Wind River‘s Blog ⑦
자료제공 : 윈드리버 시스템스
www.windriver.com
공공 및 사설 네트워크가 점차 멀티레이어, 패킷 기반 네트워크로 전환되고 있다. 흔히 차세대 네트워크(NGN)로 불리는 이 새로운 네트워크에서는 기존에 제공되는 서비스들보다 더 새롭고 광범위한 서비스와 애플리케이션을 제공한다. 데이터 및 비디오를 위한 트래픽이 음성 및 기존 서비스를 위한 트래픽 사용량을 능가하고 있으며, 이러한 움직임은 모바일 영역에까지 확대되고 있기 때문에 증가하는 대역폭의 수요를 만족시키기 위해 IP 기반의 브로드밴드 기술이 사용되고 있는 추세이다. 이러한 새로운 네트워크 환경을 가능하게 하는 핵심은 바로 마이크로프로세서이다. 마이크로프로세서는 라우터, 스위치, 게이트웨이, 서버 등 모든 네트워크 요소들 중에서 핵심이라고 할 수 있다. 과거 프로세서 기술은 클록 속도의 증가, 프로세서 알고리즘의 최적화, 캐시 성능 개선 등의 방법을 통해 네트워크 대역폭 수요에 대응할 수 있었다. 하지만 더는 아니다. 프로세서 성능 개선을 위해 사용되었던 과거의 방식들은 네트워크 대역폭 증가를 해소하는 데 따르는 경제성을 감안한다면 이제 유효하다고 볼 수 없다.
다양한 네트워크 프로세서 기능에 대한 요구를 충족시키기 위해 멀티코어 프로세서 기술이 운영체제 소프트웨어 기술과 함께 통합 발전되고 있다. 이 글에서는 고성능 차세대 네트워크를 가능하게 하는 네트워크 프로세서 솔루션들과 이를 위해 고려해야 할 사항들에 대해 알아본다.
시장 동향
기존의 통신사들, 새로운 서비스 제공 업체들, 케이블 업체들은 일반 가정, 기업, 정부, 교육, 의료 업계 고객들에게 최저의 가격으로 신규 서비스와 대역폭을 제공하기 위해 경쟁하고 있다. 신규 서비스는, 비실시간 서비스에서 실시간 양방향 서비스로, 저대역폭에서 고대역폭으로, 그리고 미션 크리티컬 서비스에서 그렇지 않은 영역에 이르기까지 다양한 범위의 서비스를 제공해야 한다는 요건을 가지고 있다. 더욱이 패킷 기반 기술은 보안 및 도용, 혼잡 제어 등에 더욱 취약하기 때문에 이러한 위협 요소가 최종 사용자 서비스에 미치는 영향을 최소화하기 위해 고도의 보안 및 QoS 기능이 필요하다.
기업은 고객이 기대하는 성능, 안정성, 보안 요건을 충족시키면서 장비와 장비에서 소모하는 전력, 발열 문제 그리고 유지보수를 위한 비용 등과 같은 운용비용을 최소화 하여야 한다. 이러한 요구 사항을 만족시키기 위해 장비 제공 업체들은 최저 비용으로 유연성 있는 운용을 가능하게 하는 고성능 프로세싱이 가능한 멀티코어 프로세서 기술이 탑재된 네트워크 장비를 개발하고 있다.
이 새로운 고성능 요건을 만족시킬 수 있는 동력은 바로 그림 1에 표현된 NGN의 구현이다. NGN은 가정용, 모바일, 그리고 기업 고객들에게 기존 서비스 및 새로운 서비스를 모두 제공한다. 전송 계층을 통해 모든 고객은 메트로, 지역, 전국, 국제적 영역을 커버하는 서비스들과 상호 연결되며, 이러한 서비스들은 트래픽 패턴, 대역폭, 실시간성, 기술적 제약 및 총소유비용 등의 여건에 따라 다양하게 존재한다.
다음은 필요한 대역폭이 증가하는 원인에 대해 설명한다.
사용자별 대역폭(per-user bandwidth) 증가
지난 수십 년 동안 사용자별 대역폭은 과거 회선교환방식 전화망(64Kb/s)에서 오늘날 초고속 인터넷망으로 진화하면서 상당한 증가하였다. 음성, 비디오, 데이터 등의 멀티미디어 애플리케이션이 사용되면서 사용자별 대역폭이 기하급수적으로 증가하고 있다. 고화질을 제공하는 HDTV와 멀티캐스트 VOD 등은 비디오 스트림 당 6Mb/s가 필요하며, 스카이프(Skype)와 같은 비디오 전화, 유투브 같은 웹사이트는 별도로 1Mb/s에서 2Mb/s까지 필요하다. 한 가구당 평균 2.5대의 TV를 보유한다고 가정하면 가구당 대역폭 용량은 20Mpb/s에서 30Mb/s가 요구된다.
다양한 단말 장치의 증가
인터넷 연결을 필요로 하는 단말기의 수와 종류가 급속도로 증가하였다. 이는 아이폰, 블랙베리, 3스카이프폰 같은 모바일 멀티미디어 휴대 장치가 새로이 확산되면서 나타난 현상이다. WLAN은 호텔, 공항, 시티센터, 커피숍 같은 곳에서는 기본으로 제공되는 서비스로 자리 잡고 있으며, 이를 통해 사람들은 더욱 손쉽게 인터넷상에 접속할 수 있게 되었다. 시장 조사 기관인 아이서플라이 코퍼레이션(iSuppli Corporation)이 최근 발표한 보고서에 따르면 글로벌 IPTV와 같은 고대역폭을 요구하는 단말 사용자들은 매년 평균 40% 증가하여 2011년까지 가입자 수로 1억 300만 명에 이를 것이라고 한다.
특히 HDTV 보급률은 현재 15%에서 2011년 60%로 증가할 것으로 예상된다. 순수하게 향후 5년간 단말을 위해 사용되는 네트워크 트래픽양은 1000배 정도 증가할 것으로 보고 있다.
고용량 액세스 기술
트래픽 수요가 증가되는 또 다른 원인은 LTE(long-term evolution), 와이맥스(WiMAX) 및 FTTH(Fiber-to-the-home) 등과 같은 4G 무선 기술과 새로운 고용량 액세스 기술의 발전 덕분이다. 100Mb/s(DSL보다 약 200배 이상)를 초과하는 대역폭을 제공할 수 있는 FTTH 서비스는 연간 25% 증가하여 2011년 말이면 총 5900만 가입자에 도달할 것으로 보인다[1]. 70Mb/s 정도의 속도를 제공하는 와이맥스(IEEE 802.16)는 2010년까지 가입자 수가 1500만 명 이상으로 증가할 것으로 예상된다[2]. 그리고 100Mb/s대의 LTE는 2009년에 보급이 시작될 것이다. 이러한 4G 무선 접속 네트워크는 IP 네트워크 아키텍처를 기본으로 사용하고 있기 때문에 기존의 복잡한 액세스 계층 구조를 단순화 시켜 노드와 링크의 수를 줄일 수 있게 되는 반면 단위 링크 당 대역폭 요구량은 늘어나게 된다.
유사한 흐름이 기업 쪽에서도 나타나고 있다. 2010년까지 전자상거래는 40%가 증가하여 1000억 건의 거래가 이루어질 것으로 예상되고, CPU를 내장한 140억 개의 접속 기기들이 사용될 것이라고 모건 스탠리의 The trends지는 밝혔다. 기업 데이터 네트워크는 30여 년 동안 이더넷 네트워킹 기술이 장악해 왔다. 이제는 사실상 도처에서 볼 수 있는데 1983년 10Base-T에서 시작하여 1998년 1기가비트 이더넷, 2002년 10기가비트 이더넷으로 진화하였다. 이더넷은 LAN 시장만 장악한 것이 아니라 도시권 통신망인 MAN 시장과 광대역 통신망인 WAN 시장까지 확장되고 있다. 전용선 서비스로 1기가비트 이더넷이 제공되고, 코어망으로는 10기가비트 이더넷이 사용되고 있다.
서버 통합과 가상화
데이터 센터는 조직의 협업과 생산성을 향상시킬 수 있도록 도와주는 기업의 중요한 자산이다. 데이터 센터는 점점 규모가 커지고 구조는 복잡해지고 있다. IT 관리자의 입장에서는 자원을 덜 쓰면서 더 많은 성과를 내야 한다는 부담감을 가지게 되었고, 그 결과 자원을 통합하여 관리하는 추세로 변화하고 있다. 네트워크 가상화는 관리자로 하여금 모든 네트워크 자원을 하나의 풀로 모은 가상시스템 구축이 가능하도록 만들었으며 이를 통해 더욱 효과적으로 서비스와 애플리케이션을 제공할 수 있게 되었다. 이러한 기업 환경의 변화는 더 많은 트래픽이 데이터 센터로 집중되도록 만들고 있다.
성능 문제
앞에서 언급한 기술 트렌드는 네트워크가 그 전과 비교하여 더 많은 용량과 훨씬 빠른 속도로 다양한 작업을 처리하면서 그 비용은 낮아야 한다는 요구사항을 발생시킨다. 네트워크의 성능 문제는 네트워크의 종단에서 발생하는 것이 아니다. AT&T 그룹 회장인 존 스탠키가 지적했듯이 "망의 액세스 부분에서 속도가 결정되는 것이 아니다. 고객이 실제로 경험하는 속도는 네트워크에서 가장 속도가 느린 부분에 의해 결정된다". 달리 말하면 네트워크의 속도는 네트워크 전체의 모든 노드로부터 영향을 받는다는 의미가 된다. 최악의 정체가 예상되는 노드는 액세스-메트로가 모인 부분(Access-metro aggregation)과 서버 액세스 포인트 부분이다.
서비스 제공 업체들이 기존의 네트워크를 교체하고 확장하는 경우 업체들은 성능 요구를 수용하면서 동시에 최종 사용자의 QoE(Quality of Experience) 기대치를 만족시킬 수 있도록 계획하여야 한다. 단순히 네트워크 링크와 노드를 추가하거나, 특히 액세스 쪽의 노드를 추가하여 정체 현상을 줄이려는 방법은 너무나 많은 비용이 소요된다. QoS와 CoS(Class of Service) 메커니즘을 활용하여 트래픽 종류에 따라 성능을 최적화 시킬 수는 있겠지만 내재된 링크와 노드 사이의 문제점을 근본적으로 해결할 수는 없으며 성능 대비 비용에 한계가 있을 수밖에 없다.
링크와 노드 성능은 네트워크 프로세서의 디자인에 의해 결정된다. 과거 싱글 프로세스 환경에서는 네트워크 대역폭 증가를 수용하기 위해 프로세서의 클록 속도 증대, 프로세서 알고리즘 최적화, 캐시 사이즈 증가 및 CPU 캐시의 향상 등을 통해 가능할 수 있었다.
하지만 이러한 전략은 정체기를 맞았다. 마이크로프로세서의 트랜지스터 집적도는 계속 증가하고 있지만 클록 주파수 증가를 통한 성능 향상은 난관에 봉착했다. 전력 소모와 발열에 따른 제약이 있기 때문이다. 그 결과 싱글 마이크로프로세서 기술은 10Gb/s 대역폭을 요구하는 성능 요건을 만족할 수 없게 됐다. 멀티프로세스의 사용은 성능 문제를 개선할 수는 있지만 동시에 비용이 동반된다. 멀티프로세서 솔루션은 더 많은 물리적 공간을 필요로 하며, 전력 소모가 크고, 더 많은 네트워크 관리 노력이 요구된다.
멀티코어 기술과 가격 성능 개선
멀티코어 프로세서 기술(다이당 두 개 이상의 프로세서)은 고성능을 필요로 하는 네트워킹 기능에 적합한 성능을 제공할 수 있다. 이 기술은 다수의 싱글 프로세서를 사용하는 솔루션에 비하여 고성능 프로세싱, 효율적인 전력 사용, 회로판 면적 축소 등의 장점이 있다.
멀티코어의 성능 증대 효과와 우수한 확장성을 활용하기 위해서는 장비 벤더들이 네트워크 노드를 개발하는 방식에 상당한 변화가 요구된다. 멀티코어 프로세서로의 전환은 싱글코어와 멀티코어의 차이가 나는 만큼 그에 합당한 OS와 애플리케이션의 변화는 불가피하다.
특히 병렬 소프트웨어를 활용하여 멀티코어 프로세서의 수행 능력을 극대화하기위해서는 이러한 변화는 필수적이다.
멀티코어 소프트웨어 개발의 어려움
개발자들은 진정한 병렬 프로그래밍 환경에 적응해야 한다. 멀티코어 기술을 제대로 활용하기 위해서는 시스템 소프트웨어가 병렬 프로세스를 어느 정도 지원할 수 있는지, 또는 지원 가능하도록 변경 가능한지에 대한 것들이 성능 개선을 위한 주요 인자임을 알아야 한다.
이러한 변경 사항들로 인해 싱글 프로세서 모델에 비해 멀티코어 프로세서 모델에서는 소프트웨어의 복잡성이 증가할 수 있다. 하지만 이는 새로운 멀티코어 프로세서가 제공하는 기능을 사용하기 위해서 필수적인 것들이다.
이 새로운 컴퓨팅 환경에서 다양한 구성으로 사용할 수 있도록 높은 확장성을 제공하기 위해서는 장애 및 변경 관리 등과 같은 기능을 유연하게 배분, 사용할 수 있는 새로운 컴퓨팅 아키텍처를 필요하다. 이와 같은 기능을 제공하기 위해 복잡성은 증가될 것이며, 시스템 품질과 안정성, 시장 출시 시간(TTM), 개발 비용 등의 증가로 인해 궁극적으로 시장에서의 성공까지 위협받을 수도 있게 된다.
더욱이 장비 제공 업체는 새로운 개발 기반을 바탕으로 기존의 제품에서부터 새로운 제품에 이르기까지 전 분야에서 순조로운 마이그레이션을 필요로 한다. 그렇게 해야만 멀티코어가 보장하는 고성능의 목표를 자사 제품에 비용 효과적이고 예상 가능한 형태로 적용시킬 수 있게 된다.
멀티코어 소프트웨어 솔루션
멀티코어 소프트웨어 솔루션들은 멀티코어를 적용하면서 발생하는 문제들을 해결하기 위해 개발되고 있다. 운영체제와 개발 환경 및 각종 툴로 구성된 소프트웨어 시스템은 병렬 프로그래밍을 지원할 수 있어야 하고 광범위한 컴퓨팅 아키텍처를 제공할 수 있어야 한다. 아울러 멀티코어 소프트웨어 솔루션들은 다음의 요구 사항들을 만족할 수 있어야 한다.
쪾 SMP(대칭형 멀티프로세싱)과 AMP(비대칭 멀티 프로세싱)의 유연한 결합 지원 SMP 아키텍처는 작업을 공유하는 여러 개의 동일한 프로세서로 구성되어 있는 반면, AMP 아키텍처는 각각에 독립적으로 할당된 태스크를 수행하는 여러 개의 독립 프로세서로 구성되어 있다.
쪾 컴퓨팅 자원의 추상화를 통해 디자인 단순화, 프로세서 자원 사용의 효율성 증대, 그리고 유연한 구성 등을 가능하게 하는 멀티코어 소프트웨어 가상화 기법.
쪾 개발 비용 감소와 time-to-market 시간을 단축시키기 위해 필요한 재사용이 가능한 모듈화 된 소프트웨어 컴포넌트.
쪾 고안정성, 강건성(robustness), 세밀한 관리(granular), 지역적 특성, 인서비스(in-service) 소프트웨어 업그레이드를 위한 포괄적인 장애 관리 기능
쪾 멀티코어 소프트웨어 솔루션과 유연한 구성을 가능하게 하는 통합 개발 환경(IDE) 및 개발 툴
쪾 싱글코어 프로세서에 기반 한 기존 소프트웨어를 위험성을 최소로 하여 마이그레이션 할 수 있는 방법 첫 단계에서는 마치 여러 개의 싱글코어인 것처럼 멀티코어를 사용하는 AMP 솔루션을 이용하고, 그 뒤는 SMP, AMP, 가상화의 혼합 모델을 사용함.
윈드리버 멀티코어 솔루션
윈드리버의 멀티코어 소프트웨어 솔루션은 멀티코어 프로세싱과 가상화를 활용하며 다음과 같이 구성된다.
쪾 재사용이 가능한 모듈화 된 운영체제 컴포넌트. 이는 인텔, 프리스케일, 캐비엄 네트워크, RMI 등의 멀티코어 프로세서에 최적화되어 있음.
쪾 멀티코어 프로세서 상에서 운영체제 구성 방식을 조정 가능하게 하는 하이퍼바이저 레이어(Hypervisor layer)
쪾 네트워킹를 지원하기 위해 필요한 프로토콜 스택과 관련 구성 요소들
윈드리버 솔루션은 SMP, AMP, 가상화 기법을 사용하며 멀티코어 상에서 유연하게 소프트웨어를 구성하고 결합하는 것이 가능하도록 한다. 윈드리버 운영체제에는 실시간 OS인 VxWorks, CGL(Carrier Grade Linux)를 포함한다. 추가로 6Wind의 네트워크 스택을 포함할 수도 있는데, 이 스택은 효율적인 패킷 포워딩에 최적화되어 있다. 특히 6Wind의 네트워크 스택은 유입 패킷을 빠른 경로 혹은 느린 경로로 선택적으로 패킷 포워딩을 수행함으로써 패킷 포워딩 가속화 애플리케이션에 최적화돼 있다. 이 기술을 통해 상당히 개선된 네트워크 성능을 제공한다.
그림 2는 예시로 든 멀티코어 구성이다. SMP 모드에서 운영되는 단일 운영체제 방식을 비롯하여 여러 개의 운영체제를 여러 프로세서에서 구동시키는 방식도 가능하다. SMP 모드에서 코어는 시스템 메모리를 사용하고 컴퓨팅 부하를 공유한다. AMP 모드에서 코어는 특정 작업이 주어지며 더욱 독립적으로 운영된다. 고속 통신 기능은 SMP 모드에서 태스크 간에 동기화를 위해 필요한 프로세싱 오버헤드를 최소화시키고, AMP 모드에서는 태스크들 간에 필요한 커뮤니케이션 프로세싱 오버헤드를 최소화한다.
복합 구성에서는 일부 코어는 특정 작업만을 수행하도록 할당하고, 나머지 코어는 일반 모드로 운영되도록 할당할 수도 있다. 이 솔루션은 여러 개의 운영체제, 멀티태스크, 멀티스레드를 동시에 운영할 수도 있다. 멀티태스킹은 각 코어에서 각각의 태스크가 병렬로 실행되는 것이고, 멀티스레딩은 하나의 프로그램 내에서 여러 작업이 병렬로 실행되는 것이다. 윈드리버의 가상화 소프트웨어는 하이퍼바이저 기능이 포함돼 있다. 이를 이용할 경우 실시간 운영체제와 범용 운영체제를 혼합하여 멀티코어에서 동시에 운영할 수 있다.
윈드리버는 현재 VxWorks와 윈드리버 리눅스를 다양한 구성의 SMP/AMP 모드에서 지원한다. 윈드리버의 하이퍼바이저는 부하 관리 및 각 운영체제 간의 메모리 보호, 전체 시스템 재부팅 없이 장애가 발생한 코어만 재부팅할 수 있는 기능을 제공한다.
결론
앞서 설명한 시장 동향, 문제점, 솔루션을 통하여 현재 부상하고 있는 고성능 차세대 네트워크에 멀티코어가 미치는 영향 및 그 필요성에 대해 설명하였다. 장비 개발자는 이러한 브로드밴드 네트워크의 성능 요구를 만족시키기 위해 확장 가능한 고성능 컴퓨팅 플랫폼을 필요로 한다.
윈드리버 솔루션이 제공하는 모듈화 된 소프트웨어 기법과 개발 환경은 고성능의 통신 장비 개발에 이상적인 구성 요소라고 할 수 있다. 윈드리버 솔루션은 장비 제조업체들이 빠른 시간 내에 적은 리스크로 시장에서 차별화할 수 있는 강력한 솔루션을 제공할 수 있도록 한다.
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