인 경우 비효율적이다. 본 알고리즘의 적용 대상은 전력 절감 모드 전환에 필요한 지연 오버헤드가 2초이므로 두 번째 방식은 비효율적이다’
- 시뮬레 이션 결과 기존의 ACPI 방식에 비해 최소 14% 에서 최대 49%의 전력 절감 효과를 보였다. 따라서 본 알고리즘은 네트워크 트래픽의 변화를 반영하면서도 전력 절감 효율이 좋은 알고리즘이다. 향후 연구로는 전력 절감 모드의 사용시 발생하는 지연 시간을 줄여서 서비스 품질을 보장하는 연구로 본 알고리즘을 확장하는 것이다.
- 03 % 전력 효율이 높아졌다. 메신저 트래픽을 테스트했을 때, ACPI 알고리즘의 경우, 16초간 292.5 皿를 소모하였고, 제안 알고리 즘의 경우 250.5 Wh를 소모하여, ACPI 알고리즘에 비해 14.36 % 전력 효율이 높아졌다. 그리고 인터넷 전화 서비스를 고려하기 위해 실시간 전송(RTP: Real Time Transport) 프로토콜을 사용하는 H.
- 방문자 확인 트래픽을 테스트했을 때, ACPI 알고리즘의 경우, 275초간 3543.0 Wh를 소모하였고, 제 안 알고리즘의 경우 2419.5 Wh를 소모하여, ACPI 알고리즘에 비해 54.72 % 전력 효율이 높아졌다. 텔넷트래픽을 테스트했을 때, ACPI 알고리즘의 경우, 40 초간 877.
- 본 논문에서는 가변적인 네트워크 트래픽을 반영하기 위해 지난 유휴 시간의 기록에 따라 전력 절감 모드를 결정하는 알고리즘을 설계하였다. 시뮬레 이션 결과 기존의 ACPI 방식에 비해 최소 14% 에서 최대 49%의 전력 절감 효과를 보였다. 따라서 본 알고리즘은 네트워크 트래픽의 변화를 반영하면서도 전력 절감 효율이 좋은 알고리즘이다.
- 특히 (b) 알고리즘에 대해서는 (a) 알고리즘에 비해 얼마나 전력 효율이 높아졌는지 퍼센트 비율로 보여준다. 위의 경우에는 ACPI 알고리즘의 경우, 7초간 117 Wh를 소모하였고, 제안 알고리즘의 경우 94.5 Wh를 소모하여, ACPI 알고리즘에 비해 19.23 % 전력 효율이 높아졌음을 알 수 있다.
- 더불어 전력 절감 효율을 보완하기 위해서 전력 절감 모드에서는 간단한 제어용 프로토콜이나 연결 확인용 응용 프로토콜 트래픽까지 최대한 프록시로 처리하도록 설계하였다. 이를 통해 전력 절감 모드의 유지 시간을 확보함으로써 전력 절감 효율을 높였다.
- 72 % 전력 효율이 높아졌다. 텔넷트래픽을 테스트했을 때, ACPI 알고리즘의 경우, 40 초간 877.5 V小를 소모하였고, 제안 알고리즘의 경우 526.4 Wh를 소모하여, ACPI 알고리 즘에 비 해 40.00 % 전력 효율이 높아졌다. FTP 트래픽을 테스트했을 때, ACPI 알고리즘의 경우, 29초간 546.
- 동작한다. 트래픽 트레이스를 기반으로 한 시뮬레 이션에서 이 방식은 EWMA 방식에 비해 좋은 성능 평가를 보여주었으나 복잡도는 증가한다. 본 논문에서는 알고리즘이 복잡하지 않으면서 좋은 성능을 보이는 것이 목표이므로 EWMA 방식을 채택하였다.
후속연구
- 따라서 본 알고리즘은 네트워크 트래픽의 변화를 반영하면서도 전력 절감 효율이 좋은 알고리즘이다. 향후 연구로는 전력 절감 모드의 사용시 발생하는 지연 시간을 줄여서 서비스 품질을 보장하는 연구로 본 알고리즘을 확장하는 것이다.
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