Enhancement of over-Gbps protocol processing using BSD UNIX

近年,汎用PC等の安価なプラットフォームを用いた高速ネットワークの実現手法に関する研究が盛んに行われており,それに伴い,数Gbpsの高速ネットワークを活用したアプリケーションが開発されている.本論文では,この様なアプリケーションへの運用を目標として,汎用PC上で動作するサーバOSの実装法に起因するネットワークスループットへの影響に着目しながら,ネットワークプロトコル処理の高速化手法に関して報告する.まずサーバOSとして広く用いられているBSD系OS（FreeBSD）とLinuxをインストールしたシステムに,ギガビット超の高速ネットワークを実現する10GbE対応インターフェース,及びOC-48c(2.4Gbps)インターフェースを搭載し,一次評価を行い,その結果を元にFreeBSDにおけるネットワークスループットの低下原因を解析した.特にFreeBSDに特有のバッファ管理方式であるmbuf構造に着目し,我々が提案し実装を進めている「適応型デバイスドライバ」を用いてスループットを改善する実装を行った.「適応型デバイスドライバ」とは,ホストの持つリソースの状態に応じて動的に振舞いを変更するデバイスドライバである.我々の実装した手法により,ショートパケットにおいて70%のパケット処理性能の改善,およびロングパケットにおいて10%のスループットの改善効果を確認することができた.

Recent R&D activities in high speed networks using general-purpose PCs lead to the emergence of applications demanding over-Gbps network bandwidth. In this paper, we report how we enhanced the network protocol processing of the BSD UNIX by focusing on the difference in the implementation of server-oriented OSs, especially in over-Gbps networks. Firstly, we conducted the preliminary evaluation of the network throughput using two system which we installed Linux and FreeBSD in combination with over-Gbps network interface cards. The cards include ones for 10-gigabit Ethernet and for OC-48c(2.4Gbps) POS(Packet over SONET/SDH). By the obtained result of the throughput comparison, we found the mbuf memory management scheme is the promary cause lowering the achievable throughput in FreeBSD. We proposed adaptive device drivers, which change dynamically their behaviors according to the host-resource usage states, to work around the mbuf's drawback, resulting in 70% packet procesing gain in the short-packet transmission and 10% throughput gain in the long packet transmission.