For high performance computer systems to keep up with rapidly growing network speed, we propose an Intel IXP1200 network processor based network protocol offload engine. The critical paths of network protocols, which have been implemented in software so far, are remodeled and re-implemented in dedicated packet processing engines of the network processor. These critical paths such as packet copying, checksum calculation and verification have been performance bottlenecks of computer systems. As well as the performance enhancement, the proposed approach is also flexible in the sense that the offload engine codes are reusable and easily modifiable. We evaluate the performance of the offload engine by implementing it on a Linux machine equipped with Intel IXP1200 PCI gigabit network interface card.
인터넷 서비스 제공자는 최근 인터넷의 급성장과 함께 다수의 사용자에게 동시에 다양한 서비스를 제공해야 하는 환경을 맞이하게 되었다. 특히, 멀티미디어 서비스가 주요 서비스로 자리 잡은 네트워크 환경에서 고속의 패킷 처리를 필요로 하는 초고속 네트워킹 서비스가 필수로 인식되고 있다. 또한, 다양한 수용자의 요구에 맞는 프로토콜 처리를 위한 유연성 있는 네트워킹 서비스도 필수적이다. 본 논문에서는 차세대 멀티미디어 스트리밍 서비스를 위한 초고속 데이터 처리를 위한 네트워크 정합장치 구현에 주안점을 두었다. 초고속의 네트워크 서비스를 제공하기 위해서 최근 몇 년간 네트워킹 기술은 빠르게 발전해 왔으며 현재는 기가급의 이더넷이 서버에서는 보편적으로 사용되고 있으며, 수십기가급의 이더넷도 활발이 개발되고 있다. 이러한 네트워크의 속도 증가 추세가 CPU의 처리속도의 증가추세를 추월하게 됨으로 인해 서버와 같은 네트워크 종단 시스템의 네트워크 정합부분에 병목현상을 초래하게 되었다. 특히 고품질의 멀티미디어 서비스를 동시에 많은 다수의 사용자에게 제공해야하는 종단의 멀티미디어 서버에는 이러한 병목현상이 보다 심각하다. 이러한 병목현상의 주요 원인은 기존의 네트워크 프로토콜이 운영체제의 일부로 구현되고 있는데 기인한다. 즉, 운영체제는 네트워크 패킷을 처리하기 위하여 메모리내의 빈번한 복사와 체크섬 등 각종 프로토콜 처리부분을 위한 오버로드를 가지게 된다. 이러한 네트워크 I/O에 소요되는 오버로드를 줄이기 위한 네트워크 정합 기술은 크게 두 가지의 접근 방법이 있는데 방법이 있는데, 하나는 jumbo frame, TCP segmentation, Copy On Write, Virtual Interface Architecture 등 새로운 소프트웨어 기법을 이용한 방법이고, 다른 하나는 프로토콜 처리부를 네트워크 정합장치에 ASIC등을 이용하여 구현하는 하드웨어적인 방법이 있다. 이 두 가지의 방법의 공통점은 운영체제의 간섭 없이 데이터를 네트워크 정합장치에서 사용자 응용프로그램으로 바로 전달해 메모리 복사를 줄이고자하는 제로카피의 실현하는 데 있다. 하지만, 소프트웨어 기법을 통한 많은 연구결과로 인해 실제적인 성능향상을 보이고 있으나 소프트웨어적 개선 자체만으로는 한계가 있다고 인식되고 있으며, 대안으로 하드웨어를 이용한 성능 향상 연구가 많이 진행되고 있다. 하드웨어를 통한 네트워크 정합 성능 개선의 경우, 프로토콜 처리를 담당하는 ASIC(TCP/IP칩)이나 SoC(System on Chip)를 탑재한 네트워크 정합장치가 하는 방식으로 구현되고 있다. 이렇게 하드웨어로 구성된 프로토콜 처리부를 프로토콜 offload engine 이라고 부른다. ASIC은 빠르다는 장점을 가지고 있으나 한 번 개발되면 그 구조 변경이 어렵다는 단점을 가지고 있으며, SoC를 이용한 방법은 유연성을 가지며 별도의 RISC엔진을 가지는 형태로 진화하고 있으며 본 논문에서 구현 시 사용한 네트워크 프로세서의 형태와 유사한 모습을 가지고 있는 것이 특징이다. 네트워크 프로세서는 다수의 독립적인 RISC 구조의 패킷처리 전용 프로세서로 구성되어 있고, 각각은 병렬적으로 그리고 파이프라인 방식으로 동작하여 고속의 패킷처리를 가능하게 하며, 또한 재 프로그래밍으로 용도를 다양하게 변경 시킬 수 있는 유연성을 제공하는 특징을 가진다. 본 논문에서는 이러한 네트워크 프로세서를 사용하여, 서버의 프로세서에서 소프트웨어적으로 수행되던 네트워크 프로토콜을 네트워크 프로세서를 탑재한 인터넷 정합 장치로 이동함으로써 서버의 네트워크 I/O에 소요되는 부하를 줄임으로써 네트워크 트래픽 처리속도를 최대한 증가 시키고자 하였고, 인터넷차세대 멀티미디어 서버등에 사용될 리눅스 기반 고성능/대용량 인터넷 정합 장치 기술을 개발하고 성능을 측정하고자 하였다. 이를 위해 다른 네트워크 프로세서에 비해 프로그램성이 제일 높은 프로세서인 인텔의 IXP1200 네트워크 프로세서를 사용 하였다. 본 논문에서는 구현을 위하여 1Gbps급 이더넷용 멀티모드 광 포트 한 개를 가지는 IXP1200 탑재 네트워크 보드를 사용하였고, IXP1200 네트워크 프로세서의 6개 마이크로엔진과 StrongArm 프로세서를 활용하여 최대한의 패킷 처리 능력을 낼 수 있도록 하기위하여 네트워크 프로토콜의 소프트웨어로 수행되던 많은 부분들을 마이크로 엔진 또는 StrongArm 프로세서에서 수행하도록 설계하여 네트워크 인터페이스와 서버간의 병목 현상을 최대한 줄이도록 구현하였으며, 또한 개발한 시스템의 구조와 기술들은 향후 IXP2400, IXP2800을 고려하여 설계하였다.
