RapidIO 기반 아키텍처는 우수한 흐름 제어와 패킷 형식으로 I/O 성능을 프로세서 성능에 맞춰 결정적인 적시 제공 기능과 효율적인 패브릭 활용도를 보장한다. 한마디로, RapidIO 기능은 지연율이 낮고 소형화된 차세대 풋프린트 서버 및 스토리지 네트워크에 적합한 뛰어난 확장형 솔루션을 제공한다.

글 | 모하메드 아크터 (Mohammad Akhter)
책임 설계자
IDT (Integrated Device Technology)

최근 들어 블레이드 서버와 마이크로 서버, 스토리지 시스템이 클라우드 환경의 데이터 센터에서 기존의 ToR(Top-of-Rack) 기반 시스템의 대안으로 주목받고 있다. 일반적인 클라우드 인프라에서 서버/스토리지 시스템은 안정적인 저전력 시스템 솔루션의 제공과 지연율이 낮은 사용자 경험을 보장하기 위해 간편한 확장성, 효율적인 가상화, 고성능 멀티 코어 프로세서와 지연율이 낮은 인터커넥트를 필요로 한다. 

인-섀시(In-chassis) 스위치 카드와 보다 적은 업링크 케이블을 사용한 블레이드 아키텍처는 ToR 기반 시스템에서의 비용을 줄이고 안정성을 높여준다. 반면, 마이크로 서버/스토리지 시스템은 블레이드 솔루션에서 풋 프린트와 소비전력을 절감한다. 프로세서에 적용된 네이티브 I/O의 아키텍처와 가용성에 따라, 마이크로 서버/스토리지 시스템의 지연율은 크게 줄어들 수도 있고 안정성, 확장성 및 가상화 특성 등이 개선될 수 있다.

일반적으로 서버 및 스토리지 아키텍처에는 이더넷, PCIe(PCI Express), 인피니밴드(InfiniBand)같은 인터커넥트가 사용된다. 이더넷(TCP/IP 사용)은 네트워킹에 주로 사용되지만 융합형 이더넷 기술(Converged Ethernet)을 통해 혼합 트래픽(예: 스토리지, 네트워킹 및 컴퓨팅)에도 사용될 수 있다. 하지만 혼합 트래픽을 관리하는 시스템에서는 프로토콜 스택이 컴퓨팅 성능을 많이 소모하기 때문에 지연율과 소모 전력이 매우 크다.
 
프레임 기반의 혼잡 관리 스키마와 대규모 프레임 전송을 중단할 수 없는 이더넷의 기능상 한계 때문에 QoS(Quality of Service)도 크게 저하된다.
반면, PCIe 및 인피니밴드 프로토콜은 주로 컴퓨팅 및 스토리지 트래픽에 사용된다. 메시징이 기본적으로 지원되지 않고 싱글 루트 계층 구조를 기반으로 하지 않기에 PCIe 인터커넥트는 확장성에 제약이 있다. 또한 인피니밴드 디바이스를 기반으로 한 서버/스토리지 시스템은 기본적으로 프로세서 기능을 지원하지 않으며 더 많은 시스템 비용과 종단 간 지연율로 인해 성능이 저하된다.

클라우드 활용 사례
블레이드 및 마이크로 서버 아키텍처는 다른 많은 적용 분야 중에서도 클라우드 환경에서의 시간 제한형 빅 데이터 분석과 같은 애플리케이션에 이상적이다. 그러한 애플리케이션은 네트워킹, 스토리지, 컴퓨팅과 관련된 혼합 트래픽 흐름을 지원해야 한다. QoS를 높이려면 이러한 애플리케이션이 대규모 데이터 세트와 실시간 스트리밍 데이터의 전체 처리 작업을 예정된 시간 내에 완료해야 한다. 빅 데이터 분석을 관리하기 위해서는 HBase를 사용한 아파치 하둡(Apache Hadoop) 프레임워크가 많이 사용된다.

하둡-HBase 프레임워크는 Map Reduce(컴퓨팅), HBase(스토리지), 인터커넥트 패브릭의 세 가지 요소로 구성된다. 이 프레임워크에서는 MapReduce 엔진과 관련된 데이터와 작업이 네트워크에 걸쳐 있는 서버 클러스터를 통해 동시에 로드되고 실행된다. 이러한 네트워크에는 데이터 크기에 따라서 확장성과 효율적인 인터커넥트가 필요하다. 이 프레임워크에서 Map 기능과 Reduce 기능은 컴퓨팅을 수행하고 HBase는 네트워크 상에서 대규모로 분산되어 있는 스토리지 노드에 대하여 고속 랜덤 액세스를 주관한다. 많은 수의 매핑 엔진이 동시에 작동하려면, 우선 크기가 큰 데이터 세트를 여러 개의 작은 데이터 세트로 분할해야 한다. 그러면 매핑 엔진이 데이터를 중간 형식(‘키’와 쌍을 이루는 형태)으로 정렬해 컴퓨팅 노드에 가장 가까운 스토리지로 전송한다.

데이터가 로딩 및 매핑된 후에는 다양한 스토리지 노드의 출력 데이터가 데이터 ‘키’에 따라 네트워크에 걸쳐 있는 Reducer 서버로 전송되고 정렬된다. 마스터 서버는 중간 데이터의 근접성을 기준으로 데이터가 Reducer 서버로 분산되도록 한다. Reducer 프로세싱이 완료되면 데이터를 결합하여 최종 결과를 생성한 후 네트워크 상의 스토리지 서버에 있는 하나 이상의 출력 파일에 다시 작성한다.

이 프레임워크에서는 정해진 시간 안에 프로세싱(컴퓨팅 및 스토리지 액세스)을 완료하기 위해 소프트웨어 인프라가 효율적인 인터커넥트를 지원하는 서버 및 스토리지 아키텍처로부터 도움을 받을 수 있다. 예를 들어 MapReduce 모델은 지연율이 낮은 인프라의 이점을 활용, 대규모로 확장되는 컴퓨팅 및 스토리지 노드 전반에 걸쳐 동시에 작업을 로드하고 실행할 수 있다. 이러한 프레임워크는 뛰어난 성능의 하드웨어 기반 내고장성, 오류 복구 기능 및 지연율이 낮은 동기화를 통해 시스템 관리 및 안정성(Map Reduce 및 HBase에서)과 관련한 소프트웨어 오버헤드도 줄일 수 있다. 요약하면, 이러한 프레임워크의 처리 단계에서는 데이터 센터 인터커넥트와 관련해 표 1과 같은 사항들이 요구된다.




다음에 설명하는 RapidIO 프로토콜의 여러 특성은 상시 언급된 요구사항은 물론, 클라우드 환경의 서버 및 스토리지 애플리케이션과 관련한 다른 여러 가지 요구사항도 지원하고 있다.

RAPIDIO 개요
고성능 RapidIO 프로토콜은 패킷 기반 오픈 데이터 통신 표준으로 2002년에 처음 소개됐다. 이후 수많은 OEM과 반도체 업체가 3G/4G 무선 기지국, 비디오 서버, 군용 통신, 임베디드 처리, 고성능 컴퓨팅 등의 인터커넥트 요구사항을 해결하기 위해 수백만 개의 RapidIO 기반 디바이스를 전 세계에 공급했다. 어떤 애플리케이션은 RapidIO 기반의 지연율이 낮은 확장형 패브릭 아키텍처를 통해 이점을 얻기도 했고, 또 다른 애플리케이션들은 납기 보장, 내 고장성 기능, 여러 개의 멀티 코어 CPU에 연결할 때의 안정성 등의 이점을 활용하기도 했다.

RapidIO 프로토콜과 패킷의 형식은 3계층 아키텍처 구조에 명시되어 있다. 이 프로토콜은 보드를 넘어 단거리, 중거리, 장거리 연결을 지원한다. 또한 이 표준은 파이버 연결과 케이블 연결을 모두 지원한다.

RapidIO 프로토콜은 관리와 제어의 관점에서 시스템 가동, 상호운용성, 멀티캐스팅, 오류 관리, 우수한 장애 복구 메커니즘을 포괄적으로 지원한다. 단순화된 계층형 아키텍처 덕분에 하드웨어에 프로토콜 스택을 구현하면서도 전반적인 소프트웨어 오버헤드, 시스템 비용, 소비 전력을 낮게 유지할 수 있다. 표 2에는 블레이드 및 마이크로 서버 아키텍처에 적용 가능한 RapidIO의 기능이 요약되어 있다.

블레이드 및 마이크로 서버의 RAPIDIO
RapidIO 호환 NIC(Network Interface Card)와 스위치(0)를 사용해 x86 기반 블레이드 서버 또는 마이크로 서버를 설계하면, 우수한 RapidIO 기능의 이점을 활용할 수 있다. 또한 RapidIO나 기타 저전력 프로세서를 기반으로 한 ARM을 사용해 마이크로 서버(0)를 설계할 수도 있다. RapidIO가 통합되면 규모가 큰 서버 및 스토리지 클러스터의 애플리케이션 간에 최저 시스템 지연율이 실현된다. 지연율이 낮고 처리 성능이 높은 인터커넥트를 사용함으로써 여러 애플리케이션을 마치 서로 연결된 것처럼 컴퓨팅 노드와 스토리지 노드에 걸쳐 실행하고 파티셔닝할 수 있게 된다. 그뿐만 아니라, 안정적인 내고장성 기능은 시스템 가용성을 높이면서 시스템의 동기화, 제어 및 모니터링과 관련한 CPU 오버헤드를 줄여준다.

요약
RapidIO 기반 디바이스는 데이터 센터에서 지연성에 민감한 빅 데이터 분석, 웹 검색, 분석, 온라인 멀티플레이어 게임, 분산 캐싱 등의 다양한 애플리케이션을 위한 데이터 센터에서 사용될 수 있다. 최저 지연율의 RapidIO 프로토콜을 기반으로 한 시스템은 기본적으로 많은 수의 노드와 큐(Que)로 확장이 가능하면서도 우수한 QoS, 내고장성, 안정성을 유지한다. RapidIO 기반 아키텍처는 우수한 흐름 제어와 패킷 형식으로 I/O 성능을 프로세서 성능에 맞추어 결정적인 적시 제공 기능과 효율적인 패브릭 활용도를 보장한다. 한마디로, RapidIO 기능은 지연율이 낮고 소형화된 차세대 풋프린트 서버 및 스토리지 네트워크에 적합한 뛰어난 확장형 솔루션을 제공한다.