[논문 리뷰] Network Hardware-Accelerated Consensus

Huynh Tu Dang, Pietro Bressana외 6명|arXiv (Cornell University)|2016. 05. 18.

Distributed systems and fault tolerance참고 문헌 41인용 수 8

한 줄 요약

이 논문은 P4를 사용하여 프ogrammable 네트워크 장치에서 직접 풀 패록스 프로토콜을 구현하는 네트워크 하드웨어 가속화된 공감 시스템 CAANS를 제안한다. 이는 라인레이트 스루풋과 패킷 포워딩 수준의 지연 시간을 달성하며, 서버에서 공감 로직을 네트워크로 이관함으로써 지연 시간을 감소시키고 스루풋을 증가시킨다. 이는 소프트웨어 기반 패록스의 즉각적인 대체제로서, FPGA, NPU, ASIC 등 다양한 하드웨어 플랫폼 간 이식 가능성을 제공한다.

ABSTRACT

Consensus protocols are the foundation for building many fault-tolerant distributed systems and services. This paper posits that there are significant performance benefits to be gained by offering consensus as a network service (CAANS). CAANS leverages recent advances in commodity networking hardware design and programmability to implement consensus protocol logic in network devices. CAANS provides a complete Paxos protocol, is a drop-in replacement for software-based implementations of Paxos, makes no restrictions on network topologies, and is implemented in a higher-level, data-plane programming language, allowing for portability across a range of target devices. At the same time, CAANS significantly increases throughput and reduces latency for consensus operations. Consensus logic executing in hardware can transmit consensus messages at line speed, with latency only slightly higher than simply forwarding packets.

연구 동기 및 목표

• 데이터 센터에서 소프트웨어 기반 공감 프로토콜의 성능 저하 문제를 해결하기 위해 공감 로직을 네트워크 인fra로 이동시키는 것.
• 프로그래머블 네트워크 하드웨어(예: FPGA, NPU, ASIC)를 활용해 고스루풋, 저지연 공감 작업을 가능하게 하는 것.
• 기존 소프트웨어 라이브러리와의 호환성을 유지하는 포 ortable한 애플리케이션 수준의 패록스 구현을 제공하여 즉각적인 대체가 가능하도록 하는 것.
• 고수준 데이터 플레인 프로그래밍 언어를 사용해 다양한 프로그래머블 네트워크 장치에서 하드웨어 가속 공감의 성능을 평가하는 것.
• 네트워크 하드웨어가 응용 프로그램 로직이나 네트워크 토폴로지 변경 없이도 공감 성능을 크게 향상시킬 수 있음을 입증하는 것.

제안 방법

• 프로그래머블 네트워크 장치 간 이식 가능성을 확보하기 위해, 고수준 데이터 플레인 프로그래밍 언어인 P4를 사용해 풀 패록스 공감 프로토콜을 구현하는 것.
• 공감 로직을 네트워크 스위치와 NIC에 직접 구현하여, 공감 메시지를 라인레이트로 처리하고 포워딩할 수 있도록 하는 것.
• Barefoot P4 기반 스위치, FPGA(예: Xilinx VC709, NetFPGA SUME), NPU(예: Netronome NFP-6xxx)와 같은 일반적인 프로그래머블 하드웨어를 사용해 데이터 플레인에서 공감 로직을 실행하는 것.
• 기존 소프트웨어 기반 패록스 API와의 호환성을 유지하여 기존 애플리케이션과의 원활한 통합을 가능하게 하는 설계를 하는 것.
• 소프트웨어 프rotocol 스택 오버헤드를 제거하고 네트워크 홉 수를 줄이기 위해 네트워크 내 처리를 통한 메시지 전송 최적화를 수행하는 것.
• 실제 하드웨어(FPGA, NPU)와 시뮬레이션 환경을 대상으로 다양한 하드웨어 플랫폼에서 성능을 평가하며, 다양한 네트워크 조건과 워크로드 하에서의 성능을 분석하는 것.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 서버에서 공감 로직을 네트워크 장치로 효과적으로 이관할 수 있는가? 이 과정에서 프로토콜의 정확성이나 호환성은 손상되지 않는가?
• RQ2 프로그래머블 네트워크 하드웨어는 소프트웨어 구현 대비 공감 프로토콜의 스루풋과 지연 시간을 어느 정도 향상시킬 수 있는가?
• RQ3 다양한 프로그래머블 네트워크 장치(FPGA, ASIC, NPU 등) 간에 하드웨어 가속 공감의 성능은 어떻게 달라지는가?
• RQ4 P4 기반 패록스 구현은 다양한 네트워크 하드웨어 플랫폼 간 이식 가능성을 유지하면서도 라인레이트 성능을 달성할 수 있는가?
• RQ5 응용 프로그램 레이어에서 네트워크 레이어로 공감을 이동시키면 종단 간 시스템 성능과 확장성에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• CAANS는 10G 링크에서 라인레이트 스루풋을 달성하여 공감 트래픽으로 네트워크 용량을 포화 상태로 만든다.
• CAANS에서 공감 메시지 전송 지연 시간은 단순한 패킷 포워딩 수준의 지연 시간과 거의 동일하여 네트워크 내 처리로 인한 최소한의 오버헤드를 보여준다.
• 소프트웨어 스택 처리를 제거하고 네트워크 홉 수를 줄임으로써 CAANS는 소프트웨어 기반 패록스 대비 종단 간 지연 시간을 크게 감소시킨다.
• CAANS는 소프트웨어 패록스의 즉각적인 대체제로서 동일한 API를 유지하며, 응용 프로그램 변경 없이 직접 성능 비교가 가능하다.
• P4를 프로그래밍 추상화로 사용함으로써 FPGA, NPU, ASIC 등 다양한 하드웨어 플랫폼 간 이식 가능성이 확보되었다.
• 실제 하드웨어 및 시뮬레이션 평가 결과, 러닝 및 응용 프로그램이 포화 상태일 경우에만 네트워크가 성능 저하의 원인이 되며, 공감 로직 자체는 성능 저하의 원인이 되지 않는 것으로 확인되었다.