블룸 필터를 사용한 IP 주소 검색 알고리즘의 성능향상에 관한 연구

Abstract

인터넷 망에서의 데이터 전송은 목적지를 가진 입력된 패킷을 스위칭 장비를 통해서 전달하는 방식으로 이루어진다. 라우터는 스위칭 장비의 대표적인 기기로써, 들어온 패킷의 목적지 주소를 이용하여 인터넷 주소 검색을 통해 목적지로 데이터를 내보내는 포워딩을 수행한다. 컴퓨터를 통한 인터넷 사용뿐만 아니라 이동통신장비의 증가와 다양한 응용프로그램의 발달로 현재의 인터넷은 급속도로 성장하고 있다. 인터넷 라우터에 연결된 링크의 속도는 이러한 수요에 빠르게 발전하고 있으나, 인터넷 라우터에서는 현재 입력된 패킷의 속도에 맞추어 실시간으로 처리되지 못하고, 일부 패킷에 대해서만 수행되는 많은 기능들이 있다. 그 까닭은 초당 수 천만 개의 속도로 입력되는 모든 패킷에 대하여 입력되는 패킷의 속도에 맞추어 선-속도를 수행되기에는 라우터의 하드웨어 성능이 따라가지 못하기 때문이다. 블룸 필터는 1970년에 처음 소개된 이후로 데이터베이스 애플리케이션에서 크게 각광받고 있으며, 최근에는 네트워크 분야에서도 블룸 필터의 이용이 급격히 늘고 있다. 블룸 필터가 많은 분야에서 사용되고 있는 이유는 블룸 필터의 구조의 간단성, 사용의 편리함, 그리고 가장 많이 사용되는 자료구조로 만들어졌기 때문이다. 본 논문에서는 실시간으로 처리되어야 하는 여러 알고리즘 중 Waldvogel의 길이에 따른 이진 검색 알고리즘(WBSL)과 리프-푸싱을 사용한 길이에 따른 이진 검색구조(LBSL)의 단점을 보완한 알고리즘과 블룸 필터를 적용하여 검색 성능을 향상시킬 수 있는 알고리즘을 제안한다. 그 다음 제안하는 알고리즘의 전체적인 성능을 기존의 알고리즘과 비교, 분석하였다. WBSL는 복잡한 선-계산을 해야 하는 단점을 가지고 있고 LBSL은 하나의 프리픽스가 여러 번 복사되어 메모리 사용량을 증가시키는 단점을 가지고 있다. 제안하는 구조는 이 두 알고리즘의 단점을 보완하여 불필요한 선-계산을 없애면서 프리픽스가 여러 번 복사되는 점을 줄여 약간의 검색성능과 메모리 사용량을 감소 시키는 알고리즘을 제안하였다. 또 다른 제안하는 구조는 앞서 말한 제안하는 구조 알고리즘에 블룸 필터를 적용한 알고리즘을 제안하였다. 블룸 필터를 통해 노드의 존재 여부를 판단함으로써 불필요한 트라이의 접근을 줄이므로 검색 성능을 향상 시킨 알고리즘이다. 실제 라우터에서 사용되는 프리픽스 집합을 가지고 성능을 비교해 봄으로써 본 논문에서 제안하는 알고리즘이 기존의 알고리즘보다 성능의 우수함을 보였다. ;Data communication in the Internet is achieved through switching devices which forward an incoming packet toward the final destination. As a representative switching device, Internet routers perform the forwarding through the address lookup using the destination IP address of the arrived packet. The use of Internet has been rapidly growing due to the mobile accesses with various new applications in these days, and hence the speed requirement is also growing. The link speed advancement is accompanied with these demands, but there are some functions which need speed improvement in the Internet routers in order to handle incoming packets arriving several tens of million packets per second in wire-speed. The IP address lookup problem is one of those functions, and hence it is important to research on more efficient IP address lookup algorithms. The Bloom filter is spotlighted in database applications greatly since it was first introduced in 1970, and the use of Bloom filters in the field of network applications rapidly increasing in recent years. The reason for this is because of the simplicity of the data structure, ease to implement, and easy to process. Since binary search on trie levels (BSL) approach is known to provide the best search performance among trie-based algorithms, this dissertation is focused on IP address lookup algorithms based on the BSL such as Waldvogel’s BSL (WBSL) and leaf-pushing BSL (LBSL). Firstly, we consider improving the issue of BSL approach. The WBSL algorithm has an issue of complicated pre-computation of markers and the best match prefixes (BMPs). The LBSL has an issue of prefix replication and hence the increasing memory requirement. We propose an improved leaf-pushing BSL (ILBSL) algorithm which reduces the prefix replication and provides the better search performance with a simple pre-computation. Secondly, we examine whether the performance of each algorithm can be improved by applying Bloom filters. In other words, we propose to apply a Bloom filter to WBSL algorithm and to LBSL algorithm in order to improve the search performance. The Bloom filters determine whether there is a node in the trie corresponding to the current level of access and hence avoid unnecessary hash table accesses when there is no node. The Bloom filter is also applied to our proposed ILBSL algorithm so that unnecessary memory accesses are similarly avoided. The overall performance of proposed algorithms is evaluated using actual routing databases and compared with the previous algorithms. Simulation results show that applying Bloom filters to BSL approach is very effective, and hence the proposed algorithms provide faster IP address lookup.