• 한국정보과학회논문지:시스템및이론
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• 제32권6호
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• pp.296-305
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• 2005

기존의 컴퓨터 시스템에서는 인터넷의 대표적인 프로토콜인 TCP/IP가 호스트 CPU에서 처리되는데, 이는 호스트 CPU에 많은 부하(load)를 발생시켜 전체 시스템의 성능을 저하시키는 문제를 야기한다. 최근 이러한 문제점을 해결하는 방안으로서 네트워크 어댑터에서 TCP/IP를 처리하는 TCP/IP Offload Engine(TOE)에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 본 논문에서는 Linux 운영체제에 내장된 TCP/IP 프로토콜 스택의 구조를 분석하고, 통신을 수행할 때 프로토콜 스택의 각 함수에서 소모되는 시간을 측정하여 호스트 CPU에 부하를 발생시키는 주 요인을 분석하였다. 이러한 분석을 바탕으로 CPU에 많은 부하를 발생시키는 기능은 하드웨어로 구현하고 나머지 기능들은 소프트웨어로 구현하는 Hybrid TOE 구조를 제안한다.

• 한국정보과학회논문지:컴퓨팅의 실제 및 레터
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• 제14권4호
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• pp.369-377
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• 2008

최근 이더넷 기술은 기가비트급의 대역폭을 넘어서 10 기가비트급으로 빠른 속도로 발전하고 있다. 이러한 고속 네트워크 환경에서는 호스트 CPU가 운영체제내의 TCP/IP를 처리하는 기존의 방식은 호스트 CPU에 많은 부하를 야기하며, 그 결과 실제 수행되어야 할 사용자 응용 프로그램에 충분한 컴퓨팅 파워를 제공하지 못한다. 이러한 문제점의 해결을 위해 네트워크 어댑터에서 TCP/IP를 처리하도록 하는 TCP/IP Offload Engine(TOE)이 연구되고 있다. 본 논문에서는 TOE를 위한 고성능의 경량 TCP/IP를 구현하였으며, 이를 임베디드 시스템에 실제 적용하여 검증 및 실험을 수행하였다. 본 논문에서 구현한 고성능의 경량 TCP/IP는 기존 TCP/IP의 기본적인 기능들인 흐름제어, 혼잡제어, 재전송, 지연 ACK, Out-of-Order 패킷처리 등을 지원한다. 또한 본 논문에서 구현한 고성능의 경량 TCP/IP는 기가비트 이더넷 MAC에서 하드웨어적으로 지원하는 TCP segmentation offload(TSO), Checksum offload(CSO), 인터럽트 coalescing 기능 둥을 이용하도록 구현하였다. 그리고 데이타를 전송할 때, 호스트 사용자 메모리에서 네트워크 어댑터의 메모리로 데이타를 복사하는 부하를 제거하였다. 또한 재전송해야 할 경우를 대비해 전송한 데이타에 대한 복사본을 네트워크 어댑터의 메모리에 저장하는 방법을 개선하여 지연시간 및 대역폭 성능을 향상시켰다. 본 논문에서 구현한 고성능의 경량 TCP/IP를 이용한 소프트웨어 기반 TOE는 6% 이하의 호스트 CPU 사용률과 453Mbps의 최대 대역폭을 보인다.

• 한국정보과학회:학술대회논문집
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• 한국정보과학회 2005년도 가을 학술발표논문집 Vol.32 No.2 (1)
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• pp.997-999
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• 2005

기가비트의 속도를 넘는 고속 네트워크상에서 TCP/IP를 사용할 경우 호스트 CPU에서 TCP/IP를 처리하는데 많은 부하가 발생한다. 이러한 문제를 해결하기 위해 최근 네트워크 어댑터에서 TCP/IP를 처리하는 TCP/IP Offload Engine(TOE)에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 본 연구에서는 임베디드 시스템에 리눅스를 사용하여, TOE와 Remote Direct Memory Access(RDMA) 메커니즘을 구현하였고 그 동작 방식을 보인다. 실험을 통해 구현된 메커니즘들을 검증하였으며, 각 구간별로 소요시간을 측정하였다. 본 논문에서는 이러한 실험 결과를 바탕으로, 추후 기가비트 환경에 적합한 TOE 및 RDMA 메커니즘의 구한 방안을 제안한다.

• 한국정보과학회:학술대회논문집
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• 한국정보과학회 2005년도 가을 학술발표논문집 Vol.32 No.2 (1)
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• pp.1000-1002
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• 2005

TOE(TCP/IP Offload Engine)은 호스트 CPU가 아닌 네트워크 어댑터 상에서 TCP/IP 프로토콜을 처리하여 호스트 CPU의 부하를 줄이는 기술이다. TOE의 구현 방안으로는 임베디드 프로세서를 사용하여 TCP/IP를 처리하는 소프트웨어적인 구현 방법과 TCP/IP의 모든 기능을 하드웨어로 구현하는 접근 방법이 제안되어왔다. 본 논문에서는 하드웨어적인 접근 방법과 소프트웨어적인 접근 방법을 결합한 Hybrid TOE 구조를 개발하기 위해 FPGA와 ARM 프로세서에 기반한 프로토타입을 개발하였다. Hybrid TOE는 많은 작업 부하로 인하여 임베디드 프로세서 상에서 성능을 확보하기 어려운 기능들은 하드웨어로 구현하고, 연결 설정과 같이 통신의 성능에 큰 영향을 끼치지 않는 기능들은 임베디드 프로세서 상에서 소프트웨어로 처리한다. 또한 본 논문에서는 실험을 통해 Hybrid TOE 프로토타입이 호스트 CPU 상에 발생하는 부하를 줄임을 입증하고, 하드웨어 구현을 통해 통신의 성능을 향상시킬 수 있음을 보였다.

• 한국정보처리학회:학술대회논문집
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• 한국정보처리학회 2006년도 춘계학술발표대회
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• pp.1195-1198
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• 2006

기존의 컴퓨터 시스템에서는 인터넷의 대표적인 통신 프로토콜인 TCP/IP 가 호스트 CPU 에서 처리되는데, 이는 호스트 CPU 에 많은 부하(load)를 발생시켜 전체 시스템의 성능을 저하시키는 문제를 야기한다. 최근 이러한 문제점을 해결하는 방안으로서 네트워크 어댑터에서 TCP/IP 를 처리하는 TOE(TCP/IP Offload Engine)에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 이러한 TOE 가 성공적으로 컴퓨터 시스템에 적용되는 위해서는 이를 지원하는 운영체제용 커널 모듈의 개발이 필요하며, 커널 모듈은 기존의 TCP/IP 를 위한 소켓 인터페이스를 바이너리 수준에서 호환성을 제공해야 한다. 따라서, 본 논문에서는 Linux 시스템에서 소켓 인터페이스에 대한 바이너리 수준의 호환성을 제공하는 TOE 용 커널 모듈을 제안하고 개발하였다. 또한, 실험의 통하여 TOE 커널 모듈이 CPU 에 부하를 거의 발생시키지 않음을 확인하였다.

• 한국정보과학회:학술대회논문집
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• 한국정보과학회 2005년도 한국컴퓨터종합학술대회 논문집 Vol.32 No.1 (A)
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• pp.733-735
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• 2005

현재 네트워크 기술은 기가비트급의 속도를 넘어 급속히 발전하고 있다. 이러한 고속 네트워크상에서 TCP/IP를 사용할 경우, 호스트 CPU에서 TCP/IP 프로토콜을 처리하는데 많은 부하가 발생한다. 이러한 문제를 해결하기 위해 최근 네트워크 어댑터에서 TCP/IP를 처리하는 TCP/IP Offload Engine(TOE)에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 본 논문에서는 임베디드 시스템과 리눅스를 사용하여 TOE를 구현하였으며, 그 동작 메커니즘을 보인다. 실험 결과 및 분석을 통해 임베디드 시스템에 리눅스를 활용한 TOE는 상당한 오버헤드를 가지고 있는 것으로 나타났으며, 이를 바탕으로 추후 기가비트 환경에 맞는 TOE 구현시 이러한 오버헤드를 극복할 수 있는 방안을 제안한다.

• 한국정보과학회논문지:시스템및이론
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• 제33권7호
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• pp.413-420
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• 2006

현재 네트워크 기술이 기가비트급의 속도를 넘어 급속히 발전하고 있다. 그러나 호스트에서 TCP/IP를 처리하는 기존의 방식은 고속 네트워크 환경에서 호스트 CPU에 많은 부하를 야기한다. 이러한 문제를 해결하기 위해 네트워크 어댑터에서 TCP/IP를 처리하는 TCP/IP Offload Engine(TOE)에 대한 연구가 최근 활발히 진행되고 있다. 본 논문에서는 두 가지의 소프트웨어 기반 TOE 를 기가비트 이더넷 환경 하에서 개발하였다. 하나는 임베디드 리눅스를 사용하여 구현한 TOE이고, 다른 하나는 Lightweight TCP/IP(lwIP)를 사용하여 구현한 TOE이다. 임베디드 리눅스를 사용한 TOE는 문맥 전환 (context switch), 프로세스 대기 및 활성화 그리고 운영체제 자체의 부하로 인하여 62Mbps의 낮은 대역폭을 보였다. 본 논문에서는 임베디드 리녹스를 사용한 TOE의 성능을 개선하기 위하여 운영체제 없이 lwIP를 이용하여 TOE를 구현하였다. 그리고 이러한 lwIP를 이용한 TOE 의 성능을 높이기 위하여 lwIP의 메모리 복사를 제거하고, 지연 ACK 기능과 TCP Segmentation Offload(TSO)기능을 추가하였으며, lwIP가 큰 데이타를 전송할 수 있도록 수정하였다. 그 결과, lwIP를 이용한 TOE는 194Mbps의 대역폭을 보였다.

• 한국정보과학회논문지:시스템및이론
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• 제33권5호
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• pp.257-266
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• 2006

최근 TCP/IP 프로토콜을 네트워크 어댑터 상에서 처리함으로써 호스트 CPU의 부하를 줄이는 TOE (TCP/IP Offload Engine)에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. TOE의 구현 방안으로는 임베디드 프로세서를 사용하여 TCP/IP를 처리하는 소프트웨어적인 구현 방법과 TCP/IP의 모든 기능을 하드웨어로 구현하는 방법이 제안되어 왔다. 본 논문에서는 하드웨어적인 접근 방법과 소프트웨어적인 접근 방법을 결합한 Hybrid TOE 구조를 제안한다. Hybrid TOE는 많은 작업 부하로 인하여 임베디드 프로세서 상에서 성능을 확보하기 어려운 기능들은 하드웨어로 구현하고, 연결 설정과 같이 통신의 성능에 영향을 크게 끼치지 않는 기능들은 임베디드 프로세서 상에서 소프트웨어로 처리한다. 이 방법은TCP/IP의 모든 기능을 하드웨어로 구현하는 방법에 근접하는 성능을 제공할 수 있으며, 새로운 기능을 추가하거나 TCP/IP를 기반으로 하는 상위 계층 프로토콜까지 오프로딩하는 것이 가능하므로 구조의 유연성 측면에서 장점을 가진다. 본 논문에서는 Hybrid TOE의 프로토타입을 개발하기 위해 FPGA와 ARM 프로세서를 탑재한 프로토타입 보드를 개발하였고, 하드웨어 모듈과 소프트웨어 모듈을 각각 FPGA와 ARM 프로세서 상에 구현하였다. 또한 하드웨어 모듈과 소프트웨어 모듈의 연동 메커니즘을 개발하였다. 실험을 통해 Hybrid TOE 프로토타입이 호스트 CPU 상에 발생하는 부하를 줄여줌을 입증하고, 하드웨어/소프트웨어 연동 구조의 효과를 분석하였다. 그리고, Hybrid TOE의 완성을 위해 필요한 요소들을 분석하였다.

• 한국정보과학회논문지:시스템및이론
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• 제34권9호
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• pp.459-466
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• 2007

최근 Gbps 이상의 고속 네트워크 상에서 호스트 CPU에 많은 오버헤드를 발생시키는 TCP/IP의 문제점을 해결하기 위해 네트워크 어댑터 상에서 TCP/IP를 처리함으로써 호스트 CPU의 작업부하를 줄이는 TCP/IP Offload Engine(TOE) 기술이 연구되고 있다. TOE의 구현 방법에는 범용 임베디드 프로세서에서 소프트웨어로 TCP/IP를 처리하는 방법과 전용 ASIC에서 하드웨어로 TCP/IP를 처리하는 방법이 사용되어 왔으나 소프트웨어 구현은 통신의 성능이 떨어지고 하드웨어 구현은 유연성과 확장성이 떨어지는 문제점들을 가지고 있다. 본 논문에서는 하드웨어적인 접근 방법과 소프트웨어적인 접근 방법을 결합한 하이브리드 TOE 구조를 제안한다. 하이브리드 TOE는 데이타 패킷의 생성과 처리와 같이 통신의 성능에 큰 영향을 끼치는 기능들을 하드웨어로 구현함으로써 하드웨어 기반 TOE 구현에 버금가는 성능을 제공하고, 연결 설정과 같이 통신의 성능에 영향을 크게 끼치지 않는 기능들은 임베디드 프로세서 상에서 소프트웨어로 처리한다. 본 논문에서는 데이타 송수신의 성능을 높이기 위해 데이타 패킷의 생성 및 처리등을 지원하는 하드웨어 송수신 가속기를 설계 및 구현하였다. 실험 결과 송수신 가속기를 사용한 하이브리드 TOE는 약 $19{\mu}s$의 최소 지연시간을 보였다. 그리고 6% 이하의 CPU 점유율에서 약 675 Mbps에 달하는 대역폭을 보였다.

• 한국멀티미디어학회논문지
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• 제8권11호
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• pp.1472-1482
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• 2005

TOE (TCP/IP Offload Engine)는 부하가 많은 대규모 네트워크 서버에서 TCP/IP 프로토콜 처리의 부담을 줄이기 위해 고안된 하드웨어 장치이다. 본 논문에서는 TOE (TCP Offload Engine)를 사용하는 대규모 멀티미디어 서버를 위한 소켓 인터페이스 계층의 설계 및 구현에 대해 다룬다. 제안된 소켓 인터페이스 계층은 리눅스 운영체제 상에서 커널 모듈로 설계, 구현되었으며, BSD소켓 계층과 INET소켓 계층 사이에 존재하면서 응용 프로그램의 소켓 관련 요청을 TOE나 기존 INET소켓 계층으로 전달하는 역할을 한다. 본 논문에서 제안한 소켓 인터페이스는 소켓을 통해 TOE를 사용하는 응용 프로그램에 대해서 모든 표준 소켓 입출력 API와 파일 입출력 관련 API를 그대로 제공하고, 기존 응용 프로그램들에 대해서도 수정 없이 TOE의 기능을 그대로 사용할 수 있는 바이너리 수준의 호환성을 제공하며, 한 시스템에서 TOE와 이더넷 NIC을 동시에 사용할 수 있게 된다.