[DPA] 데이터플레인 가속화 기술동향 (1)

# 데이터 플레인 가속화

: DPA, Data Plane Acceleration, 

: 고속 네트워크 패킷 처리를 위한 데이터 플레인 가속화

# 네트워크 패킷처리 소프트웨어

> 기존, 네트워크 패킷처리 구조를 분리

- 사용자단의 응용프로그램은 패킷전송을 위해 소켓을 생성하여 패킷 송신

- 커널단에서 프로토콜처리(TCP/UDP/IP)를 진행 후 사용자단으로 소켓을 통해 전달

> 현재, DPA 기술

- 기존서버의 고속 네트워크 패킷처리에 대한 문제를 해결하기 위함

- OpenOnLoad, Netmap, PF_RING, DPDK, ODP,..

- 네트워크 패킷을 커널영역을 통과하여 사용자단에서 직접 처리

- DpenOnLoad : NIC에서 응용네트워크 패킷의 헤더에 포함된 플로우 정보를 기반으로 사용자단으로 패킷을 직접 전달

- Netmap : 패킷 자원 사전할당, 다중패킷 처리기술, 커널과 사용자단 사이의 패킷에 대한 메타데이터 및 메모리 버퍼 공유 

- PF-RING : 고속 네트워크 패킷 캡처, 필터링 및 분석, DNA(Direct Nic Access)를 통한 고속네트워크패킷 처리

# Intel DPDK

: Data Plane Development Kit

- 사용자단의 (인텔 DPDK 라이버러리 API + EAL(Environment Abstraction Layer) ), 커널을 통과하여 NIC에 직접 액세스

- 최적화된 NIC 드라이버 제공

- Run-to-completion 모델(멀티프로세서 수와 데이터 플레인 성능 비례)

*주요기능

1. Memory Manager

: 메모리에서 객체들의 풀 할당

: huge 페이지 메모리 공간에 생성, ring 사용(사용가능 객체저장), DRAM채널에 균등 저장 

2. Buffer Manager

: 메모리 풀에 저장되는 고정 길이의 버퍼들을 사전 할당하여 관리 (액세스 시간 절약)

3. Queue Manager

: 기존의 spinlock대신 lockless 큐를 구현하여 사용

: 패킷을 병렬처리할 때 불필요한 대기시간을 절약

4. Flow Manager

: 인텔 스트리밍 SIMD 확장기술 이용, 네트워크 패킷 헤더에 대한 hash정보를 생성, 네트워크 패킷들이 동일 플로우에 할당

: 고속처리 가능

5. Poll Mode Driver

: 기존의 비동기식 인터럽트대신 최적화된 동기식 폴 모드 인터럽트 처리루틴 사용

# 인텔 DPDK 패킷처리 구조

1. Packet I/O Rx - NIC에서 전달된 패킷이 처리, NIC에 대한 폴 모드 드라이버를 포함

2. Packet Parser - 수신된 패킷에 대한 프로토콜 스택 식별, 유효성 검사

3. Packet Classification - 패킷을 트래픽 플로우 중 하나에 매핑, hash함수로 exact match테이블 lookup 수행, 

충돌방지를 위해 bucket로직을 사용하는 기능을 수행 

4. Policer - srTCM/trTCM 알고리즘사용, 패킷에대한 통계정보 수집

5. Load Balancer - 수신된 패킷을 응용프로그램에 분배, 각 응용 worker에 대한 트래픽 플로우의 친화도 유지, 플로우 내의 패킷순서 유지

6. Worker - 응용 프로그램 수행

7. Dropper - RED(Random Early Detection) 알고리즘 / Weighted RED 알고리즘 사용, congestion 관리 수행

현재 스케줄러의 큐로드 레벨, 패킷의 우선순위에 따라 패킷을 drop하는 기능 수행

8. Hierarchical Scheduler - 수천개의 leaf노드(큐)로 구성된 5개의 레벨에 대한 계층적 스케줄러 포함

a. 출력포트

b. 서브포트 - 트래픽 shapping

c. 파이프 - 트래픽 shapping

d. 트래픽 클래스 - 우선순위 적용

e. 각각의 파이프트래픽 클래스 내의 큐 - WRR(Weighted round Robin)알고리즘 적용

9. Packet I/O Tx - 다수의 NIC포트로 패킷을 송신