매니코어 환경에서 네트워크 I/O 확장성 향상을 위한 코어 파티셔닝 = Core partitioning for improving network I/O scalability on manycore system|RISS 상세보기

국문 초록 (Abstract)

기존 운영체제는 NUMA 기반의 매니코어 시스템에서 작업량의 증가에 따른 확장성 문제를 보인다. 특히 네트워크 I/O 관점에서 캐시 일관성 비용과 lock 오버헤드 등은 네트워크 I/O 성능을 제한하는 주된 요인이다. 이러한 문제를 해결하기 위해서 기존 연구들은 마이크로 커널과 같은 새로운 커널 구조를 제안하거나, 커널 수준의 수정과 함께 새로운 프로그래밍 인터페이스를 구현하였다. 그러나 기존의 연구들은 응용 소프트웨어의 변경을 요구하기 때문에 이미 구현된 수많은 응용 소프트웨어를 그대로 사용할 수 없다는 단점을 가지고 있다.
본 논문에서는 응용 문맥과 시스템 호출 문맥의 수행 코어를 분리시켜 지역성을 극대화 하고, 소켓 간 캐시 일관성 활동 수를 줄일 수 있는 라이브러리를 제안한다. 제안된 라이브러리는 기존 커널이나 응용을 변경하지 않고 사용할 수 있다.
구현된 라이브러리는 응용 문맥과 시스템 호출 문맥간의 메시지 전달을 위해 프로세스 간 통신(IPC)을 사용하지만, TTCP 마이크로 벤치마크를 통해 IPC로 인한 부작용이 치명적이지 않음을 보인다. 응용 수준의 성능 분석을 위해서는 Apache와 Memcached의 네트워크 I/O 처리율을 측정하였다. 실험 결과 본 논문에서 제안한 라이브러리를 적용하였을 때 소켓 간 캐시 일관성 활동 수를 최대 60% 줄이고, 네트워크 처리량을 최대 35% 향상시킬 수 있음을 보인다.

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기존 운영체제는 NUMA 기반의 매니코어 시스템에서 작업량의 증가에 따른 확장성 문제를 보인다. 특히 네트워크 I/O 관점에서 캐시 일관성 비용과 lock 오버헤드 등은 네트워크 I/O 성능을 제한...

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Existing operating systems show scalability problems as the workload increases on NUMA-based manycore systems. Particularly, in the perspective of network I/O, cache consistency costs and locking overheads are the major reasons of limiting the network I/O performance. To resolve these issues, many studies have either suggested a new kernel architecture, such as microkernel, or implemented new programming interfaces with kernel modifications. However, these require to modify applications; thus, the numerous applications already implemented cannot directly benefit from these suggestions.
In this study, we propose the library that partitions the processor cores into one group for user contexts and the other for system-call contexts, which can maximize locality and reduce activities for inter-socket cache coherence. The proposed library does not require any modifications of the kernel and applications.
The implemented library uses inter-process communication (IPC) to exchange messages between user context and system-call context. However, by presenting TTCP micro-benchmark results, we show that the IPC overheads are not fatal to overall performance. To analyze the application-level performance, we measure the network I/O performance of Apache and Memcached. Experiment results show that our library can reduce activities for inter-socket cache coherence by up to 40% and improve the network throughput by up to 35%.

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목차 (Table of Contents)

제1장 서론 1
제2장 배경지식 3
제1절 매니코어 시스템에서 기존 운영체제 문제 3
1. 소켓 간 캐시 일관성 활동 4
제2절 관련 연구 7

제1장 서론 1
제2장 배경지식 3
제1절 매니코어 시스템에서 기존 운영체제 문제 3
1. 소켓 간 캐시 일관성 활동 4
제2절 관련 연구 7
1. TCP 프로세싱을 응용 수준에서 처리 7
2. 마이크로 커널과 같은 커널 구조 변경 8
3. 응용 수준에서 코어 친화도 적용 9
4. Shared Memory를 통한 시스템 호출 코어 분리 9
5. 패킷 프로세싱 파티셔닝 10
제3장 코어 파티셔닝 설계 및 구현 12
제1절 코어 파티셔닝 설계 12
제2절 코어 파티셔닝 구현 14
1. 라이브러리 재 정의 14
2. 메시지 전달을 위한 Syscall Thread 및 메시지 채널 생성 15
3. File descriptor 테이블 관리 18
4. select() 구현 20
5. fork() 구현 21
6. 함수 기능 설명 23
제4장 성능 측정 및 분석 26
제1절 마이크로 벤치마크 29
제2절 Apache 응용 32
제3절 Memcached 응용 35
제4절 응용 실험 확장 방향 38
제5장 결론 및 향후 계획 39
참고문헌 40
국문초록 42

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