초록 ▼

연구의 목적 및 내용
본 연구의 주목적은 소프트웨어 기반의 고성능 패킷 처리 프레임워크인 SmartPortBox(이하 SPB로 칭함)를 만드는 것이다. 기존의 범용 CPU와 소프트웨어 기술만으로는 목표 성능을 달성하기 어렵기 때문에 본 연구에서는 그래픽 처리 장치(GPU) 및 벡터 연산 장치 (Intel Xeon Phi) 등을 활용하여 성능을 끌어올리는 연구를 진행하였다. 또한 이러한 하드웨어 가속 기술을 적용함과 동시에 소프트웨어의 추상화를 유지하여 다양한 네트워크 애플리케이션을 손쉽게 실행할 수 있는 프레임워크를 설계, 개

연구의 목적 및 내용
본 연구의 주목적은 소프트웨어 기반의 고성능 패킷 처리 프레임워크인 SmartPortBox(이하 SPB로 칭함)를 만드는 것이다. 기존의 범용 CPU와 소프트웨어 기술만으로는 목표 성능을 달성하기 어렵기 때문에 본 연구에서는 그래픽 처리 장치(GPU) 및 벡터 연산 장치 (Intel Xeon Phi) 등을 활용하여 성능을 끌어올리는 연구를 진행하였다. 또한 이러한 하드웨어 가속 기술을 적용함과 동시에 소프트웨어의 추상화를 유지하여 다양한 네트워크 애플리케이션을 손쉽게 실행할 수 있는 프레임워크를 설계, 개발하였다.

연구결과
본 연구에서 완성한 SPB는 기존의 Click 모듈화 라우터 (약 2Gbps 의 성능을 냄)와 동등한 손쉬운 설정 방법을 제공함과 동시에 GPU/Xeon Phi 등의 가속 하드웨어를 추상화하여 80Gbps 이상의 목표 성능을 이루었다. SPB의 핵심 기술로는 Network Balancing Act (CPU/GPU의 자동화된 부하 분산 알고리즘), Knapp (Xeon Phi 하드웨어를 패킷 처리 프레임워크로서 활용), NFV 환경에서 엔터프라이즈급 IPSec 암호화 게이트웨이를 구현한 Protego이 개발, 발표되었다. 또한 클라우드 환경에서 네트워크 기능 가상화(NFV)에서의 data plane 성능을 획기적으로 개선하는 프로그래밍 모델 및 분산 프레임워크인 S6는 연구 완료단계이다.

본 연구의 산물인 NBA(Network Balancing Act)와 Knapp은 Github 에 오픈소스화 되어 있고, NBA는 제 9회 공개 소프트웨어 개발자대회에서 금상을 수상하였고 연구 논문은 전산학분야 최우수 학술대회인 EuroSys 2015에서 최우수학생논문상을 수상하였다. 네트워크 추상화 연구를 통하여 부수적으로 개발된 교육용 네트워크 프레임워크 KENS 또한 제 9회 공개 소프트웨어 개발자대회에서 은상을 수상하였고 지난 3년 이상 KAIST의 전산망 개론 수업에서 실습 과제로 사용되고 있다. 이 외에도 연구 과정 중 얻은 산물인 40Gbps 네트워크 드라이버 등의 소프트웨어 기술들 또한 오픈소스로 공개되어 있다.

연구결과의 활용계획
NBA는 고성능 네트워크 패킷처리를 손쉽게 만들고 하드웨어 가속 기능을 자동으로 사용할 수 있게 하는 프레임워크로서, 추가 네트워크 기능들이 이 프레임워크 위에서 이루어질 수 있다. 또한 본 연구에서 얻어진 소프트웨어/하드웨어 기반 기술은 앞으로 FPGA 등의 추가적인 하드웨어 가속기술을 도입하는데 유용하게 사용될 것이다.

최근 클라우드 환경을 이용한 네트워크 기능 가상화(NFV)가 급부상하고 있다. NFV 에서는 네트워크 기능을 가상 환경에서 실행하고 부하에 따라 동적으로 자원을 관리하는 능력이 중시된다. 그러나 여전히 개별 네트워크 기능의 성능 또한 매우 중요하고 NBA, Knapp, Progeto, S6와 같은 네트워크 처리 성능 관련 요소 기술들은 꾸준히 활용될 것으로 예상한다 (NBA 피인용횟수 21회, Protego는 MS Azure에서 활용중).

(출처 : 요약문 4p)

Abstract ▼

Purpose&contents
The main goal of this project is to developr SmartPortBox, a software-based high-performance packet processing framework. In order to achieve high performance, we include heterogeneous accelerators, such as GPU and Intel Xeon Phi. On top of heterogeneous hardware accelerators, we

Purpose&contents
The main goal of this project is to developr SmartPortBox, a software-based high-performance packet processing framework. In order to achieve high performance, we include heterogeneous accelerators, such as GPU and Intel Xeon Phi. On top of heterogeneous hardware accelerators, we have designed and developed software abstractions to utilize the hardware features to their fullest and at the same time provide simple and easy interface for network function developers.

Result
At the core of SmartPortBox technology lies NBA and Knapp. NBA (Network Balancing Act) allows modularity and ease of configuration as in Click modular router (which outputs 2Gbps) and incorporated GPU and Xeon Phi to deliver 80Gbps performance. Knapp offers an abstract framework to use Xeon Phi as a packet processing accelerator. As NFV technologies are becoming a reality in datacenters, we have investigated performance improvement of IPsec gateways using NFV. Our Protego allows much improved resource utilization by separating control and data channels and scaling on-demand only data channels in IPsec gateways. A step further into performance improvement in NFV, more specifically data plane performance, our S6 delivers an order of magnitude performance improvement as well as well-defined programming abstractions.

We have made NBA and Knapp public on Githup. NBA won the gold prize in 9th Open Software Developers’ Competition and its paper won the Best Student Award at EuroSys 2015 (top conference in Computer Science). An educational networking framework KENS won the silver prize at the same 9th S/W Developers’ Competition and has been in use at KAIST network course for the past 3 years. We also have made public our research by-product, a 40Gbps Mellanox NIC device driver, by-product. network device driver.

Expected Contribution
NBA is a high-speed versatile packet processing platform. Network applications can be easily built on top of NBA, taking full advantage of perforamnce acceleration.
We expect NBA to be extended to include FPGA-based accelerators.

In cloud environments, dynamic load balancing of NFV is becoming a key issue.
NBA, Knapp, Protego, and S6 will continue to be integral key technologies in high-performance packet processing. For example, NBA has already been cited 21 times and Protego is about to be deployed in MS Azure operation.

(출처 : SUMMARY 5p)

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 목차 ... 2
• 연구계획 요약문 ... 3
• 연구결과 요약문 ... 4
• 한글요약문 ... 4
• SUMMARY ... 5
• 연구내용 및 결과 ... 6
• 1. 연구개발과제의 개요 ... 6
• 2. 국내외 기술개발 현황 ... 7
• 3. 연구수행 내용 및 결과 ... 8
• 4. 목표달성도 및 관련분야에의 기여도 ... 14
• 5. 연구결과의 활용계획 ... 17
• 6. 연구과정에서 수집한 해외 과학기술정보 ... 19
• 7. 주관연구책임자 대표적 연구실적 ... 20
• 8. 참고문헌 ... 21
• 9. 연구성과 ... 22
• 10. 국가과학기술지식정보서비스에 등록한 연구시설‧장비 현황 ... 26
• 11. 연구개발과제 수행에 따른 연구실 등의 안전조치 이행실적 ... 26
• 12. 기타사항 ... 27
• 별첨1 대표연구실적 ... 28
• 대 표 연 구 실 적 ... 28
• 대표적 연구실적 사본 ... 33
• 별첨2 세부 목표 관련 증빙 ... 42
• 끝페이지 ... 50