효율적인 에너지를 위한 이기종 다중 처리 CPU 구조에서의 네트워크 스택 관리 정책
EANeM: Energy-Aware Efficient Network Stack Management for Heterogeneous Multiprocessing Architecture
- 주제(키워드) TCP 프로토콜 , 네트워크 스택 , DVFS , HMP 구조 , 리눅스 EAS 스케줄러 , EANeM 프레임워크 , 저전력 디자인
- 발행기관 서강대학교 일반대학원
- 지도교수 이혁준
- 발행년도 2020
- 학위수여년월 2020. 2
- 학위명 석사
- 학과 및 전공 일반대학원 컴퓨터공학과
- UCI I804:11029-000000064780
- 본문언어 한국어
- 저작권 서강대학교 논문은 저작권보호를 받습니다.
초록/요약
모바일 환경에서 높은 성능과 저전력을 동시에 제공해주기 위해서 DVFS(Dynamic Voltage and Frequency Scaling)방법과 HMP(Heterogeneous Multi-Processing) 구조가 사용되어왔다. 더불어 HMP 구조에서 스레드들의 성능과 전력을 예측하고 최적의 에너지를 제공해주는 시스템 상태에 스레드를 할당하는 여러 스케줄링 기법들이 제안되어 왔다. 그러나 높은 대역폭을 사용하는 네트워크 어플리케이션이 증가하면서, 이전의 HMP 구조에서의 스케줄링 기법들은 네트워크 어플리케이션들에 대해서 다음과 같은 이유들로 최적의 에너지를 제공해주지 못한다. 첫째, 기존의 기법들이 사용하는 성능 척도는 네트워크 스택의 내부 상태(예. TCP 흐름별 평균 패킷 크기)에 따라 다르게 동작하는 네트워크 어플리케이션의 성능을 제대로 반영하지 못한다. 둘째, 네트워크 패킷은 주로 우선 순위가 높은 인터럽트 컨텍스트(예. net_rx/net_tx softirq)에서 동작하기 때문에, 실시간 어플리케이션 들과 함께 동작할 경우 실시간 어플리케이션들의 기아 상태와 타이밍 위반을 야기할 수 있다. 따라서 본 논문에서는 네트워크 스택을 모니터링하고 대역폭을 제한하는 네트워크 관리자, 시스템 상태에 따른 전력을 측정하는 전력 측정기, 네트워크 스택을 사용하는 환경에서 최적의 에너지를 제공해주는 스케줄러를 포함하는 프레임워크인 EANeM을 제안한다. EANeM을 통해 네트워크 어플리케이션들의 대역폭을 제한하고 최적의 에너지를 제공해주는 시스템 상태에 스레드들을 스케줄링함으로써, 높은 우선 순위를 가지며 네트워크 패킷을 처리하는 인터럽트 핸들러를 간접적으로 제어할 수 있으며, 동시에 네트워크 어플리케이션들과 네트워크를 사용하지 않는 어플리케이션들의 QoS를 만족시키면서 최적의 에너지를 제공해준다. Odoroid-XU4 보드에서 FTP 어플리케이션들을 동작시켰을 때 EANeM은 리눅스의 EAS (Energy Aware Scheduler) 스케줄러 보다 평균적으로 4.79배 높은 에너지를 제공하며 확장성을 제공해준다. 네트워크를 사용하지 않는 PARSEC 벤치마크들과 네트워크 어플리케이션들을 함께 동작시켰을 경우, PARSEC 벤치마크의 목표 성능이 최대 성능의 50%일 때 EANeM은 EAS 스케줄러보다 3.11배 높은 에너지 효율을 제공하며 PARSEC 벤치마크의 목표 성능이 최대 성능의 75%일 때 EANeM은 EAS 스케줄러보다 2.35배 높은 에너지 효율을 제공한다.
more초록/요약
In a mobile computing environment, dynamic voltage and frequency scaling (DVFS) and heterogeneous multi-processing (HMP) architectures are employed to achieve both high performance and low power consumption while satisfying the given performance requirement of applications. Prior works proposed energy-efficient thread scheduling schemes to achieve optimal performance/watt by accurately predicting performance and power consumption of threads on HMP architecture. As high-bandwidth network applications increase, however, prior thread scheduling schemes suffer from serious problems for several reasons. First, prior schemes cannot accomplish the accurate performance prediction and bandwidth provision of network applications as it depends on internal states of a network stack (e.g. average packet size of a TCP flow). Second, network packet processing (e.g. net_rx/net_tx softirq) is performed in the high-priority interrupt context, which is asynchronous to user thread scheduling. Bursty high-priority network packet processing from NIC can overdrive CPU cores and cause deadline violations and thread starvation without proper access-control schemes under conventional energy-aware schedulers. In this study, we present a framework that includes a network stack monitor, a network bandwidth limiter, and a dynamic power management scheme. Using this framework, we rate-limit the network bandwidth of network applications, indirectly controlling high priority execution of network interrupt handler, to simultaneously meet the QoS requirement of network and non-network applications, leading to improving performance/watt. In experiments with Odroid-XU4, the proposed power management scheme (EANeM) improves performance/watt by a factor of 4.79 on average over the energy-aware scheduler (EAS) of Linux Kernel 5.0 for FTP applications and provides scalability for the network applications. In multi-thread environments, we improve performance/watt by a factor of 3.11 (medium performance target) and 2.35 (high performance target) for PARSEC benchmark and network applications over the baseline EAS.
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