KR20060060530A - 운영체제 상에서 우선순위에 기반한 네트워크 데이터 처리방법 - Google Patents

운영체제 상에서 우선순위에 기반한 네트워크 데이터 처리방법 Download PDF

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Abstract

1. 청구범위에 기재된 발명이 속한 기술분야
본 발명은, 운영체제 상에서 우선순위에 기반한 네트워크 데이터 처리 방법에 관한 것임.
2. 발명이 해결하려고 하는 기술적 과제
본 발명은, 리눅스와 같은 범용 운영체제 및 임베디드 시스템 등에 사용되는 실시간 운영체제의 커널 내부에서 응용 프로세스의 우선순위에 기반하여 네트워크 프로토콜을 처리함으로써, 네트워크 패킷들의 우선순위를 보장하고, 네트워크 패킷의 지연 처리를 방지하며, 우선순위가 높은 프로세스가 CPU 사용시간을 독점하는 것을 방지하기 위한, 운영체제 상에서 우선순위에 기반한 네트워크 데이터 처리 방법을 제공하는데 그 목적이 있음.
3. 발명의 해결방법의 요지
본 발명은, 운영체제 상에서 우선순위에 기반한 네트워크 데이터 처리 방법에 있어서, 응용 프로세스가 사용하는 네트워크 연결마다 송신큐와 수신큐 및 송신서버와 수신서버를 할당하는 단계; 상기 송신서버와 상기 수신서버에 해당 응용 프로세스의 우선순위를 승계시키는 단계; CPU(Central Processing Unit) 사용권을 할당한 상태에서 상기 송신큐 또는 상기 수신큐에 해당 응용 프로세스로부터의 네트워크 데이터가 입력됨에 따라 상기 송신서버 또는 상기 수신서버를 운영체제의 런큐(Run Queue)에 삽입하는 단계; 우선순위에 따라 CPU 사용시간 동안 네트워크 데 이터를 처리하도록 해당 서버를 활성화시키는 활성화 단계; 및 CPU 사용시간이 경과함에 따라 상기 런큐에서 해당 서버를 삭제하는 단계를 포함함.
4. 발명의 중요한 용도
본 발명은 리눅스와 같은 범용 운영체제 및 임베디드 시스템 등에 이용됨.
운영체제, 커널, 우선순위 기반, 네트워크 데이터, 송신큐, 수신큐, 송신서버, 수신서버, CPU 사용권

Description

운영체제 상에서 우선순위에 기반한 네트워크 데이터 처리 방법{Method for processing network data with a priority scheduling in operating system}
도 1 은 본 발명에 따른 운영체제 상에서 우선순위에 기반한 네트워크 데이터 처리 구조의 일예시도,
도 2 는 본 발명에 따른 운영체제 상에서 우선순위에 기반한 네트워크 데이터 처리 방법에 대한 일실시예 설명도,
도 3 은 본 발명에 따른 운영체제 상에서 우선순위에 기반한 네트워크 송신 데이터 처리 방법에 대한 일실시예 흐름도이다.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
11 : 송신큐 12 : 송신서버
13 : 수신서버 14 : 수신큐
본 발명은 운영체제 상에서 우선순위에 기반한 네트워크 데이터 처리 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 운영체제의 CPU(Central Processing Unit) 스케줄러와 네트워크 프로토콜 처리를 통합함으로써, 운영체제의 커널 상에서 네트워크 데이터의 QoS(Quality of Service)를 보장하기 위한, 운영체제 상에서 우선순위에 기반한 네트워크 데이터 처리 방법에 관한 것이다.
현재 사용되고 있는 일반적인 운영체제는 인터럽트에 기반을 두고 네트워크 데이터(패킷)를 처리한다. 이러한 인터럽트 기반 네트워크 데이터 처리 방법은 우선순위 역전현상(낮은 우선순위를 갖는 프로세스의 네트워크 데이터를 먼저 처리)을 초래하여 응용 프로세스의 실시간성을 저해하는 한편 공평성(fairness)을 제공하지 못한다.
즉, 시스템에 도착한 네트워크 패킷을 FIFO(First-In First-Out) 순서에 따라 인터럽트 핸들러를 통해 처리한다. 이때, 운영체제에서 인터럽트 핸들러는 항상 최고의 우선순위를 가지기 때문에, 하기와 같은 두가지 형태의 우선순위 역전현상을 발생시킨다.
첫째, 우선순위가 낮은 프로세스로 전달할 네트워크 데이터 또는 우선순위가 낮은 프로세스가 생성한 네트워크 데이터의 처리로 인하여 우선순위가 높은 프로세스의 네트워크 데이터 처리가 지연될 수 있다.
둘째, FIFO 순서에 의해 우선순위가 낮은 프로세스의 네트워크 데이터를 먼저 처리함으로써, 우선순위가 높은 프로세스로 전달될 네트워크 데이터의 처리가 지연될 수 있다.
따라서, 인터럽트 기반 네트워크 데이터 처리 방법은 리시브 라이브락(Receive Livelock : 네트워크 인터럽트 처리에 모든 CPU 시간을 소모하여 필요한 태스크를 처리하지 못하는 현상)을 유발하여 시스템의 가용성을 크게 저하시키고 네트워크 데이터의 손실을 초래하는 문제점이 있었다.
이러한 인터럽트 기반 네트워크 데이터 처리 방법의 문제점을 해결하기 위하여 "Fred Kuhns"가 1999년 6월, 논문집 "IEEE Real Time Technology and Applications Symposium", 154~163페이지에 "The Design and Performance of a Real-time I/O Subsystem"이라는 제목으로 게재한 논문에 네트워크 패킷을 우선순위에 따라 처리하는 방법을 제안하였다.
상기 논문에 게재된 종래의 우선순위에 따른 네트워크 데이터 처리 방법은 응용 프로그램에서 사용하는 네트워크 채널(Channel 또는 Connection)의 개수만큼 운영체제 내부에 패킷 큐를 생성하고, 수신한 패킷을 분류하여 관련 응용 프로세스(패킷을 생성한 프로세스 또는 패킷이 전달될 프로세스)의 우선순위에 따라 처리한다.
이러한 종래의 우선순위에 따른 네트워크 데이터 처리 방법은 각 채널마다 하나의 패킷 큐를 두고 상기 패킷 큐에 입력된 네트워크 데이터 처리를 위한 커널 쓰레드를 할당한다. 이때, 각 커널 쓰레드는 자신이 관리하는 패킷 큐를 사용하는 응용 프로세스의 우선순위에 따라 스케줄링된다. 또한, 각 커널 쓰레드는 주기적(periodic)으로 수행되는 태스크로 취급된다.
따라서, 하기와 같은 문제점을 발생시킨다.
첫째, 네트워크 패킷 처리를 불필요하게 지연(delay)시키는 문제점이 있다. 즉, 네트워크 프로토콜 처리를 수행하는 커널 쓰레드는 주기적으로 활성화(activate)되어 자신이 담당한 패킷 큐에 처리되어야 할 패킷이 들어 왔는지 검사한다. 이때, 처리할 패킷이 있으면 커널 쓰레드는 큐에 도착한 모든 패킷을 처리하고 다음 주기가 도래할 때까지 비활성화된다. 만약, 처리할 패킷이 없으면 커널 쓰레드는 즉시 비활성화된다.
따라서, 비활성화된 시간구간에 처리해야 될 패킷이 도착하면, 이 패킷은 커널 쓰레드가 활성화될 때까지 처리가 지연될 수 밖에 없다.
둘째, 우선순위가 높은 커널 쓰레드가 CPU를 독점하는 문제점이 있다. 즉, 우선 순위가 높은 커널 쓰레드가 활성화되어 패킷을 처리하는 동안에 계속해서 패킷이 도착하면 상기 커널 쓰레드는 중단없이 패킷을 처리하게 된다.
따라서, 우선순위가 낮은 다른 응용 프로세스와 이에 해당되는 커널 쓰레드들은 우선순위가 높은 커널 쓰레드의 활성화로 인해 자신의 네트워크 데이터를 전혀 처리하지 못할 수 있다.
또한, 멀티태스킹 환경에서 병렬성(concurrency)을 크게 저하시키는 결과를 초래할 뿐만 아니라, 리시브 라이브락을 발생시킬 수도 있다.
본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 리눅스와 같은 범용 운영체제 및 임베디드 시스템 등에 사용되는 실시간 운영체제의 커널 내부에서 응용 프로세스의 우선순위에 기반하여 네트워크 프로토콜을 처리함으로써, 네트워크 패킷들의 우선순위를 보장하고, 네트워크 패킷의 지연 처리를 방지하며, 우선순위가 높은 프로세스가 CPU 사용시간을 독점하는 것을 방지하기 위한, 운영체제 상에서 우선순위에 기반한 네트워크 데이터 처리 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기의 설명에 의해서 이해될 수 있으며, 본 발명의 실시예에 의해 보다 분명하게 알게 될 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 특허 청구 범위에 나타낸 수단 및 그 조합에 의해 실현될 수 있음을 쉽게 알 수 있을 것이다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 방법은, 운영체제 상에서 우선순위에 기반한 네트워크 데이터 처리 방법에 있어서, 응용 프로세스가 사용하는 네트워크 연결마다 송신큐와 수신큐 및 송신서버와 수신서버를 할당하는 단계; 상기 송신서버와 상기 수신서버에 해당 응용 프로세스의 우선순위를 승계시키는 단계; CPU(Central Processing Unit) 사용권을 할당한 상태에서 상기 송신큐 또는 상기 수신큐에 해당 응용 프로세스로부터의 네트워크 데이터가 입력됨에 따라 상기 송신서버 또는 상기 수신서버를 운영체제의 런큐(Run Queue)에 삽입하는 단계; 우선순위에 따라 CPU 사용시간 동안 네트워크 데이터를 처리하도록 해당 서버를 활성화시키는 활성화 단계; 및 CPU 사용시간이 경과함에 따라 상기 런큐에서 해당 서버를 삭제하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상술한 목적, 특징 및 장점은 첨부된 도면과 관련한 다음의 상세한 설명을 통하여 보다 분명해 질 것이며, 그에 따라 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 것이다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서 본 발명과 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에 그 상세한 설명을 생략하기로 한다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 일실시예를 상세히 설명하기로 한다.
도 1 은 본 발명에 따른 운영체제 상에서 우선순위에 기반한 네트워크 데이터 처리 구조의 일예시도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 커널 내부에 네트워크를 이용하는 각각의 응용 프로세스에 대해 2개의 네트워크 큐(송신큐 및 수신큐)와 2개의 프로토콜 처리 서버를 할당한다. 이때, 송신을 담당하는 프로토콜 서버를 송신서버(SPS : Sending Protocol Server)라 하고, 수신을 담당하는 프로토콜 서버를 수신서버( RSP : Receiving Protocol Server)라 한다. 여기서, 상기 프로토콜 서버들은 운영체제의 특성에 따라 커널 쓰레드 또는 커널 프로세스로 구현될 수 있으며, DS(Deferrable Server) 방식에 의해 스케줄링된다.
한편, 상기 DS 스케줄링 방식에 대해 좀 더 상세히 살펴보면, DS는 소정의 주기(P)로 활성화되어 지정된 수행시간(E) 동안에 비주기적인 태스크들을 처리한다.
즉, DS가 활성화된 시점에 처리해야 할 태스크가 없으면 바로 비활성화되지 만, 자신에게 허락된 시간(E)을 유지하고 있다가 언제든지 새로운 태스크가 도착하면 즉시 활성화되어 태스크를 처리한다. 이때, 한 주기 내에서 DS가 사용할 수 있는 CPU 사용시간은 제한되며, 수행시간(E)을 다 소모한 경우에는 다음 주기에 E만큼의 수행시간이 다시 충전된다.
따라서, 수행시간(E)이 허락하는 범위 내에서 임의의 시간에 도착하는 태스크의 처리를 즉시 수행할 수 있으며, 아울러 CPU 사용시간을 매 주기마다 E로 제한할 수 있다.
도 2 는 본 발명에 따른 운영체제 상에서 우선순위에 기반한 네트워크 데이터 처리 방법에 대한 일실시예 설명도이다.
도 2에 도시된 바와 같이, k개의 응용 프로세스가 k개의 네트워크 연결(Connection)을 가질 때, 각 연결마다 송신을 위한 패킷 큐와 수신을 위한 패킷 큐를 할당한다. 그리고, 송신큐(SQi)와 수신큐(RQi)의 처리를 위해 송신서버(SPSi)와 수신서버(RPSi)를 생성한다. 이때, 송신서버와 수신서버는 사용자가 지정하는 우선순위 즉, 응용 프로세스의 우선순위를 승계하며, 도 1에서 설명한 DS 방식에 의해 스케줄링된다.
이를 좀 더 상세히 살펴보면 하기와 같다.
먼저, 송신의 경우에 있어서, 송신서버의 수행시간(E)이 0보다 클 때, 응용 프로세스가 보낼 네트워크 패킷이 송신큐에 입력되면 이를 처리하기 위해 송신서버를 운영체제의 런큐(Run Queue)에 삽입한다. 이때, 운영체제 스케줄러는 고정우선순위에 기반하므로, 만약 송신서버의 우선순위가 런큐에서 가장 높다면 즉시 CPU 사용권을 할당받는다.
반면, 그렇지 않다면 우선순위가 높은 다른 응용 프로세스 또는 프로토콜 서버(송신서버 또는 수신서버)의 수행이 모두 끝난 후에 CPU 사용권을 할당받는다. 이때, 송신큐가 비어 있지 않은데도 불구하고 지정된 수행시간(E)을 모두 사용한 경우에는 송신서버를 강제로 비활성화시키고 런큐에서 삭제한다. 이후에 송신서버의 수행시간(E)이 재충전되면 송신서버를 다시 런큐에 삽입한다.
다음으로, 수신의 경우에 있어서, 네트워크 디바이스에 패킷이 도착하면, 헤더 정보에 따라 수신할 응용 프로세스를 결정한 후 수신큐에 삽입한다. 이때, 수신서버의 수행시간이 0보다 크다면 운영체제의 런큐에 삽입한다. 또한, 수신서버의 우선순위가 런큐에서 가장 높다면 즉시 CPU 사용권을 할당받는다.
반면, 그렇지 않다면 우선순위가 높은 다른 응용 프로세스 또는 프로토콜 서버의 수행이 모두 끝난 후에 CPU 사용권을 할당받는다. 이때, 수신큐가 비어 있지 않은데도 불구하고 지정된 수행시간을 모두 사용한 경우에는 수신서버를 강제로 비활성화시키고 런큐에서 삭제한다. 이후에 수신서버의 수행시간이 재충전되면 수신서버를 다시 런큐에 삽입한다.
여기서, 수행시간이 0보다 크다는 것은 할당받은 CPU 사용시간이 남아 있음을 의미한다.
본 발명에서 운영체제는 고정우선순위(static priority CPU scheduling)에 기반하여 CPU를 스케줄링한다.
도 3 은 본 발명에 따른 운영체제 상에서 우선순위에 기반한 네트워크 송신 데이터 처리 방법에 대한 일실시예 흐름도이다.
먼저, 응용 프로세스가 사용하는 네트워크 연결마다 송신큐와 수신큐 및 송신서버와 수신서버를 할당한다(301).
이후, 상기 송신서버와 상기 수신서버에 해당 응용 프로세스의 우선순위를 승계시킨다(302).
이후, CPU 사용권을 할당한 상태에서 상기 송신큐 또는 상기 수신큐에 해당 응용 프로세스로부터의 네트워크 데이터가 입력되면 상기 송신서버 또는 상기 수신서버를 운영체제의 런큐(Run Queue)에 삽입한다(303).
이후, 우선순위에 따라 CPU 사용시간 동안 네트워크 데이터를 처리하도록 해당 서버를 활성화시킨다(304). 이때, CPU 사용시간 이내에 상기 네트워크 데이터의 처리가 완료된 후 해당 큐에 새로운 네트워크 데이터가 입력됨에 따라 즉시 상기 해당 서버를 활성화시켜 새로운 네트워크 데이터를 처리한다.
이후, CPU 사용시간이 경과함에 따라 상기 런큐에서 해당 서버를 삭제한다(305).
이후, 상기 CPU 사용시간 동안 네크워크 데이터를 모두 처리하지 못한 경우에 CPU 사용권을 재할당받아 해당 서버를 상기 런큐에 재삽입한다.
상술한 바와 같은 본 발명의 방법은 프로그램으로 구현되어 컴퓨터로 읽을 수 있는 형태로 기록매체(씨디롬, 램, 롬, 플로피 디스크, 하드 디스크, 광자기 디스크 등)에 저장될 수 있다. 이러한 과정은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있으므로 더 이상 상세히 설명하지 않기 로 한다.
이상에서 설명한 본 발명은, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하므로 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니다.
상기와 같은 본 발명은, 리눅스와 같은 범용 운영체제 및 임베디드 시스템 등에 사용되는 실시간 운영체제의 커널 내부에서 응용 프로세스의 우선순위에 기반하여 네트워크 프로토콜을 처리함으로써, 네트워크 패킷들의 우선순위를 보장하고, 네트워크 패킷의 지연 처리를 방지하며, 우선순위가 높은 프로세스가 CPU 사용시간을 독점하는 것을 방지할 수 있는 효과가 있다.

Claims (3)

  1. 운영체제 상에서 우선순위에 기반한 네트워크 데이터 처리 방법에 있어서,
    응용 프로세스가 사용하는 네트워크 연결마다 송신큐와 수신큐 및 송신서버와 수신서버를 할당하는 단계;
    상기 송신서버와 상기 수신서버에 해당 응용 프로세스의 우선순위를 승계시키는 단계;
    CPU(Central Processing Unit) 사용권을 할당한 상태에서 상기 송신큐 또는 상기 수신큐에 해당 응용 프로세스로부터의 네트워크 데이터가 입력됨에 따라 상기 송신서버 또는 상기 수신서버를 운영체제의 런큐(Run Queue)에 삽입하는 단계;
    우선순위에 따라 CPU 사용시간 동안 네트워크 데이터를 처리하도록 해당 서버를 활성화시키는 활성화 단계; 및
    CPU 사용시간이 경과함에 따라 상기 런큐에서 해당 서버를 삭제하는 단계
    를 포함하는 운영체제 상에서 우선순위에 기반한 네트워크 데이터 처리 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    CPU 사용시간 동안 네크워크 데이터를 모두 처리하지 못한 경우에 CPU 사용권을 재할당받아 해당 서버를 상기 런큐에 재삽입하는 단계
    를 더 포함하는 운영체제 상에서 우선순위에 기반한 네트워크 데이터 처리 방법.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 활성화 단계는,
    CPU 사용시간 이내에 상기 네트워크 데이터의 처리가 완료된 후 해당 큐에 새로운 네트워크 데이터가 입력됨에 따라 즉시 상기 해당 서버를 활성화시켜 새로운 네트워크 데이터를 처리하는 것을 특징으로 하는 운영체제 상에서 우선순위에 기반한 네트워크 데이터 처리 방법.
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