[논문 리뷰] AppSwitch: Resolving the Application Identity Crisis

Dinesh Subhraveti, Sri Goli외 3명|arXiv (Cornell University)|2017. 11. 07.

Software-Defined Networks and 5G참고 문헌 4인용 수 3

한 줄 요약

AppSwitch는 시스템 호출을 가로채어 애플리케이션을 그들의 기초 네트워크에서 분리시키는 전송 계층 네트워크 요소를 도입한다. 이로써 애플리케이션 식별자가 호스트 IP 주소와 독립적으로 관리될 수 있게 되며, 전통적인 데이터 경로 처리의 성능 오버헤드를 제거하여 로컬 통신에 Unix 소켓을 투명하게 사용함으로써 몇 배 높은 처리량을 달성한다. 또한 애플리케이션 또는 인fra 구조 변경 없이도 효율적이고 무상태인 네트워크 기능(예: 로드 밸런싱, 방화벽)을 제공한다.

ABSTRACT

Networked applications traditionally derive their identity from the identity of the host on which they run. The default application identity acquired from the host results in subtle and substantial problems related to application deployment, discovery and access, especially for modern distributed applications. A number of mechanisms and workarounds, often quite elaborate, are used to address those problems but they only address them indirectly and incompletely. This paper presents AppSwitch, a novel transport layer network element that decouples applications from underlying network at the system call layer and enables them to be identified independently of the network. Without requiring changes to existing applications or infrastructure, it removes the cost and complexity associated with operating distributed applications while offering a number of benefits including an efficient implementation of common network functions such as application firewall and load balancer. Experiments with our implementation show that AppSwitch model also effectively removes the performance penalty associated with unnecessary data path processing that is typical in those application environments.

연구 동기 및 목표

• 현대의 분산 아키텍처 및 마이크로서비스 아키텍처에서 애플리케이션 식별자가 호스트 IP 주소에 깊이 결합되어 있는 근본적인 문제를 해결하기 위해.
• 애플리케이션 발견, 분할, 로드 밸런싱를 위한 간접적이고 불완전한 대체 방법으로 인해 발생하는 운영 복잡성과 성능 손실을 줄이기 위해.
• 시스템 호출 계층에서 네트워크 API를 가상화하여, 애플리케이션 수준의 네트워크 기능(예: 방화벽, 로드 밸런서)을 효율적이고 무상태로 구현하기 위해.
• 애플리케이션 또는 인fra 변경 없이도 하이브리드 인fra스트럭처(물리 서버, 가상 머신, 컨테이너, 클라우드) 간 원활한 운영을 가능하게 하기 위해.
• 동적, 일시적, 이동 가능한 마이크로서비스를 지원할 수 있는 깔끔하고 확장성 있고 고성능인 애플리케이션 네트워킹 추상화를 제공하기 위해.

제안 방법

• AppSwitch는 시스템 호출 계층에서 작동하여 소켓과 관련된 시스템 호출(예: socket, connect, bind, getsockname)을 가로채어 애플리케이션과 네트워크 인fra를 분리한다.
• 커널 모듈 또는 ptrace 기반의 사용자 공간 메커니즘을 사용하여 시스템 호출을 트랩하고 네트워크 식별자 및 연결성을 가상화한다.
• 시스템은 애플리케이션에서 지정한 식별자(IP, 포트, 이름, 태그)를 실제 네트워크 엔드포인트로 매핑하는 서비스 테이블을 유지하며, 게이프로토콜을 통해 크로스 호스트 발견을 가능하게 한다.
• 동일한 호스트 내 컨테이너 간 로컬 통신의 경우, AppSwitch는 TCP 대신 Unix 도메레 소켓을 투명하게 사용하여 불필요한 네트워크 스택 통과를 방지한다.
• 연결 설정 후 트랩 핸들러는 데이터 경로 외부에 유지되어 성능 오버헤드를 최소화한다.
• 애플리케이션 또는 기초 시스템 변경 없이도 기존 인fra와 통합되며, 클러스터에 참여하기 위해 단일 구성 포인트만 필요하다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 현대의 분산 시스템에서 애플리케이션 식별자를 호스트 수준의 네트워크 식별자에서 어떻게 분리할 수 있는가?
• RQ2 동일한 호스트 내 컨테이너 통신에서 전통적인 네트워크 스택 통과의 성능 영향은 무엇이며, 이를 어떻게 제거할 수 있는가?
• RQ3 로드 밸런싱 및 방화벽과 같은 애플리케이션 수준의 네트워크 기능을 데이터 경로 처리 비용 없이 효율적으로 구현할 수 있는가?
• RQ4 애플리케이션 또는 인프라 변경 없이도 동적, 이동 가능한, 일시적인 마이크로서비스를 지원할 수 있는 시스템을 어떻게 설계할 수 있는가?
• RQ5 애플리케이션 네트워크 식별자를 가상화할 수 있는 최소한의 안정적이고 안전한 시스템 스택의 가로채기 지점은 무엇인가?

주요 결과

• AppSwitch는 동일한 컨테이너 간 통신에서 헤어핀 트래버스를 피함으로써 표준 리눅스 브리지보다 몇 배 높은 네트워크 처리량을 달성했다.
• 패킷 크기가 클수록 처리량이 증가하여, 성능 향상이 워크로드 특성에 따라 스케일링됨을 확인했다.
• AppSwitch는 동일한 호스트 내 컨테이너 간 통신에서 TCP 요청이 있더라도 투명하게 Unix 도메레 소켓을 사용하여 불필요한 네트워크 스택 처리를 제거했다.
• 애플리케이션 또는 인프라 변경 없이도 전체 기능을 구현했으며, 클러스터에 참여하기 위해 단일 구성 포인트만 필요했다.
• 성능 향상은 연결 설정 후 데이터 경로를 우회하고 중복된 네트워크 스택 처리를 방지함으로써 발생했다.
• 시스템 호출 인터페이스에서 작동함으로써 패킷 수준이 아닌, 애플리케이션 수준의 네트워크 기능(예: 분할, 로드 밸런싱)을 효율적이고 무상태로 구현할 수 있다.