[논문]TCP/IP 소켓통신에서 대용량 스트링 데이터의 전송 속도를 높이기 위한 송수신 모델 설계 및 구현

강동조; 박현주

doi:10.6109/jkiice.2013.17.4.885

문제 정의

데이터 송수신 모델에 대한 성능 평가 지표로 데이터 송수신의 수행 속도뿐만 아니라 데이터 전송의 신뢰성 또한 중요한다. 본 논문에서는 데이터 전송의 신뢰성을 검증하고자 제안하는 모델의 동작 검증을 수행하였다.
본 논문에서는 이러한 서버와 클라이언트 간 대용량 데이터의 통신 속도를 향상시키고 신뢰성 높은 송수신을 위하여 TCP/IP 통신을 활용한 송수신 모델을 제안하였다. 이를위하여 전송모델에서는 소켓생성 및연결을 위한 소켓관리유닛과 패킷을 생성하는 패킷생성유닛, 패킷을 전송하는 패킷전송유닛, 데이터 전송과 패킷을 생성하는 쓰레드 모델, 데이터 재조합을 위한 패킷구조를 구현하였다.
본 논문은 대용량의 데이터를 전송하는 서버의 전송 구조와 데이터를 수신하는 클라이언트의 수신 구조를 변경하여 멀티 코어(이하 CMP : Chip Multi Processor) 환경에서 데이터 전송 속도의 성능향상을 기대할 수 있는 TCP/IP 통신을 활용한 송수신 모델을 제안한다.
하나의 통로로 데이터를 수신할 경우, 수신측에서 수신한 데이터의 처리를 신속하게 처리하지 못하여 소켓의 수신버퍼가 가득 찬 경우, TCP 프로토콜의 흐름제어에 의해 데이터 전송의 지연이 발생된다. 이에 본 논문에서는 송신측과 연결된 수신측의 소켓 수를 증가시켜 수신버퍼가 가득 차 TCP프로토콜의 흐름제어에 의해 데이터 전송의 지연 발생을 줄이고 각 소켓에 수신된 데이터를 처리하는 쓰레드를 생성하여 수신 데이터에 대한 처리 속도를 증가시켜 전송 속도를 향상하는 것을 목표로 한다.
이에 본 논문은 TCP통신의 잠재적인 지연을 발생시킬 수 있는 수신측의 수신 데이터 처리 속도를 향상시켜 송수신 속도를 높이기 위한 방법을 제안한다.

제안 방법

성능 평가 네트워크 환경은 외부 네트워크 망과 연결되지 않은 서버(송신측)와 공유기(라우터) 클라이언트(수신측)로 이루어진 사설망을 구축하였다. [그림 7]과 같이 네트워크 환경을 구성한 이유는 네트워크 환경의 영향을 최소로 하여 송수신 모델의 성능을 평가하기 위해 선정하였다.
데이터를 수신하는 쓰레드의 생성 시기는 수신측에서 수신할 데이터가 존재할 경우, 쓰레드를 생성하는 방식을 선택하였다. 쓰레드를 생성하는 작업은 운영체제 (이하 OS : Operating System)에 부담을 주는 작업이지만 데이터를 수신하는 경우에만 사용하는 쓰레드를 미리 생성해 두는 것은 한정적인 CPU 자원을 낭비하는 것이라 판단되었다.
두 번째는 클라이언트 부분으로 패킷형태로 전송된 데이터를 패킷의 헤더부분을 검증 및 분석하여 데이터를 수신하는 부분으로 기존처럼 하나의 소켓과 하나의 쓰레드로만 데이터를 수신하는 것이 아니라 여러 개의 소켓을 자신의 스택영역에 두고 해당 소켓으로 송신측과 연결하여 데이터를 수신하는 여러 개의 쓰레드를 생성하여 데이터를 수신한다.
이를위하여 전송모델에서는 소켓생성 및연결을 위한 소켓관리유닛과 패킷을 생성하는 패킷생성유닛, 패킷을 전송하는 패킷전송유닛, 데이터 전송과 패킷을 생성하는 쓰레드 모델, 데이터 재조합을 위한 패킷구조를 구현하였다. 또한 수신 모델에서는 수신을 담당하는 쓰레드 생성, 소켓생성, 소켓 연결, 데이터 수신등의 작업을 하는 패킷수신유닛, 수신한 패킷을 검증하고 분석하는 패킷분석유닛, offset를 반환하는 오프셋추출유닛, 임계영역으로 보호 없이 데이터를 저장하는 데이터저장유닛을 구현하였다.
둘째로, 패킷분석유닛(packet analysis unit)는 수신한 패킷을 분석하는 역할을 수행한다. 먼저 수신한 패킷이 자신이 요구한 데이터가 담긴 패킷이 맡는지 검사하고 다음으로 패킷에서 순서번호(Sequence Number)와 데이터를 추출한다.
[그림 7]은 송수신 모델의 성능 테스트를 위한 네트워크 환경이다. 성능 평가 네트워크 환경은 외부 네트워크 망과 연결되지 않은 서버(송신측)와 공유기(라우터) 클라이언트(수신측)로 이루어진 사설망을 구축하였다. [그림 7]과 같이 네트워크 환경을 구성한 이유는 네트워크 환경의 영향을 최소로 하여 송수신 모델의 성능을 평가하기 위해 선정하였다.
성능 테스트 실험환경은 송수신 모델의 장단점 및 차이점을 명확하게 확인할 수 있는 시나리오를 선정하여야 하므로 80MB이상의 파일을 사용한다. 송수신 시간을 측정하기 위해서 일반적인 모델의 측정시점은 소켓을 생성하기 전 부분에서 측정하며 제안하는 모델의 측정시점은 쓰레드를 생성하기 전 부분에서 측정한다. 송수신 시간의 측정종료시점은 일반적인 모델에서는 소켓을 닫은후 측정하며, 제안하는 모델은 생성한 모든 쓰레드가 종료한 후 측정한다.
송수신 시간을 측정하기 위해서 일반적인 모델의 측정시점은 소켓을 생성하기 전 부분에서 측정하며 제안하는 모델의 측정시점은 쓰레드를 생성하기 전 부분에서 측정한다. 송수신 시간의 측정종료시점은 일반적인 모델에서는 소켓을 닫은후 측정하며, 제안하는 모델은 생성한 모든 쓰레드가 종료한 후 측정한다.
제안하는 수신모델은 다수의 쓰레드를 생성하여 데이터를 수신하며, 수신한 데이터를 원래의 데이터로 조합한다. 이를 위해 본 논문에서는 [그림 6]과 같은 데이터 수신 쓰레드 모델을 구성한다.
본 논문에서는 이러한 서버와 클라이언트 간 대용량 데이터의 통신 속도를 향상시키고 신뢰성 높은 송수신을 위하여 TCP/IP 통신을 활용한 송수신 모델을 제안하였다. 이를위하여 전송모델에서는 소켓생성 및연결을 위한 소켓관리유닛과 패킷을 생성하는 패킷생성유닛, 패킷을 전송하는 패킷전송유닛, 데이터 전송과 패킷을 생성하는 쓰레드 모델, 데이터 재조합을 위한 패킷구조를 구현하였다. 또한 수신 모델에서는 수신을 담당하는 쓰레드 생성, 소켓생성, 소켓 연결, 데이터 수신등의 작업을 하는 패킷수신유닛, 수신한 패킷을 검증하고 분석하는 패킷분석유닛, offset를 반환하는 오프셋추출유닛, 임계영역으로 보호 없이 데이터를 저장하는 데이터저장유닛을 구현하였다.
이는 전송작업의 작업지연을 증가시키는 요인이 될 수 있으며, 전송작업의 속도를 감소시키는 요인이다[3][4][5]. 이에 제안하는 전송 모델은 패킷을 생성하는 부분과 패킷을 전송하는 부분으로 분리하여 작업지연을 감소시켜 전송작업의 속도 증가를 목표로 한다.
제안하는 수신모델은 다수의 쓰레드를 생성하여 데이터를 수신하며, 수신한 데이터를 원래의 데이터로 조합한다. 이를 위해 본 논문에서는 [그림 6]과 같은 데이터 수신 쓰레드 모델을 구성한다.

대상 데이터

성능 테스트 실험환경은 송수신 모델의 장단점 및 차이점을 명확하게 확인할 수 있는 시나리오를 선정하여야 하므로 80MB이상의 파일을 사용한다. 송수신 시간을 측정하기 위해서 일반적인 모델의 측정시점은 소켓을 생성하기 전 부분에서 측정하며 제안하는 모델의 측정시점은 쓰레드를 생성하기 전 부분에서 측정한다.

데이터처리

19% 향상됨을 확인하였다. 또한 동작 검증을 통해 제안하는 송수신 모델의 신뢰성 또한 확인하였다.

성능/효과

[표 4]에서 확인할 수 있듯이 87,380byte 수신버퍼를 가진 일반적인 송수신 모델의 평균 수행 속도와 최소 수행 속도는 각각 28.01sec와 27sec로 측정되었으며, 32,768byte 수신버퍼를 가진 일반적인 송수신 모델의 평균 수행 속도와 최소 수행 속도는 각각 43.251sec와 42sec로 측정되었다. 이는 [표 5]과 [표 6]에서 제안하는 송수신 모델이 4개의 쓰레드로 동작할 경우, 수신버퍼의 크기가 각각 87,380byte, 32,768byte인 제안하는 송수신 모델의 평균 수행 속도와 최소 수행 속도인 23.
구현한 TCP/IP 통신을 활용한 송수신 모델의 성능평가를 위해 통신 속도 향상을 테스트하기 위한 성능 테스트, 통신의 신뢰성을 검증하기 위해 동작 검증을 5장성능 분석에서 수행하였으며, 그 결과로, 본 논문에서 제안하는 TCP/IP 통신을 활용한 송수신 모델은 일반적인 통신 모델과 비교하였을 때, 대용량 데이터의 송수신 속도가 수신측의 수신버퍼의 크기가 87,380byte에서는 쓰레드와 소켓의 개수가 2개일 경우 평균 11.82%, 3개일 경우 평균 14.14%, 4개일 경우 평균 15.92%향상되었으며, 32,768byte에서는 쓰레드와 소켓의 개수가 2개일 경우 평균 23.24%, 3개일 경우 평균 35.14%, 4개일 경우 평균 39.19% 향상됨을 확인하였다. 또한 동작 검증을 통해 제안하는 송수신 모델의 신뢰성 또한 확인하였다.
동작 검증결과 제안하는 송수신 모델은 신뢰성 있는 송수신을 수행하였음이 확인되었다.
또한 제안하는 모델의 성능 평가 결과 [표 3]의 환경에서 수신측의 코어 개수가 2개 일 때, 쓰레드와 소켓을 4개 생성하여 수신하였을 경우, 성능이 가장 우수하게 나타났다. 이는 코어의 개수가 2개일 때, 쓰레드 4개를 생성하여 동작하였을 경우, 제안하는 송수신 모델에서 가장 성능향상에 이점이 있음을 확인하였다.
성능 테스트 결과 얻은 결과에서 확인 할 수 있듯이, 일반적인 송수신 모델에서 대용량 데이터를 송수신하였을 때 보다 제안하는 송수신 모델에서 대용량 데이터를 송수신하였을 때 수신버퍼의 크기와 쓰레드의 개수에 상관없이 전송속도가 향상됨을 확인할 수 있다.
데이터를 수신하는 쓰레드의 생성 시기는 수신측에서 수신할 데이터가 존재할 경우, 쓰레드를 생성하는 방식을 선택하였다. 쓰레드를 생성하는 작업은 운영체제 (이하 OS : Operating System)에 부담을 주는 작업이지만 데이터를 수신하는 경우에만 사용하는 쓰레드를 미리 생성해 두는 것은 한정적인 CPU 자원을 낭비하는 것이라 판단되었다. [그림 6]에서 확인할 수 있듯이 쓰레드 생성 시, TCP/IP 통신에 사용되는 소켓 또한 생성되며, 생성된 각 쓰레드는 자신의 스택 영역에 해당 소켓에 대한 정보를 가지고 있다.
또한 제안하는 모델의 성능 평가 결과 [표 3]의 환경에서 수신측의 코어 개수가 2개 일 때, 쓰레드와 소켓을 4개 생성하여 수신하였을 경우, 성능이 가장 우수하게 나타났다. 이는 코어의 개수가 2개일 때, 쓰레드 4개를 생성하여 동작하였을 경우, 제안하는 송수신 모델에서 가장 성능향상에 이점이 있음을 확인하였다.

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	슬라이딩 원도우란?	이때 TCP는 슬라이딩 원도우(Sliding Window)라는 프로토콜을 활용한다. 슬라이딩 원도우는각 호스트의 입출력버퍼의 상태를 확인하여 수신 측의 입력버퍼가 수신 가능한 크기의 데이터만을 전송하고 나머지 데이터는 출력버퍼에 저장해 두었다가 수신 측 입력버퍼가 비워지면 이어서 데이터를 전송한다. 이는 신뢰성있는 데이터 송수신을 수행하지만 수신측에서 수신 데이터에 대한 처리가 신속하지 않거나 입력 버퍼의 저장 공간이 작으면 TCP통신이 지연될 수 있음을 보여준다[2].
	UDP방식의 단점은?	TCP 방식보다 송수신 속도가 빠른 UDP 방식이 존재하지만 UDP방식은 TCP방식에서 수행하는 흐름제어를 수행하지 않기 때문에 데이터 전송에 신뢰성이 떨어지는 단점이 있다[1].
	네트워크 환경의 영향으로 패킷전송을 위해 호출한 시스템 콜의 반환이 지연되면 결과는?	또한 네트워크 환경의 영향으로 패킷전송을 위해 호출한 시스템 콜의 반환이 지연될 수 있다. 이는 전송작업의 작업지연을 증가시키는 요인이 될 수 있으며, 전송작업의 속도를 감소시키는 요인이다[3][4][5]. 이에 제안하는 전송 모델은 패킷을 생성하는 부분과 패킷을 전송하는 부분으로 분리하여 작업지연을 감소시켜 전송작업의 속도 증가를 목표로 한다.

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