계층적 구조 기반의 효율적 패킷 분류 알고리즘에 관한 연구

Abstract

통신 기술 발달에 따른 인터넷 망에 접속하는 엔드 시스템 종류의 증가와 다양한 어플리케이션의 발전은 인터넷 트래픽의 다양성을 증가시켰으며 이에 따라 인터넷 라우터에서 각기 차별화된 서비스의 제공을 위한 이슈가 중요시되고 있다. 그러나 기존의 라우터는 모든 패킷에 대해 동일하게 목적지 IP 주소를 검색(lookup)하여 입력 포트에서 출력 포트로 포워딩(forwarding)하는 최선 서비스(best-effort service)를 지원하기 때문에 인터넷 서비스 공급자 및 수요자의 요구를 충족시키지 못하였다. 패킷 분류는 인터넷 라우터로 하여금 패킷이 속하는 플로우에 해당하는 정책 기반 서비스를 가능하게 하는 선결적 요소로서 인터넷 라우터 설계에 있어 매우 중요한 이슈이다. 효율적인 패킷 분류 알고리즘을 평가하는 가장 중요한 요소는 모든 입력 패킷에 대해 선 속도로 검색을 수행할 수 있는 빠른 검색 속도이며 이는 메모리 접근 횟수로 평가된다. 또한 칩에 내장 가능한(on-chip) 크기의 작은 메모리 요구량이 중요하며 이는 포워딩 테이블의 크기 즉 엔트리의 너비와 수로서 평가된다. 본 논문에서는 근원지와 목적지 IP 주소의 계층적 검색을 통하여 일치 가능한 룰을 선 필터링하고 나머지 세 필드의 일치를 통해 가장 우선순위가 높은 룰을 검색하는 트라이 구조를 제안한다. 첫 번째 구조는 셋 프루닝과 이진 검색 구조를 동시에 적용함으로써 기존 계층 트라이의 내재적 문제인 역추적(back-tracking)과 빈 노드의 존재를 동시에 해결하였다. 두 번째 구조는 룰을 저장하는 위치의 재배열을 통하여 각 서브 트라이에서 가장 우선 순위가 높은 룰을 빈 노드에 대체하여 메모리 사용량을 줄이고, 우선 순위가 높은 룰을 먼저 검색하도록 하여 효율적인 검색을 가능하게 한다. 세 번째 구조는 엔세스터 포인터(ancestor pointer)의 적용으로 그리드 오브 트라이의 복잡한 선 계산(pre-computation) 없이도 모든 검색 결과를 올바르게 도출하며 메모리의 증가 (memory blowup) 없이도 역추적을 조절하여 검색 속도 향상이 가능하게 하였다. 실제 백 본 라우터의 룰 특성을 반영하는 클래스 벤치에서 추출한 룰 셋을 사용하여 실험한 결과 제안하는 구조들은 타 알고리즘과 비교하여 빠른 검색 성능을 갖는다는 점과 칩에 내장 가능한 효율적 메모리 사용이 가능하다는 점을 확인하였다.;The advancement in communication technology leads to the emergence of new application programs and the increase of the number of end systems connected to the Internet, and it consequently leads to the diversity of network traffic. Hence it is important for the Internet routers to offer different service based on the traffic flow. However, the traditional Internet routers only provide the best-effort service which looks up the destination IP address of each input packet and forwards it from the input port to the output port, and hence they do not satisfy the emerging demands from service providers and users. Packet classification is a pre-requisite process allowing the Internet routers to provide the policy-based service according to pre-defined rules for each flow. The packet classification has become an essential issue in designing the Internet routers. The most important factor in evaluating the effectiveness of packet classification algorithms is the search speed enabling the internet routers to perform wire-speed lookup for every incoming packet. It is evaluated by the number of memory access. The memory requirement is also an important factor, and it is evaluated by the size of routing tables, i.e. the width and the number of entries. This dissertation proposes three hierarchical packet classification algorithms based on trie structure. The proposed algorithms use the source and the destination prefix fields in pre-filtering the unmatched rules and use all five fields in determining the matched rules. The first proposed algorithm solves two intrinsic problems of previous hierarchical approach, “back-tracking” and “the existence of empty nodes”, by applying set-pruning and binary search structure. The second proposed algorithm considers the priority of each rule in re-arranging the position storing the rule information to provide high-speed search performance. The third proposed algorithm is motivated from that the previous grid-of-tries algorithm fails to search the best matching rule for some inputs if pre-computation is not provided. The third proposed algorithm uses ancestor pointers in avoiding the failure without the pre-computation. Performance simulations have been carried out using rule sets obtained from classBench which reflects the characteristics of rules in real back-bone routers. The results show that the proposed algorithms provide the better search performance compared with other previous hierarchical algorithms as well as the memory requirement is small enough to fit into on-chip memory.