KR100383359B1

KR100383359B1 - 평형화된 파이프라인 힙을 이용한 라우터에서의 출력측데이터 처리방법

Info

Publication number: KR100383359B1
Application number: KR10-2000-0043128A
Authority: KR
Inventors: 김성원
Original assignee: 김종권; 우희경; 김성원
Priority date: 2000-07-26
Filing date: 2000-07-26
Publication date: 2003-05-12
Also published as: KR20020009742A

Abstract

본 발명은 라우터에서의 아웃풋 대기열 데이터 처리방법에 관한 것으로써, 특히 인터넷에서 데이터 패킷을 전달하는데 사용하는 라우터에서 사용되는 큐의 데이터를 처리하는 데 있어서 평형 파이프라인 힙(balanced pipelined heap)을 이용하여 아웃풋 대기열 라우터의 데이터를 신속하게 처리할 수 있도록 한 평형 파이프라인 힙을 이용한 라우터에서의 아웃풋 대기열 데이터 처리방법에 관한 것이다.

이를 위하여 본 발명은 파이프라인 힙을 이용하여 출력측 대기열 데이터를 처리하는 라우터에서의 데이터 처리 방법에 있어서, 입력된 새로운 데이터값을 파이프라인 힙의 최상위 노드값과 비교하는 단계, 상기 최상위 노드값이 새로운 데이터값보다 큰 경우에는 상기 최상위 노드의 좌/우 자 노드의 캐패시티를 비교하는 단계, 상기 비교결과 캐패시티가 큰 노드의 설정값과 상기 새로운 데이터 값을 비교하는 단계, 상기 비교결과 새로운 데이터 값이 상기 자 노드의 설정값보다 큰 경우에는 해당 자 노드의 설정값과 새로운 데이터 값을 교환하여 저장하고, 자노드의 설정값보다 작은 경우에는 상기 자 노드에 대한 하위 노드의 캐패시티를 비교하는 것을 반복수행하는 단계를 구비하여 이루어진 것을 특징으로 한다.

Description

평형화된 파이프라인 힙을 이용한 라우터에서의 출력측 데이터 처리 방법{METHOD FOR PROCESSING DATA ENQUEUE BY USING BALANCED PIPELINED-HEAP}

본 발명은 라우터에서의 아웃풋 대기열 데이터 처리방법에 관한 것으로써, 특히 인터넷에서 데이터 패킷을 전달하는 데 사용되는 라우터에서 사용되는 큐의 데이터를 처리하는 데 있어서 평형 파이프라인 힙(balanced pipelined heap)을 이용하여 아웃풋 대기열 라우터의 데이터를 신속하게 처리할 수 있도록 한 평형화된 파이프라인 힙을 이용한 라우터에서의 출력측 데이터 처리방법에 관한 것이다.

근래 인터넷이 널리 보급됨에 따라서 데이터의 양이 급격히 증가하고 있고 서비스를 받는 데이터의 종류도 다양해지면서 광대역의 서비스를 요구하게 되었다. 이러한 경향에 따라서 빠르게 많은 데이터를 처리하는 것이 라우터에서 중요한 기술로 부각되고 있다.

한편, 네트워크의 발전은 장비의 고속화를 요구하게 되었으며 기존의 아웃풋 대기열을 이용한 라우터는 입력 라인의 속도가 빨라짐에 따라서 아웃풋에서의 대기열 처리 속도를 더욱 빠르게 할 필요가 생겼다. 하지만 메모리의 증가 속도를 따르지 못하고 있다. 따라서, 많은 양의 데이터를 처리하는 것은 기존의 선입선출(FIFO:First In First Out)과 같은 방법으로 데이터를 처리하는 것으로는 그 기술적 한계에 다다랐다. 따라서, 데이터를 좀 더 빠르게 처리할 수 있는 방법이 필요하게 되었다.

따라서, 본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로써 그 목적은 현재의 메모리 속도 한계를 가지고도 파이프라인 힙(Pipelined heap:이하 P-heap이라 약칭함)이라는 자료구조를 이용하여 데이터를 빠르게 처리할 수 있도록 평형화된(balanced) p-heap을 이용한 라우터에서의 출력측 데이터 처리방법을 제공하고자 하는 것이다.

도 1은 본 발명을 구현하기 위한 라우터의 개략적인 구성을 보인 블록도이다.

도 2는 본 발명에 따른 파이프라인 힙 모듈의 상세 구성을 보인 블록도이다.

도 3(a) 내지 도 3(d)는 본 발명에 따른 평형화된 파이프라인힙을 갖는 라우터에서의 데이터 처리동작을 설명하기 위한 블록도이다.

도 4는 본 발명에 따른 평형화된 파이프라인 힙의 일실시예에 따른 자료 구조를 나타낸 것이다.

도 5(a) 내지 도 5(d)는 본 발명에 따른 평형화된 파이프라인 힙에서의 인큐과정을 나타낸 것이다.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *

10...입력포트, 20...스위칭부,

30...출력포트, 40...라우팅 프로세서,

31...우선순위 할당유닛, 32...큐 콘트롤러,

33...파이프라인 힙 매니저, 34...셀 데이터 저장부.

상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 라우터에서의 아웃풋 대기열데이터 처리방법은 파이프라인 힙을 이용하여 출력측 대기열 데이터를 처리하는 라우터에서의 데이터 처리 방법에 있어서,

(a)새로운 데이터가 입력되면 상기 데이터값을 상기 파이프라인 힙의 최상위 노드의 설정값과 비교하는 단계,

(b)상기 최상위 노드의 설정값이 새로운 데이터값보다 큰 경우에는 상기 최상위 노드의 좌/우 자 노드의 캐패시티를 비교하는 단계,

(c)상기 단계(b)의 비교결과 캐패시티가 큰 노드의 설정값과 상기 새로운 데이터 값을 비교하는 단계,

(d)상기 단계(c)의 비교결과 새로운 데이터 값이 상기 자 노드의 설정값보다 큰 경우에는 해당 자 노드의 설정값과 새로운 데이터 값을 교환하여 저장하는 단계,

(e) 상기 단계(c)의 비교결과 새로운 데이터값이 자노드의 설정값보다 작은 경우에는 상기 자 노드에 대한 하위 노드의 캐패시티를 비교하여 상기 단계(c)를 반복수행하는 단계를 구비하여 이루어진 것을 특징으로 한다.

이하에는 본 발명의 양호한 실시예에 따른 라우터에서의 아웃풋 대기열 데이터 처리방법의 구성 및 작용효과를 첨부한 도면을 참조하여 상세하게 설명하기로 한다.

일반적으로 큐(queue)는 처리 대기 상태의 백업 패킷(packet)을 뜻하는 것으로, 컴퓨터 프로그래밍에서의 큐는 데이터가 들어간 순서대로 제거되는 자료구조를 말한다. 원소들 사이에는 어떠한 우선순위(priority)가 정해지는 데 대개는 먼저 도착한 원소가 먼저 서비스 받는 선입선출방식이지만 다른 방법으로 우선 순위를 매길수 있다.

한편, 라우터(ROUTER)는 전용회선을 통해 네트워크, 일예로 LAN(Local Area Network)에 접속된 여러 시스템들이 동시에 인터넷을 사용할 수 있도록 하는 장치로써, 목적지까지 데이터가 전달될 수 있도록 하는 기능을 하며, 또한 2개 이상의 네트워크를 접속할 때 사용하여 상호간의 데이터를 중계한다. 또한, 라우터는 라우팅(Routing)정보를 참조하여 경로를 결정하여 데이터를 중계하며 서로 다른 네트워크를 연결해 준다.

도 1은 본 발명을 구현하기 위한 라우터의 개략적인 구성을 보인 블록도이고, 도 2는 본 발명에 따른 p-heap모듈의 상세 구성을 보인 블록도이다. 도 1 및 도 2에 도시한 바와 같이, 라우터는 다수 개의 입력링크로부터 입력되는 패킷 데이터를 라우팅 프로세서(40)의 제어에 따라 스위칭부(20)를 통해 스위칭하여 출력포트(30)를 통해 다수개의 출력링크중 특정 링크로 전송한다.

이때, p-heap기능을 지원하기 위해서는 라우터의 각 포트마다 동적 큐 매니저(dynamic queue manager)의 기능을 구현해주어야 한다. 따라서, 출력 큐 스위치를 이용하는 경우에는 각 출력포트마다 동적인 큐의 관리를 위해서 출력 큐 매니저를 필요로 한다.

출력 큐 매니저는 도 2에 도시한 바와 같이, 우선순위 할당 유닛(31), 파이프라인 힙(p-heap) 매니저(33), 큐 콘트롤러(32)의 3부분으로 크게 나뉘어진다. 우선순위 할당 유닛(31)은 새로 들어오는 패킷에 대해서 해당하는 우선순위를 할당한다. 우선순위는 어떤 스케줄링 알고리즘을 사용하느냐에 따라서 달라진다. p-heap 매니저(33)는 파이프라인 힙을 포함하고 있으며 이에 대한 연산을 담당한다. 큐 콘트롤러(32)는 파이프라인 힙의 각 우선순위에 해당하는 실제 패킷의 리스트를 유지한다. 파이프라인 힙은 동일한 우선순위를 가지는 여러 패킷들을 하나의 리스트로 관리하여 실제 데이터와 매핑시키는데 이를 담당하는 것이 큐 콘트롤러이다.

도 3(a) 내지 도 3(d)는 본 발명에 따른 평형화된 파이프라인힙을 갖는 라우터에서의 데이터 처리동작을 설명하기 위한 블록도로서, 새로운 데이터 패킷이 스위칭부(20)에 의해 입력포트(10)로부터 특정 출력링크로 전송되기 위하여 출력포트(30)에 입력되면(도 3(a)), 우선순위 할당 유닛(31)은 입력된 데이터 패킷에 해당하는 우선순위값을 설정한다(도 3(b)).

한편, 큐 콘트롤러(32)는 새 패킷이 할당받은 우선 순위가 이미 존재하는 것인지 아닌지를 판단하여, 새로운 것이면 파이프라인 힙 매니저(33)에게 새로운 우선순위값을 힙에 삽입(insert)할 것을 명령하고, 이미 존재하는 것이면 파이프라인 힙에 아무런 변화를 가하지 않는다. 패킷의 실제 데이터는 셀 데이터 저장부(34)에 저장되고, 큐 콘트롤러(32)는 해당 셀 데이터 저장부의 위치를 가리키는 룩업 테이블을 갱신한다(c).

또한, 큐로부터 패킷이 출력 링크로 빠져 나가는 경우에는 힙의 가장 상위에 있는 우선순위에 해당하는 패킷을 우선순위 리스트로부터 찾아낸 후 셀 데이터 저장부(34)에 저장된 패킷을 출력 링크로 전송한다. 그리고 나서 파이프라인 힙에서 디뷰(dequeue)연산을 실행하고, 큐 콘트롤러의 우선순위 리스트에서도 해당 패킷의 엔트리(entry)를 삭제한다.

도 4는 본 발명에 따른 평형화된 파이프라인 힙의 일실시예에 따른 자료 구조를 나타낸 것이다. 도 4에 도시한 바와 같이, 파이프라인 힙의 평형화된 트리구조에서 힙(heap)이란 컴퓨터의 기억 장소에 그 일부분이 프로그램들에게 할당되었다가 회수되는 작용이 되풀이되는 데이터 기억영역을 말한다. 스택 영역은 엄격하게 후입 선출(LIFO)방식으로 운영되는 데 비해 힙 영역은 프로그램들이 요구하는 블록의 크기나 요구/회수순서가 일정한 규칙이 없다는 점이 다르다. 대개 힙 영역의 기억장소는 포인터(pointer)변수를 통해 동적으로 할당받고 돌려준다. 이는 연결 리스트나 트리, 그래프등의 동적인 자료 구조를 만드는 데 없어서는 안되는 것이다.

한편, 일반적으로 힙은 트리형태로 표현하며 부모 노드의 데이터값이 그 자식 노드의 데이터값보다 언제나 크다(작다)는 특성이 있다.

또한, 본 발명을 구현하기 위한 P-heap이란 힙을 처리함에 있어서 파이프라인 처리(연산 장치를 여러 개의 기능으로 분할하고, 어떤 명령의 실행시에 사용하지 않는 부분이 있으면 다음 명령의 실행을 시작하여 차례로 앞의 명령을 중복시켜 실행해 나가는 제어 방식)하여 여러개의 상태로 나누고 각각의 상태를 병렬로 처리하여 한 개의 데이터 패킷이 처리되는 데 걸리는 시간을 줄일 수 있는 방법이다. 또한, 본 발명에서는 이러한 P-heap을 평형화(balanced)하여 P-heap을 통해 처리되는 시간을 줄이는 것과 함께 파이프라인 처리에 의해 데이터의 처리시간을 단축시킬 수 있도록 한다.

도 5(a) 내지 도 5(d)는 본 발명에 따른 평형화된 파이프라인 힙에서의 인큐과정을 나타낸 것이다. 도 5에 도시한 바와 같이, 본 발명의 일예에 따른 평형화된 파이프라인 힙에 있어서 최상위 노드에는 현재 16의 값이 설정되어 있고 최상위 노드 B[1]의 캐패시티(capacity)는 5이다. 이때, 노드 B[i]의 값(value)은 패킷데이터에 할당된 우선순위의 값을 나타내는 것이다. 또한, 각 노드 B[i]의 캐패시티는 자(子) 노드가 포함하고 있는 비활성화된 노드의 수를 나타내는 것이다. 즉, B[1]의 캐패시티는 자 노드인 B[9],B[10],B[12],B[14],B[15]의 각 레벨당 자 노드에 설정된 값이 없는 비활성상태이기 때문에 5로 결정된다.

이러한 구성에 있어서 본 발명에 따른 평형화된 파이프라인 힙을 구성하기 위한 알고리즘은 새로운 패킷 데이터를 파이프라인 힙에 삽입하는 경우에 각 노드의 캐패시티를 비교하여 캐패시티가 큰 쪽으로 노드 스캐닝을 수행하는 것이다.

한편, 상기의 캐패시티의 비교방법과는 달리 또 다른 방법으로는 좌우 노드르 번갈아가며 선택하는 방법과 랜덤하게 선택하는 방법이 사용될 수 있으며 특정 방법에 한정되는 것은 아니다. 그러나, 상기의 3가지 방법중에서 효율이 가장 좋은 방법을 선택하여 본 발명에 따른 평형화된 파이프라인 힙을 구현하게 되며 일예로 본 발명에서는 첫번째 방법인 캐패시티에 따른 노드선택방법을 사용한다.

캐패시티 비교에 따른 파이프라인 힙을 이용한 아웃풋 대기열 데이터 처리방법을 설명하면 먼저 새로운 데이터 패킷에 대한 우선권값이 일예로 8인 경우, 첫번째 노드 B[1]에 설정된 값은 16이므로 상기 새로운 입력데이터값 8와 비교하여 B[1]의 설정값이 더 크기 때문에 두 데이터는 서로 교환되지 않고 다음 파이프라인 힙의 2번째 레벨에 대한 검색을 수행하게 된다.

이때, 2번째 레벨의 좌/우측 노드에 대한 선택은 앞서 설명한 바와 같이 B[1]의 자노드인 B[2]와 B[3]의 캐패시티를 비교함으로써 결정된다. 즉, B[2]의 캐패시티는 2이고, B[3]의 캐패시티는 3이므로 두 값을 비교하여 캐패시티가 큰 B[3]노드가 다음 비교대상 노드로 선택된다.

따라서, 다음 선택된 노드 B[3]의 설정값 10과 입력할 데이터 8를 비교하고, 비교결과 입력하고자 하는 데이터값이 더 작으므로 다시 상기한 바와 같은 단계를 반복하여 새로운 데이터가 입력될 노드를 찾게 된다. 즉, 상기 과정을 반복하면 다음 검색 노드는 B[7]이 된다. 이때, B[7]의 노드값은 3이므로 입력 데이터인 8과비교하여 더 작은 값이므로 두 데이터는 교환된다. 즉, 새로운 입력 데이터가 B[7]의 노드에 저장되고, B[7]에 저장되었던 값은 B[7]의 자 노드인 B[14]에 3으로 저장된다.

한편, 본 발명에 따른 평형화된 파이프라인 힙에서 특정 노드의 값을 디큐(dequeue)하는 과정은 우선 순위가 가장 높은 값을 최우선으로 하여 순차적으로 각 노드의 값을 추출하게 된다.

이와 같은 방법에 의하여 인큐와 디큐가 충분히 지속적으로 많이 일어날 경우, 디큐 작업에 의해 생성되는 빈자리가 인큐에 의해서 힙이 평형화되는 방향으로 채워져 나갈수 있다.

한편, 본 발명에 따른 완전한 평형화를 이루기 위해서는 디큐 또한 평형화할 수 있어야 하지만, 디큐를 평형화할 경우 파이프라인을 수행하지 못하게 되고 처리속도가 느려지는 단점이 있으므로 본 발명에 따른 평형화는 인큐에서만 적용한다.

이러한 본 발명에 따른 아웃풋 대기열 처리방법에 대하여 1 패킷이 인큐/디큐 처리를 위해 필요한 평균 사이클 타임과 1패킷이 인큐->대기->디큐의 일련의 작업을 거치는 데 걸리는 응답시간에 대한 성능 평가를 하였으며 그 결과는 다음과 같다.

1) 평균 사이클 타임(cycle time)

마지막 인큐되는 패킷이나 처음 디큐되는 패킷을 제외하고는 파이프라인 효과에 의해서 개당 2 cycle time을 소비한다.

a.not balanced

미리 할당되어 있는 레벨의 개수를 a라고 하면, n개의 패킷을 처리하는 데 소요되는 사이클수는 최악의 경우라고 해도

a+2(n-1) (cycle/n packet process)

를 넘지 않는다.

패킷이 충분히 연속적으로 인큐 또는 디큐된다면 상기 a는 무시되므로 사이클 타임은 2 (cycle/packet process)이다.

b. balanced

n개의 패킷을 처리하는 데 소요되는 사이클 수는 최선의 경우인 완전트리를 가정해도 x를 트리의 높이(Height)라 하면, 2^x-1 = n , x=log₂(n+1) 이다

따라서, 총 소요 사이클은 log₂(n+1)+2(n-1) (cycles/n packet process)이다. 패킷이 충분히 연속적으로 인큐/디큐 된다면 log항은 무시되므로 2 (cycles/packet process)이다. 그러므로 평형화된 것에 관계없이 평균적으로 1패킷을 처리하기 위해 2 사이클이 소요된다.

2) 응답시간

특정 패킷이 인큐되어서 대기된 후 디큐될때까지 걸리는 시간에 대해서는 일반적인 식을 세우기가 어려우므로 파이프라인 힙과 평형화된 파이프라인 힙이 가장 큰 차이가 나는 케이스를 예를 들어 설명한다.

	not balanced	balanced
enqueue	a	log₂n
대기 시간	other packet *2	other packet * 2
dequeue	2	2
전체	(a+2)(other packet 2)	(log₂n+2)+(other packet *2)

즉, 인큐시에 소요되는 사이클 수는 트리의 높이에 비례한다. 그러나, 대기시간이나 디큐시에 소요되는 사이클은 각 작업당 높이가 걸리기는 하지만 파이프라인 효과에 의해서 실제로 추가되는 것은 2 사이클로 한정된다.

즉, 평형화된 경우와 안된 경우의 응답시간의 차이는 (a-log₂n)이 된다. 다시 말해 a가 log₂n보다 큰 경우에만 평형화된 파이프라인 힙이 장점을 가지게 되는 것이다.

본 발명에 따른 평형화된 파이프라인 힙을 이용한 라우터에서의 출력측 데이터 처리방법은 전술한 실시예에 국한되지 않고 본 발명의 기술사상이 허용하는 범위내에서 다양하게 변형하여 실시될 수 있다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 평형화된 파이프라인 힙을 이용한 라우터에서의 아웃풋 대기열 데이터 처리방법에 의하여 파이프라인의 평형화된 트리를 구성함으로써 한개의 데이터 패킷이 라우터의 출력측 대기열에 들어와서 나가는 데 걸리는 평균적인 사이클을 줄이고, 한 개의 데이터 페킷이 처리되는 데 걸리는 시간을 줄임으로써 라우터의 성능을 향상시킬 수 있는 효과를 얻을 수 있다.

Claims

파이프라인 힙을 이용하여 출력측 대기열 데이터를 처리하는 라우터에서의 데이터 처리 방법에 있어서,

(a) 새로운 데이터가 입력되면, 입력된 데이타에 대한 우선순위를 할당하는 단계,

(b) 상기 입력데이타의 우선순위할당값을 상기 파이프라인 힙의 최상위 노드의 우선순위 설정값과 비교하는 단계,

(c) 상기 (b)단계의 비교결과 새로 입력된 데이타의 우선순위가 최상위노드의 설정값보다 크면, 각 노드의 데이타를 한 단계씩 하위노드로 밀려 저장시킨 후, 최상위 노드에 새로 입력된 데이타를 저장하는 단계,

(d) 상기 (b)단계의 비교결과 최상위 노드의 설정값이 입력데이타의 우선순위 할당값보다 큰 경우에는 하위에 위치한 좌/우 자 노드의 캐패시티를 비교하는 단계,

(e) 상기 단계(d)의 비교결과 캐패시티가 큰 노드의 설정값과 입력데이타에 할당된 우선순위를 비교하는 단계,

(f)상기 단계(e)의 비교결과 새로운 데이터 값이 상기 자 노드의 설정값보다 큰 경우에는 해당 자 노드의 설정값과 입력데이타의 할당값을 교환하여 저장하고, 이전 데이타는 하위 노드에 저장시키는 단계,

(g) 상기 단계(e)의 비교결과 새로운 데이터값이 자노드의 설정값보다 작은 경우에는 상기 자 노드에 대한 하위 노드의 캐패시티를 비교하여 상기 단계(d)를 반복수행하는 단계로 이루어지며,

상기와 같이 처리된 데이타를 파이프라인힙의 최상위노드에서 하위노드순으로 출력시키는 것을 특징으로 하는 평형화된 파이프라인 힙을 이용한 라우터에서의 출력측 데이터 처리 방법.