소프트웨어 기반 TOE의 구현
TOE 구현을 위한 호스트 커널의 수정
TOE를 사용하기 위해서는 호스트 커널의 수정이 필요하다. 아래 [그림2]에서 보듯이 호스트의 사용자 응용 프로그램에서 소켓 라이브러리의 함수를 호출하면 그 명령은 일반적으로 호스트에서 TCP/IP를 처리할 경우, BSD 소켓 계층, INET 소켓 계층, TCP/IP 계층을 거쳐 디바이스 계층으로 전달되게 되어있다. 하지만 TOE를 사용하는 환경에서는 BSD 계층에서 TOE를 사용하는 지, 사용하지 않은 지를 판별하여 INET, TCP/IP 계층을 거치지 않고 디바이스 계층으로 바로 전달할 필요가 있다.
본 논문에서는 위와 같은 이유로 호스트 커널인 2.4.27 버전의 리눅스 커널을 수정하였다. 이러한 수정으로서 기존의 소켓 응용 프로그램은 소켓을 생성하는 socket()함수의 인자로 TOE만 정의하기만 하면 TOE 기능을 사용할 수 있게 된다. 여기서 다른 나머지 함수들의 수정을 필요하지 않다. TOE를 이용하는 코드들은 디바이스 계층에 구현된 소켓 함수들을 직접 호출하고 그 결과를 돌려 받게 된다.
[그림 2] TOE를 사용하기 위한 호스트 커널의 수정
TOE의 구현을 위한 소켓 라이브러리의 분류
TOE의 구현을 위해서 소켓 라이브러리를 분류하면 아래 [그림3]과 같이 두 가지 종류로 나눌 수 있다. 첫째는 서버 측과 클라이언트 측의 연결을 담당하는 연결 관련 함수가 있고, 둘째는 데이터를 송수신하기 위한 데이터 전송 함수가 있다.
[그림 3] 소켓라이브러리의 분류
다음에 설명될 소프트웨어 기반 TOE의 구현에서는 이러한 분류방식에 따라서 그 동작방식을 결정하고 있다.
임베디드 리눅스를 이용한 TOE의 구현
다음 [그림4]는 임베디드 리눅스를 이용하여 TOE를 구현하는 데 있어서, 연결과 관련된 함수들의 처리과정을 보이고 있다. 소켓을 생성하는 함수인 socket()의 처리과정을 통해서 그 동작을 살펴보겠다. 나머지 연결관련 함수들의 동작은 socket()과 같다.
[그림 4] 임베디드 운영체제를 이용한 TOE의 구현
(연결 관련 함수 처리)
[그림4]에서 보듯이 TOE가 구현된 임베디드 시스템 영역은 실제 소켓라이브러리 코드를 수행하는 임베디드 응용 프로그램과 인터럽트 처리와 호스트와의 인터페이스를 담당하는 임베디드 커널 모듈로 나뉘게 된다.
동작 방식은 다음과 같다. 먼저 사용자 프로그램이 socket()을 호출하면, BSD 소켓 계층을 거쳐 디바이스 드라이버의 toe_socket()이 호출된다 ①. toe_socket()은 인터럽트와 함께 socket()의 인자를 임베디드 시스템에 전달하고 자신은 대기 상태에 접어든다 ②. 인터럽트를 받은 임베디드 커널 모듈은 인터럽트 핸들러를 통해서 이전에 대기하고 있던 임베디드 응용프로그램을 깨운다 ③. 대기상태에서 깨어난 임베디드 응용프로그램은 실제 socket() 처리 코드를 수행한다 ④. socket()을 처리하고 나온 반환값을 ioctl()을 통해서 임베디드 커널 모듈로 전달한다 ⑤. 임데디드 커널 모듈의 ioctl()은 인터럽트를 통해서 결과값을 호스트 측으로 전달한다 ⑥. 인터럽트를 전달받은 호스트 측의 인터럽트 핸들러는 대기 상태에 있는 toe_socket()을 깨우고, 대기 상태에서 벗어난 toe_socket()함수는 결과값을 사용자 응용프로그램 영역에 전달하여 그 동작이 완료된다 ⑦.
다음 [그림5]은 임베디드 리눅스를 이용하여 TOE를 구현하는 데 있어서, 데이터 전송 함수들의 처리과정을 보이고 있다. 데이터 송신 함수 send()의 처리과정을 통해서 그 동작을 살펴보겠다. 나머지 연결관련 함수들의 동작은 send()과 같다.
[그림 5] 임베디드 운영체제를 이용한 TOE의 구현
(데이터 전송 함수 처리)
데이터 전송 함수의 처리 방식은 위의 연결관련 함수 처리방식과 거의 유사하다. 단지 사용자 영역 메모리의 내용을 임베디드 시스템에 전달하기 위하여 2가지 작업이 추가 된다. 사용자 영역 메모리의 내용을 임베디드 시스템이 DMA하기 위하여 디바이스 드라이버 계층에서 사용자 영역 메모리를 물리적인 주소로 변환하는 작업과 임베디드 시스템에서의 DMA 작업이 그것이다.
이러한 임베디드 리눅스를 이용한 TOE의 성능은 실험결과 운영체제의 사용으로 인한 오버헤드로 인하여 좋은 성능이 나오지 않았다. 그러한 오버헤드는 임베디드 응용프로그램과 커널 모듈간의 context switch와 대기 상태로의 진입, 대기 상태를 빠져나오는 작업이 될 수 있다. 본 논문에서는 이러한 오버헤드를 해결하기 위한 방법으로 운영체제를 사용하지 않고 전용 프로그램을 개발하여 TOE를 구현하는 방법을 사용하였다. 이러한 구현에서 TCP/IP를 처리하기 위한 코드로서 lwIP를 사용하였다.
운영체제 없이 lwIP를 이용한 TOE의 구현
다음의 [그림6]과 [그림7]은 운영체제를 사용하지 않고 lwIP를 이용하여 TOE를 구현했을 때 각 함수들을 어떻게 처리하는지를 보여주고 있다.
연결과 관련된 함수들의 처리는 다음과 같다.
[그림 6] 운영체제 없이 lwIP 이용한 TOE의 구현
(연결 관련 함수 처리)
데이터 전송과 관련된 함수들의 처리는 다음과 같다.
[그림 7] 운영체제 없이 lwIP 이용한 TOE의 구현
(데이터 전송 함수 처리)
위의 그림에서도 알 수 있듯이, 운영체제를 사용하지 않는 환경에서는 앞선 임베디드 운영체제를 사용하여 TOE에서와는 달리 임베디드 시스템 영역은 임베디드 응용 프로그램 하나로만 구성되어 있다. 그리고 대기 상태로 접어드는 작업과 이를 깨우는 작업이 없다. 그렇기 때무에 임베디드 운영체제를 이용한 TOE에서 지적한 OS 사용으로 인한 오버헤드는 존재하지 않는다.
lwIP를 이용한 TOE의 성능 향상을 위한 lwIP의 성능개선
1. lwIP의 인자 설정의 수정: lwIP는 메모리 사용량을 최소화하도록 개발되었기 때문에 송수신 버퍼의 크기, 윈도우의 크기, 세그먼트의 크기 등이 작은 값으로 설정되어 있다. 충분한 성능을 내기 위해서는 이러한 인자들을 상향 설정할 필요가 있어, 본 논문에서는 실험을 통해 적절한 값을 찾아내어 상향 설정 하였다.
2. 메모리 복사의 제거: lwIP는 수신 패킷을 저장하고 있는 디바이스 드라이버 측의 버퍼에서 lwIP 전용 패킷 버퍼 구조체로 복사하도록 구현되어 있다. 본 논문에서는 이더넷 장치에서 lwIP 전용버퍼로 중간에 복사 없이 바로 DMA하도록 수정하였다.
[그림 8] TOE의 성능 향상을 위한 lwIP의 메모리 복사 제거
3. lwIP의 ACK 전송 방식의 수정: lwIP는 데이터 패킷을 받으면 ACK를 바로 상대 노드에게 전송하도록 구현되어있다. 좀 더 효율적으로 ACK를 전송하고자 지연 ACK방식을 사용하도록 lwIP를 수정하였다.
[그림 9] TOE의 성능 향상을 위한 lwIP의 ACK 전송 방식 수정
소프트웨어 기반 TOE를 구현하기 위한 개발 환경
본 논문에서는 소프트웨어 기반 TOE를 개발하기 위하여, Cyclone사의 PCI-730 임베디드 시스템을 사용하였다.
[그림 10] PCI-730의 블록 다이어그램