TOE(TCP/IP Offloading Engine)란?

TCP/IP는 가장 널리 사용되는 컴퓨터간의 통신 프로토콜입니다. 하지만 네트워크 속도가 기가비트, 10 기가비트 환경으로 넘어 오면서 TCP/IP는 서버 호스트 CPU의 가장 큰 부하로 작용 하고 있습니다. 이는 10/100 Fast Ethernet 환경에서는 큰 문제를 야기 하지 않았지만 기가비트 이더넷 환경에서는 호스트 프로세서는 실제 업무를 수행하는 것 보다 TCP/IP 프로토콜 스택을 처리하는데 더 많은 CPU 사이클을 사용하게 되었습니다. 네트워크 대역폭은 2년마다 3배의 속도로 증가하고 있는데 이는 CPU 사이클은 18개월마다 2배씩 증가한다는 무어의 법칙을 앞지르는 속도 입니다. 일반적으로 1bit/sec의 TCP/IP 데이터를 처리하는데 1Hz의 CPU 사이클이 필요한 것으로 알려져 있습니다. 이를 이론상으로 따지자면 1Gbit/sec Full duplex 모드에서는 2GHz 의 CPU 사이클이, 10Gbit/sec Full duplex 모드에서는 20GHz의 CPU 사이클이 필요 하게 됩니다. 따라서 멀티코어 CPU를 장착한 최신의 고성능 시스템에서 조차 10 기가비트 이더넷 환경의 구현이 어렵습니다. 특히 IP를 통한 데이터 전송을 수행하는 iSCSI 프로토콜이나 고성능 클러스터링 컴퓨팅(HPCC) 구현에 사용되는 네트워크로 연결된 한 컴퓨터에서 다른 컴퓨터로 직접 메모리 데이터를 억세스하는 RDMA 프로토콜에서는 TCP/IP 오버헤더로 인한 심각한 성능 저하 때문에 TOE 기술이 반드시 선행 되어야 합니다. 이러한 대용량의 IP 네트워크 처리에 있어 CPU의 부담을 덜어주기 위한 방법으로 TCP/IP Processing 기능을 기존의 NIC에 통합하여 구현 하거나 별도의 하드웨어로 구현한 것이 TCP/IP Offloading Engine( TOE ) 기술입니다.

TOE(TCP/IP Offloading Engine)의 구조

기존 시스템의 구성은 아래 그림(1)과 같이 TCP/IP 스택이 OS내에 소프트웨어 형태로 존재하여 TCP/IP 프로토콜 처리를 호스트가 처리 하므로 서버에 많은 부하를 야기 시킵니다. TOE 는 기존의 TCP/IP 에서 소프트웨어로 구현 되었던 Transport와 Network 계층을 하드웨어로 구현한 것입니다. 이를 통해 호스트의 TCP/IP 처리 부하를 줄여서 본연의 어플리케이션 수행 성능 향상과 네트워크 처리 속도 향상을 가져다 줍니다.

<일반적인 TCP/IP 스택과 TOE TCP/IP 스택의 비교>

Chelsio TOE 10Gigabit NIC 과 Intel Non-TOE 10Gigabit NIC 성능 비교

Connection 수의 증가에 따라 네트워크 성능과 호스트 자원 활용이 큰 차이를 보입니다. TOE를 구현 하지 않고는 사실상 10Gigabit의 성능 구현이 불가능합니다.