멀티코어 시스템을 위한 통신 프로세스의 동적 스케줄링

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Multi-core processors suggested for solving processor's heating and power consumption problems are getting widely used even in general PCs and mobile devices beyond high-end server systems. However, modern operating systems are yet to utilize multi-core processors in a very efficient way with respect to system throughput and resource utilization. To cope with this issue, we suggest a dynamic scheduling of I/O processes for multi-core system which decides an optimal processor affinity based on the processor cache layout, I/O intensiveness and processor loads. In this thesis, we especially focus on the networking I/O but the basic idea can be easily extended for disk I/O as well. In case of networking I/O, its performance can be optimized by placing networking processes on a core that runs the network protocol stacks due to cache effect. The recent releases of Linux kernel has a similar approach, but it does not consider ambiguous system states caused by competing between networking processes on the same core and using multiple network interfaces. We have measured the performance of suggested scheduling scheme on both SMP and NUMA systems. The experimental results present that the dynamic scheduling of networking processes implemented in the Linux kernel can improve the effectiveness of processor utilization more than 50%. Also it has shown that the scheduling scheme can improve network throughput more than 20% with less processor resources.

국문 초록 (Abstract)

프로세서의 발열과 전력소모 문제를 해결하기 위하여 등장한 멀티코어 시스템은 이제 그 사용영역이 고성능 서버를 넘어 일반 PC 및 모바일 플랫폼 영역까지 넘어서고 있으며 서버 시스템의 경우 Intel Clovertown 프로세서 계열의 SMP 시스템 및 AMD Opteron 프로세서 계열의 NUMA와 같은 하드웨어 시스템 구조로 나오고 있다. 이러한 멀티코어는 하드웨어 및 소프트웨어에 많은 발전을 이룰 기회를 제공하여 주지만 아직까지 기존 운영체제는 멀티코어의 구조적 특성을 반영한 효율적인 사용 환경을 제공하여 주지 못하고 있으며 멀티코어 프로세서를 기존의 다중 프로세서 환경과 같이 취급하고 있다. 이러한 문제로 인하여 멀티코어 시스템의 성능이 효과적으로 사용되어지지 못하고 있으므로 멀티코어 프로세서의 특성을 고려한 운영체제의 지원이 필요하다. 특히 멀티코어를 지원하는 운영체제의 관점에서 네트워크의 효율적인 성능은 운영체제의 중요한 관리의 대상이 되어야 한다. 네트워크의 경우 네트워크 데이터가 처리되는 코어를 프로세스에게 효과적으로 할당함으로서 캐쉬 효과를 극대화 시키는 방법이 있을 수 있다. 최신의 리눅스 커널에서도 이러한 접근 방식을 취하고 있지만 일반적으로 다수개의 통신 프로세스가 생기거나 다수개의 네트워크 인터페이스가 설치된 환경에서 효율적으로 운영하기 위한 방법까지 고려되어 있지는 않다. 본 논문에서는 통신을 수행하는 프로세스의 통신 집중도에 초점을 맞추어 각 통신 프로세스의 네트워크 연결 단위로 멀티코어 구조를 반영하여 가장 캐쉬 효과가 효율적인 프로세스 스케줄링 방법을 제안한다. 제안되는 통신 프로세스의 동적 스케줄링 방법은 시스템의 캐쉬 구조와 인터럽트 및 프로세스가 실행되는 코어를 조사하여 시스템 구조에 맞게 통신 프로세스의 실행 코어를 결정하고 통신 집중도에 따른 우선 스케줄링 대상을 선택함으로서 캐쉬 효과를 극대화 하여 통신 성능의 최적화를 이룬다. 구현된 통신 프로세스의 동적 스케줄링은 Intel Clovertown SMP 시스템과 AMD Opteron NUMA 시스템에서 효용성을 측정하였다. 측정 결과로서 통신 프로세스의 동적 스케줄링이 각각의 시스템 환경에서 50% 이상의 프로세서 사용률 절감 효과와 20% 이상의 네트워크 사용량 증가를 이끌어 냄을 확인 할 수 있다.

목차 (Table of Contents)

• 제1장 서론 = 1
• 제2장 배경지식 = 3
• 제1절 멀티코어 구조 = 3
• 1. Symmetric Multi Processors (SMP) = 3
• 2. Non Uniform Memory Access (NUMA) = 4
• 제2절 네트워크 구조 = 7
• 제3절 Chelsio T3 10GigE의 TCP/IP Offload Engine = 9
• 제4절 프로세서 친화도 = 11
• 제5절 가상화 = 13
• 제3장 멀티코어 시스템의 통신 성능 분석 = 15
• 제1절 네트워크 인터페이스에 따른 성능 분석 = 15
• 제2절 프로세서 친화도를 고려한 통신 성능 분석 = 18
• 제4장 통신 프로세스의 동적 스케줄링 = 21
• 제1절 통신 프로세스의 동적 스케줄링을 위한 설계 = 21
• 1. 전체 디자인 = 21
• 2. 통신 집중도 관측 = 22
• 가. 우선 스케줄링 대상 프로세스 선정 = 22
• 나. 프로세서 부하 한계 상황의 스케줄 제외대상 선정 = 23
• 다. 멀티 네트워크 인터페이스 환경에서 우선 네트워크 연결 설정 = 23
• 라. 통신 집중도의 평가 = 24
• 3. 시스템 정보 수집 = 25
• 4. 스케줄 결정 = 25
• 제2절 통신 프로세스의 동적 스케줄링 구현 = 27
• 제5장 성능 측정 및 분석 = 32
• 제1절 마이크로 벤치마크 성능 분석 = 32
• 제2절 10기가비트 이더넷 네트워크 성능 분석 = 39
• 제3절 통신 시나리오 성능 분석 = 42
• 제4절 WEB 벤치마크 성능 분석 = 45
• 제6장 향후 계획 = 48
• 제1절 가상화 환경의 적용 = 48
• 제2절 Nehalem 시스템의 적용 = 50
• 제7장 결론 = 52
• 참고문헌 = 53
• 국문초록 = 57