계층적 접근을 적용한 효율적인 패킷 분류 알고리즘

Abstract

인터넷 기술의 급속한 발전과 새로운 응용 프로그램들의 빠른 확산으로 인하여 빠른 속도의 데이터 송수신뿐만 아니라, 입력된 패킷을 특정 클래스로 구분하여 품질 보증(QoS)을 제공하는 서비스의 필요성이 대두되고 있다. 이러한 새로운 서비스들은 입력된 패킷을 미리 정의된 룰에 따라 플로우로 구분하고, 각 플로우에 해당하는 정책에 따라 각각 다른 서비스를 제공할 수 있도록 하는 패킷 분류를 통해 제공된다. 또한 패킷 분류는 차세대 네트워크에서의 정책 기반 라우팅, 품질 보장 서비스와 함께 정책 기반 방화벽의 보급을 통한 보안 보장 서비스 등을 제공하기 위한 중요한 프로세스이다. 패킷 분류의 어려움에는 크게 두 가지 요인이 존재한다. 첫째로, 패킷 분류는 패킷 헤더의 한 필드만을 고려하는 것이 아니라 여러 필드를 동시에 고려하여 모든 필드와 일치하는지를 확인해야 하며, 일치 가능한 여러 개의 룰 가운데서 우선순위가 가장 높은 룰을 최종적으로 검색하여 룰에 정의된 정책에 따라 패킷을 처리해야 한다. 두 번째로, 현재의 인터넷 환경과 링크 테크놀로지는 매우 빠른 속도로 발전하고 있고 따라서 초당 기가 비트 이상의 속도로 입력되는 모든 패킷에 대하여 선 속도로 처리되어야 한다. 본 논문에서는 트리 구조에 기초하면서 계층적 접근을 통한 새로운 효율적인 패킷 분류 구조인 계층 우선순위 트라이와 계층 이진 검색 트리를 제안한다. 제안하는 구조는 트라이 내부에 존재하는 빈 노드가 완전히 제거될 수 있도록 우선순위 노드로 대체하거나, 이진 검색방법을 적용하여 빈 노드를 완전히 제거함으로써 기존의 트라이에 기초한 구조들보다 메모리 접근 횟수를 줄여 검색 성능을 향상시키고 동시에 메모리 효율성을 높인 구조이다.;Due to the advancement of the Internet technology and the fast deployment of new application programs, demands for quality of services (QoS) as well as fast exchange of data are increased. The quality of services in the Internet is provided through packet classification in the Internet routers which classifies input packets into flows according to pre-defined rules and supplies different services according to the pre-defined policy for each flow. The packet classification is also an essential component for security guaranteed services such as firewalls. The complexity of packet classification comes from several reasons. Firstly, while IP address lookup only considers the destination IP address, packet classification considers multiple header fields at the same time and looks for the rules matched with input packets in every field of pre-defined rules. Secondly, there could be multiple rules matched to input packets and routers determine the highest priority rule among all matched rules as the final result of the packet classification. Lastly, the packet classification should be performed in wire-speed under the circumstance that tens of million packets are arrived into routers in a second. Even though there are some issues such as empty internal nodes are associated and back-tracking is intrinsic in the hierarchical approach of packet classification, the hierarchical-trie approach shows very good search performance. In the hierarchical-trie structure, search space is significantly reduced whenever a field search is completed. In this paper, two new packet classification algorithms based on the hierarchical approach are proposed. The first proposed packet classification algorithm is hierarchical priority trie (HPtrie). The proposed HPtrie removes empty internal nodes in hierarchical-trie by replacing them with priority nodes. The second proposed algorithm is hierarchical binary search tree (HBST). The proposed HBST removes empty internal nodes by applying binary search tree which does not include any empty nodes. Therefore, the proposed algorithms greatly improve the search speed by reducing the number of memory accesses and the memory efficiency by complete removing of empty nodes.