[논문]데이터센터 네트워크의 패킷단위 스케줄링에서의 DCTCP 성능

임찬숙

doi:10.7236/jiibc.2018.18.1.15

[국내논문] 데이터센터 네트워크의 패킷단위 스케줄링에서의 DCTCP 성능
Performance of DCTCP with per-packet scheduling in data center networks 원문보기

The journal of the institute of internet, broadcasting and communication : JIIBC, v.18 no.1, 2018년, pp.15 - 21

초록
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데이터센터 네트워크의 자원을 효율적으로 활용하여 플로우들의 지연시간을 줄이기 위해서는 플로우 단위의 스케줄링보다는 패킷단위의 스케줄링이 적합하다. 따라서 최근에는 데이터센터 네트워크의 다중경로를 활용하여 패킷단위로 스케줄링을 수행하는 방식이 많이 제안되었다. 그러나 이로 인해 발생하는 순서 바뀐 패킷들이 표준 TCP 성능에 미치는 부정적인 영향을 줄이기 위해, 대부분의 방식들은 TCP 아래 계층에서 순서를 다시 맞추는 등의 보완방안을 필요로 한다. 본 논문에서는 데이터센터 네트워크의 대표적인 전송계층 프로토콜인 DCTCP가 다중경로상의 패킷단위 분산과 함께 사용될 때 어떤 성능을 보이는지 모의실험을 통해 조사한다. 모의실험 결과는 DCTCP가 큐의 길이를 짧게 유지할 수 있지만 혼잡신호에 따라 혼잡윈도우를 줄이는 방식 때문에 오히려 공평성 등의 측면에서는 기존 TCP보다도 낮은 성능을 가짐을 보여준다.

Abstract ▼ AI-Helper

Per-packet scheduling is more suitable than per-flow scheduling to reduce the flow completion time by efficiently utilizing resources in data center networks. Recently, many per-packet scheduling schemes utilizing multiple paths have been proposed. However, to mitigate the negative effect of packet reordering on TCP performance, most of the schemes require supplemental measures such as putting packets in order at the lower layer. In this study, we investigate how well DCTCP, which is a representative TCP for data center networks, performs with per-packet scheduling through simulation. Simulation results show that DCTCP keeps the queue length short but that DCTCP shows low fairness due to the way of reducing the congestion window by ECN.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

우리는 ns-2를 이용한 모의실험을 통해 이 질문들에 대한 답을 찾아보고자 하였다. 우리는 4-ary Fat-Tree에서 가용한 모든 경로를 통해 패킷을 분산하는 방식을 사용하였고 링크에 장애가 발생하여 네트워크의 대칭성이 손상될 때 TCP버전들의 성능을 비교해보았다.
우리는 데이터센터 네트워크를 위한 대표적인 전송계층 프로토콜인 DCTCP가 다중경로상의 패킷단위 분산방식과 함께 사용될 때 어떤 성능을 보이는지 모의실험을 통해 조사해보았다. 모의실험결과는 TCP-Reno와 RED를 사용할 때에 비해 DCTCP의 성능이 더 좋지는 않음을 보여준다.

제안 방법

실제로^[4]에서는 네트워크 장애가 발생하지 않은, 대칭적 네트워크에서 다중경로에 걸쳐 패킷단위로 분산해도 기존의 TCP가 성능저하를 겪지 않음을 보여주었다. 그러나 대칭성이 깨질 경우에 대비하여 새로운 AQM 방식을 제안하였다.
DCTCP의 비교대상으로는 TCP-Reno를 사용하였다. 네트워크 토포로지로는 그림1이 보여주는 바와 같은 4-ary Fat-Tree를 사용하였으며 단일경로를 통한 패킷 전달방식과 다중경로를 통한 패킷 분산 방식을 비교하였다.
JUGGLER^[7]는 프로토콜 스택 하단에서 패킷순서를 정리하여 올려보내는 방식이다. 또한 패킷 단위의 스케줄링을 하지는 않지만 패킷의 순서 바뀜을 막기 위해 플로우보다 더 작은 단위로 스케줄링하는 방식이 제안되었다. CONGA^[2]는 연이어 함께 전송되는 패킷들을 의미하는 “플로릿(flowlet)”단위로 스케줄링을 한다.
그림1은 3쌍의 출발지-목적지 호스트 쌍에 대해 패킷들이 분사될 경로를 보여준다. 링크 장애 상황을 만들기 위해서는 그림1이 보여주듯이 A1-T1간의 링크를 단절하여 모의실험을 수행하였다.
우리는 4-ary Fat-Tree상에서 3개의 출발지-목적지 그룹의 TCP 플로우들을 만들어 성능을 비교하기 위해 ns-2 모의실험을 수행하였다. DCTCP의 비교대상으로는 TCP-Reno를 사용하였다.
우리는 ns-2를 이용한 모의실험을 통해 이 질문들에 대한 답을 찾아보고자 하였다. 우리는 4-ary Fat-Tree에서 가용한 모든 경로를 통해 패킷을 분산하는 방식을 사용하였고 링크에 장애가 발생하여 네트워크의 대칭성이 손상될 때 TCP버전들의 성능을 비교해보았다. 주요 실험 결과는 아래와 같이 요약할 수 있다.
우리는 ECN 비트만을 혼잡의 신호로 사용하고 중복 ACK가 수신될 때 혼잡윈도우를 줄이지 않도록 수정하여 모의실험을 수행하였다. 그림 5는 그 결과를 보여준다.
출발지 호스트와 목적지 호스트는 그림1이 보여주는 바와 같이 선택되었으며 각 출발지-목적지 쌍에 대해 10개의 TCP 플로우를 생성하였다. 다중경로를 통한 패킷 분산방식에서는 각 스위치가 모든 가용경로를 통해 패킷을 분산한다.

대상 데이터

우리는 4-ary Fat-Tree상에서 3개의 출발지-목적지 그룹의 TCP 플로우들을 만들어 성능을 비교하기 위해 ns-2 모의실험을 수행하였다. DCTCP의 비교대상으로는 TCP-Reno를 사용하였다. 네트워크 토포로지로는 그림1이 보여주는 바와 같은 4-ary Fat-Tree를 사용하였으며 단일경로를 통한 패킷 전달방식과 다중경로를 통한 패킷 분산 방식을 비교하였다.

성능/효과

그림 5는 그 결과를 보여준다. 같은 조건에서 원래의 DCTCP(그림 4(c) 참조)의 결과와 비교해 볼 때 총 시간당처리량에는 크게 변함이 없으나 S1-D1플로우들과 S2-D2 플로우들 간의 공평성은 좋아졌음을 알 수 있다.
반면에 DCTCP와 TCP-Reno + RED의 경우에는 스위치의 큐가 다 차기 전에 전송되는 ECN bit으로 인해 심한 혼잡을 피하게 되므로 재전송타이머가 타임아웃되는 경우가 발생하지 않은 것이다. 결과적으로 DCTCP와 TCP-Reno + RED는 대체로 시간당 처리량과 공평성에 있어 TCP-Reno + DropTail보다 좋은 성능을 보인다.
모의실험 결과 중 우리가 특별히 주목하는 점은 장애로 인해 대칭성이 깨진 데이터센터 네트워크에서 패킷단위의 분산이 수행되어 패킷들의 순서가 유지되지 않을 때 DCTCP는 표준 TCP보다도 더 낮은 성능을 보인다는 점이다.
우리는 데이터센터 네트워크를 위한 대표적인 전송계층 프로토콜인 DCTCP가 다중경로상의 패킷단위 분산방식과 함께 사용될 때 어떤 성능을 보이는지 모의실험을 통해 조사해보았다. 모의실험결과는 TCP-Reno와 RED를 사용할 때에 비해 DCTCP의 성능이 더 좋지는 않음을 보여준다. 특히 네트워크의 대칭성이 성립되지 않아 패킷의 순서가 바뀔 때에는 DCTCP의 성능이 오히려 낮음을 볼 수 있다.
링크에 장애가 발생하여 네트워크의 대칭성이 깨지면 DCTCP와 TCP-Reno 모두 시간당처리량이 저하된다. 특히 3개의 출발지-목적지 그룹들 중, S2에서 D2로 가는 플로우들의 시간당처리량이 많이 저하됨을 알 수 있다. 이는 S2-D2 패킷들이 대칭성이 깨진 다중경로를 따라 전송되므로 순서가 뒤바뀌어 도착하는 패킷이 생기게 되고 이로 인해 중복 ACK가 지속적으로 전송되기 때문이다.
인터넷에서 거의 고려되지 못했던 이 방식을 데이터센터 네트워크에서 사용하려는 이유는 높은 대역폭, 짧은 지연시간, 많은 다중경로 등의 특징을 갖는 데이터센터 네트워크의 방대한 자원을 효율적으로 이용하여 플로우들의 지연시간을 최대한 줄이기 위함이다. 특히 데이터센터 네트워크 토포로지의 대칭성은 다중경로를 통한 패킷단위 분산방식을 사용해도 기존의 TCP가 패킷순서 바뀜 현상으로 인해 성능이 저하되는 정도가 덜 심할 수 있다는 기대를 갖게 했다. 실제로^[4]에서는 네트워크 장애가 발생하지 않은, 대칭적 네트워크에서 다중경로에 걸쳐 패킷단위로 분산해도 기존의 TCP가 성능저하를 겪지 않음을 보여주었다.

후속연구

지금까지는 TCP자체가 패킷 순서 바뀜을 처리하는 방식보다는 네트워크 프로토콜 스택의 하위 계층 어디에선가 패킷순서를 다시 맞추는 방식이 많이 연구되었다. 그러나 TCP자체에서 순서 바뀐 패킷들을 처리할 수 있다면 네트워크 자원을 보다 효율적으로 활용할 수 있을 것이다. 이러한 이유로 DCTCP의 효율성을 유지하면서 순서 바뀐 패킷들의 수신시 갖게 되는 취약점을 보완할 수 있는 새로운 TCP의 개발이 필요하다고 볼 수 있다.
특히 네트워크의 대칭성이 성립되지 않아 패킷의 순서가 바뀔 때에는 DCTCP의 성능이 오히려 낮음을 볼 수 있다. 이러한 결과는 DCTCP가 패킷순서가 바뀌어 수신될 때의 문제를 스스로 해결할 수 있도록 개선되어야 할 필요를 보여준다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	다중 경로에 걸쳐 패킷단위로 분산하는 방식과 TCP가 양립하기 어려운 것으로 인식되온 이유는?	지금까지 다중 경로에 걸쳐 패킷단위로 분산하는 방식과 TCP는 양립하기 어려운 것으로 인식되어왔다. 패킷의 순서가 바뀌어 수신될 경우 발생하는 중복 ACK들을 TCP가 혼잡의 신호로 잘못 인식하여 불필요하게 전송률을 줄이기 때문이다. 그러나 데이터센터 네트워크의 대칭성과 낮은 지연시간 때문에 많은 연구자들은 패킷단위의 분산방식의 활용을 다시 고려하게 되었다.
	DCTCP는 무엇인가?	DCTCP는 기존의 TCP가 데이터센터 내부 네트워크에서 사용될 때 발생하는 문제들을 해결하기 위해 제안된 전송계층 프로토콜이다. 최근에는 데이터센터 네트워크에서 드물지 않게 혼잡이 발생하는 것으로 보고되고 있다.
	DCTCP는 어떻게 패킷의 손실을 줄이는가?	Google은 네트워크 활용률이 25%에 달할 때 혼잡으로 인한 패킷 손실이 발생한다고 보고하였다[3]. DCTCP는 스위치의 큐의 길이가 짧게 유지되게 함으로써 패킷의 손실을 줄이고자 한다. DCTCP는 RED와 ECN 비트 표시를 사용하는데, ECN으로 혼잡의 신호를 받았을 때에 혼잡윈도우를 기존 혼잡윈도우의 절반으로 줄이지 않고 혼잡의 정도, 즉 ECN 표시가 된 패킷들의 비율에 따라 혼잡윈도우를 줄이는 정도를 조절한다는 점이 주요 차이점이다.

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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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