#1 개념

1-1. 문제점

  현대 어플리케이션의 네트워크 수요가 증가하는 상황에서 기존 네트워크 스택으로는 프로세싱으로 수요를 다 처리하는 것에는 한계가 있었다. 리눅스 파운데이션과 인텔, 레드햇, 시스코 등 여러 기술 기업들은 기존 네트워크 스택의 문제점을 해결하기 위해 새로운 네트워크 패킷 프로세싱 라이브러리 및 드라이버를 개발하는 프로젝트를 수행하였다.

  기존 네트워크 패킷 프로세싱은 다음과 같은 한계점들을 가지고 있었다.

- 컨텍스트 스위치 오버헤드: CPU는 드라이버를 통해 디바이스를 호출할 수 있으며, 패킷을 전달하기 위해 시스템 콜을 호출하도록 한다. 이러한 과정은 사용자 공간의 어플리케이션이 커널 공간으로의 컨텍스트 스위치가 발생하도록 하며, 이로 인한 오버헤드가 발생하게 된다.

- PCIe와 메모리 인터페이스 제한: CPU와 NIC 간의 데이터 전송은 주로 PCIe 인터페이스를 통해 이루어진다. CPU가 NIC으로 패킷을 전달하는 과정에서 여러 번의 데이터 복사가 발생하며, 인터페이스와 CPU의 처리 속도 차이에 의한 성능 제한이 발생한다.

- 멀티코어 활용 제한: 기존의 네트워크 스택은 멀티코어 프로세싱을 지원하기 위해 커널 레벨에서 코어 간 동기화를 위한 락을 사용한다. 하지만 락 오버헤드는 병렬 처리를 충분히 활용하지 못 하게 한다.

- 커널 오버헤드: 커널 공간에서 패킷을 처리할 때, 패킷은 IP 스택, TCP/UDP 스택, 소켓 인터페이스 등 여러 단계의 네트워크 스택을 거치게 된다. 이러한 스택 프로세싱을 거치는 과정에서 프로세싱의 지연 시간이 발생하게 된다. 또한, 커널의 스케줄링에 의해 패킷 프로세싱이 후순위로 배치되어 추가적인 지연이 발생할 수 있다.

1-2. 정의

  DPDK(Data Plane Development Kit)은 기존 네트워크 프로세싱의 문제들을 해결하기 위해 개발된 고성능, 저지연, 멀티코어 최적화 네트워킹 솔루션으로, 패킷 프로세싱을 위한 라이브러리 및 드라이버를 제공하는 오픈소스이다. DPDK는 패킷 프로세싱 과정을 사용자 공간으로 오프로딩하여 컨텍스트 스위치, 커널 오버헤드, 락 오버헤드를 해결하였다.

1-3. 원리

  DPDK는 다음과 같은 방법을 사용하여 패킷 프로세싱을 사용자 공간으로 오프로딩 하였다.

  • CPU 개입 없이 NIC에게 데이터를 전송하기 위해 DMA 활용
  • 어플리케이션이 사용자 공간에서 직접 드라이버를 사용하여 디바이스를 폴링 (UIO/VFIO)
  • 패킷 처리를 위한 버퍼, 큐 등을 사용자 공간 버퍼에 할당

#2 아키텍처

그림 1. DPDK Architecture

2-1. 컴포넌트

  • EAL (Environment Abstraction Layer): DPDK 애플리케이션과 하드웨어 간의 기본 인터페이스를 제공하여 운영 체제 및 하드웨어의 차이점에 대한 세부 사항을 추상화
  • Memory Management: 효율적인 패킷 처리에 필수적인 huge page, 메모리 풀 및 버퍼 관리 기능을 제공
  • PMDs (Poll Mode Drivers): 다양한 네트워크 인터페이스에 최적화된 드라이버로, 커널의 네트워크 스택을 바이패스하여 지연 시간을 줄이고 처리량을 증가
  • Ring Buffers: 프로세스 간 고속 통신을 위한 큐 버퍼
  • APIs for Packet Processing: 헤더 파싱, 패킷 분류 및 패킷 포워딩을 포함한 패킷 조작을 위한 일련의 함수 및 라이브러리
  • Crypto and Security: 암호화 및 보안을 지원하는 라이브러리 및 드라이버
  • Eventdev and Timers: 이벤트 중심 프로그래밍 및 시간 관리 기능을 위해 작업을 적시에 스케줄링하고 실행할 수 있도록 지원

2-2. 라이브러리

  • librte_eal: DPDK의 기본 API를 통해 메모리, 타이머 및 로그와 같은 하드웨어 리소스에 액세스
  • librte_mempool: 메모리 풀을 관리
  • librte_ring: Lock-free FIFO 큐 제공
  • librte_mbuf: 패킷 버퍼 처리
  • librte_ethdev: 이더넷 장치 구성 및 쿼리를 위한 API를 제공하며 패킷 송수신을 포함한 다양한 작업을 지원
  • librte_net: 네트워크 프로토콜을 처리하기 위한 Helper API를 제공
  • librte_ip_frag: IPv4 및 IPv6 모두를 지원하는 IP 패킷의 프레그멘테이션 및 리어셈블 지원
  • librte_kni: DPDK 응용 프로그램과 리눅스 커널 네트워킹 스택 간의 통신을 용이하게 하며, 주로 기존 리눅스 네트워크 서비스의 디버깅 또는 인터페이스에 사용

 

 

 

참고 문서

'컴퓨터 과학 > 네트워크' 카테고리의 다른 글

Network Packet RX (Host-NIC Interface)  (0) 2024.04.24

+ Recent posts

티스토리툴바