데이터 센터 브리지

우선순위 기반 흐름 제어(Priority-based Flow Control, PFC)는 데이터 센터 브리지의 핵심 구성 요소 중 하나로, IEEE 802.1Qbb 표준으로 정의된다. 이 기술은 전통적인 이더넷의 흐름 제어 메커니즘을 확장하여, 서로 다른 트래픽 클래스(우선순위)별로 독립적으로 흐름 제어를 수행할 수 있게 한다. 목적은 무손실 서비스를 요구하는 특정 트래픽(예: 스토리지 트래픽)의 패킷 손실을 방지하는 것이다.

동작 원리는 다음과 같다. 네트워크 장비(스위치)의 수신 버퍼가 특정 우선순위 트래픽에 대해 미리 설정된 임계치에 도달하면, 송신 측(일반적으로 상위 링크의 스위치 또는 서버)에게 해당 우선순위에 대한 일시 정지(Pause) 프레임을 전송한다. 이 프레임을 받은 송신 측은 지정된 우선순위의 트래픽만 전송을 중지하고, 다른 우선순위의 트래픽은 정상적으로 전송을 계속한다. 이를 통해 한 트래픽 유형의 콘제스션(혼잡)이 네트워크의 다른 모든 트래픽을 막는 헤드 오브 라인 블로킹(HOLB) 문제를 해결한다.

PFC의 적용은 주로 패킷 손실에 극도로 민감한 프로토콜에 필수적이다. 예를 들어, FCoE(Fibre Channel over Ethernet)나 iSCSI와 같은 스토리지 프로토콜은 데이터 무결성을 보장하기 위해 무손실 전송을 필요로 한다. PFC는 이러한 트래픽에 대해 전용 가상 레인을 제공하는 것과 유사한 효과를 내어, 기존 파이버 채널 네트워크의 신뢰성을 이더넷 인프라 위에서 구현할 수 있게 한다.

그러나 PFC 구현 시 주의할 점도 존재한다. 잘못 구성되거나 네트워크 내에서 확산되면, 일시 정지 프레임이 연쇄적으로 전파되어 네트워크 성능을 저하시키는 PFC 스톰 현상을 초래할 수 있다[1]. 따라서 정밀한 버퍼 임계치 설정과 네트워크 모니터링이 필요하다.

향상된 전송 선택(Enhanced Transmission Selection, ETS)은 데이터 센터 브리지(DCB) 아키텍처의 핵심 구성 요소 중 하나로, 여러 트래픽 클래스 간에 가용 대역폭을 효율적으로 분배하는 메커니즘을 제공한다. ETS는 우선순위 기반 흐름 제어(PFC)가 특정 트래픽 클래스의 정체를 방지하는 동안, 나머지 대역폭을 다른 클래스들이 공정하게 공유할 수 있도록 설계되었다. 이를 통해 네트워크 자원의 활용도를 극대화하면서도 각 애플리케이션의 성능 요구사항을 보장한다.

ETS의 작동 방식은 각 트래픽 클래스에 최소 보장 대역폭 할당량을 설정하는 데 기반을 둔다. 관리자는 예를 들어 스토리지 트래픽, 클러스터 통신, 일반 데이터 트래픽 등 서로 다른 유형의 트래픽에 대해 별도의 클래스를 정의하고 각각에 대역폭 비율(예: 40%, 40%, 20%)을 할당할 수 있다. ETS는 이 할당량에 따라 각 클래스의 트래픽이 전송될 수 있는 기회를 스케줄링한다. 특정 클래스가 자신에게 할당된 대역폭을 전부 사용하지 않을 경우, ETS는 유휴 상태의 대역폭을 다른 클래스들이 동적으로 사용할 수 있도록 허용하여 링크 효율성을 높인다.

주요 적용 사례로는 iSCSI나 FCoE(Fibre Channel over Ethernet)와 같은 스토리지 프로토콜 트래픽을 일반 데이터 트래픽과 동일한 물리적 이더넷 인프라에서 격리하면서 실행하는 경우가 있다. ETS를 통해 스토리지 트래픽 클래스에 일정량의 예측 가능한 대역폭을 보장하면, 지연에 민감한 스토리지 I/O 작업이 다른 대역폭을 많이 소비하는 트래픽에 의해 방해받지 않고 안정적으로 수행될 수 있다. 이 표준은 IEEE 802.1Qaz 태스크 그룹에 의해 정의되었다.

대역폭 관리 및 제한은 DCB 아키텍처에서 ETS와 함께 작동하여 네트워크 트래픽 클래스별로 보장된 최소 대역폭과 최대 대역폭을 할당하는 기능이다. 이는 특정 응용 프로그램이 네트워크 전체 대역폭을 독점하는 것을 방지하고, 모든 트래픽 유형이 예측 가능한 성능을 얻을 수 있도록 한다. 관리자는 각 트래픽 클래스에 대해 보장률(Guaranteed Bandwidth)과 한계율(Limit Bandwidth)을 정책 기반으로 설정할 수 있다.

구체적인 작동 방식은 다음과 같다. 보장된 대역폭은 해당 트래픽 클래스가 항상 사용할 수 있는 최소한의 대역폭을 의미한다. 예를 들어, iSCSI 스토리지 트래픽에 40%의 보장 대역폭을 설정하면, 네트워크가 혼잡할 때도 이 트래픽은 설정된 양의 대역폭을 확보한다. 반면, 대역폭 제한은 특정 클래스가 사용할 수 있는 최대 대역폭을 규정하여, 한 응용 프로그램이 모든 리소스를 소비하는 것을 차단한다.

이러한 정책은 일반적으로 네트워크 스위치에서 구성되며, 다음 표와 같은 형태로 정의될 수 있다.

보장 대역폭의 합은 일반적으로 100%를 초과하지 않도록 구성한다. 할당되지 않은 나머지 대역폭은 '최선형(Best-Effort)' 트래픽이 사용하거나, 다른 클래스가 자신의 보장 한도를 초과하여 사용할 수 있다. 이 메커니즘을 통해 네트워크 관리자는 대역폭을 효율적으로 분배하고, 중요한 업무의 성능을 일관되게 보장하면서도 전체 링크 활용도를 최적화할 수 있다.

IEEE 802.1Qbb는 우선순위 기반 흐름 제어(PFC)를 정의하는 IEEE 표준이다. 이 표준은 기존 이더넷의 흐름 제어 메커니즘을 확장하여, 특정 트래픽 클래스(TC)에 대해서만 독립적으로 흐름 제어 신호를 보낼 수 있도록 한다. 이는 데이터 센터 브리지(DCB) 환경에서 혼잡이 발생했을 때, 지연에 민감한 트래픽의 전송을 중단하지 않으면서도 대역폭이 많은 트래픽의 전송을 일시적으로 멈추게 하는 데 핵심적인 역할을 한다.

PFC는 IEEE 802.3의 링크 수준 흐름 제어(일반적으로 PAUSE 프레임으로 알려짐)와 구별된다. 전통적인 PAUSE 프레임은 물리적 링크의 모든 트래픽을 중지시키지만, PFC는 8개의 우선순위 큐(0~7) 각각에 대해 개별적인 PAUSE 신호를 보낼 수 있다. 예를 들어, 스토리지 영역 네트워크(SAN) 트래픽에 할당된 높은 우선순위 큐는 계속해서 프레임을 전송하는 반면, 데이터 백업 트래픽에 할당된 낮은 우선순위 큐는 혼잡 구간에서 일시적으로 정지될 수 있다.

이 메커니즘의 동작은 수신 측 스위치 포트의 버퍼 임계값에 의해 트리거된다. 특정 우선순위 큐의 버퍼 사용량이 설정된 임계값을 초과하면, 해당 포트는 송신 측에게 특정 우선순위에 대한 PAUSE 프레임을 전송한다. 송신 측은 지시받은 우선순위의 트래픽 전송만을 중단하고, 다른 우선순위의 트래픽은 정상적으로 전송을 계속한다. 이를 통해 무손실 이더넷을 실현하여, 패킷 손실로 인한 성능 저하 없이 FC over Ethernet(FCoE)이나 RDMA over Converged Ethernet(RoCE)과 같은 지연에 민감한 프로토콜의 안정적인 운용을 보장한다.

IEEE 802.1Qaz는 데이터 센터 브리지(DCB) 아키텍처의 핵심 구성 요소 중 하나인 향상된 전송 선택(ETS)과 대역폭 관리를 정의하는 표준이다. 이 표준은 IEEE 802.1 작업 그룹에 의해 개발되었으며, 단일 물리적 링크 상에서 여러 트래픽 클래스 간에 대역폭을 예측 가능하게 할당하고 관리하는 메커니즘을 제공한다. 주요 목적은 우선순위 기반 흐름 제어(PFC)로 보장받는 무손실 전송 채널에 대한 대역폭 할당을 제어하여 특정 트래픽 유형이 네트워크를 독점하는 것을 방지하는 것이다.

ETS는 8개의 우선순위 트래픽 클래스(0-7)를 최대 3개의 논리적 그룹으로 분할하여 각 그룹에 보장된 최소 대역폭을 할당하는 방식으로 작동한다. 예를 들어, 스토리지 트래픽, 클러스터 통신 트래픽, 기타 일반 트래픽을 서로 다른 그룹으로 분리할 수 있다. 각 그룹은 구성된 대역폭 내에서 트래픽을 전송할 권리를 보장받는다. 표준은 또한 대역폭 관리자를 정의하여 네트워크 장치가 링크 파트너와 ETS 구성 정보를 교환하고 일관된 정책을 적용할 수 있도록 한다.

대역폭 할당 및 제어는 다음과 같은 원칙에 따라 이루어진다.

이러한 메커니즘을 통해 네트워크 관리자는 iSCSI나 FCoE 같은 지연에 민감한 스토리지 트래픽에 일정 수준의 예측 가능한 성능을 보장하면서도, 남는 대역폭을 일반 데이터 트래픽에 효율적으로 활용할 수 있다. IEEE 802.1Qaz는 PFC(IEEE 802.1Qbb)와 함께 작동하여 무손실 서비스와 공정한 대역폭 분배를 동시에 실현함으로써, 데이터 센터 내 컨버지드 네트워크의 구현을 위한 필수적인 기반을 마련한다.

데이터 센터 브리지는 스토리지 네트워크에서 iSCSI와 FCoE 같은 프로토콜이 원활하게 동작할 수 있는 필수적인 기반을 제공한다. 기존의 이더넷은 패킷 손실을 허용하는 베스트 에포트(best-effort) 방식으로 설계되어, 스토리지 트래픽처럼 지연과 손실에 매우 민감한 트래픽을 처리하는 데 한계가 있었다. DCB는 이러한 문제를 해결하여, 하나의 통합된 이더넷 인프라 위에서 데이터 네트워크와 스토리지 네트워크를 함께 수용하는 컨버지드 네트워크(Converged Network)를 실현하는 핵심 기술이다.

iSCSI의 경우, TCP 위에서 실행되어 기본적인 신뢰성은 보장되지만, TCP의 혼잡 제어 메커니즘은 패킷 손실 시 재전송으로 인한 지연을 유발할 수 있다. DCB의 우선순위 기반 흐름 제어(PFC)는 스토리지 트래픽에 할당된 전용 가상 레인에서 패킷 손실을 근본적으로 방지함으로써, iSCSI의 성능을 크게 향상시키고 예측 가능한 대기 시간을 보장한다. 이를 통해 iSCSI는 더 높은 처리량과 안정성을 달성하여, 파이버 채널과 같은 전용 스토리지 네트워크에 대한 비용 효율적인 대안으로서의 입지를 강화한다.

FCoE는 파이버 채널 프레임을 이더넷 프레임에 캡슐화하여 전송하는 기술로, 손실 없는 전송이 절대적으로 요구된다. DCB는 FCoE가 동작하기 위한 필수 조건을 제공한다. PFC는 FCoE 트래픽에 대한 무손실 서비스를 보장하고, 향상된 전송 선택(ETS)은 FCoE 트래픽에 예측 가능한 최소 대역폭을 할당한다. 이는 파이버 채널 네트워크의 신뢰성과 성능 특성을 이더넷 인프라 상에서 그대로 유지할 수 있게 한다. 결과적으로 조직은 별도의 파이버 채널 스위치와 네트워크 어댑터를 유지 관리할 필요 없이, 기존의 이더넷 케이블과 스위치를 활용하여 서버와 스토리지를 연결할 수 있게 되어, 장비 비용, 전력 소비, 케이블 복잡성을 크게 줄일 수 있다[3].

따라서, 스토리지 네트워킹 영역에서 DCB는 iSCSI와 FCoE가 예측 불가능한 공유 네트워크 환경에서 발생할 수 있는 성능 저하 문제를 해결하고, 데이터 네트워크와 스토리지 네트워크의 인프라 통합을 가능하게 하는 기술적 토대가 된다.

고성능 컴퓨팅 클러스터는 수천 개의 서버 노드가 병렬로 작업하여 복잡한 과학적, 공학적 계산을 수행합니다. 이러한 환경에서 노드 간의 통신 지연은 전체 작업 완료 시간에 직접적인 영향을 미칩니다. 데이터 센터 브리지는 이더넷 네트워크 상에서 지연에 민감한 트래픽을 보장함으로써 HPC 애플리케이션의 성능을 극대화하는 데 기여합니다.

HPC 클러스터 내 통신은 주로 메시지 전달 인터페이스와 같은 프로토콜을 사용합니다. 이 트래픽은 작은 메시지가 빈번하게 교환되는 특징이 있으며, 네트워크 정체로 인한 지연이나 패킷 손실이 발생하면 전체 병렬 작업의 동기화에 차질이 생겨 성능이 급격히 저하될 수 있습니다. DCB의 우선순위 기반 흐름 제어는 이러한 중요한 MPI 트래픽에 전용 우선순위 대기열을 할당하고, 정체 발생 시 해당 우선순위의 트래픽만 일시적으로 정지시켜 패킷 손실을 제로로 만들기 때문에, 애플리케이션 성능의 예측 가능성과 안정성을 보장합니다.

또한, 향상된 전송 선택을 통해 네트워크 관리자는 HPC 트래픽에 필요한 최소 대역폭을 보장하면서도, 백업이나 파일 전송과 같은 덜 중요한 트래픽이 동일한 물리적 인프라를 공유할 수 있도록 합니다. 이는 별도의 전용 네트워크를 구축할 필요 없이 하나의 컨버지드 네트워크로 HPC 워크로드와 일반 데이터 트래픽을 효율적으로 통합 관리할 수 있게 해줍니다.

데이터 센터 브리지(DCB) 구현의 주요 도전 과제 중 하나는 네트워크 장비 간의 호환성 확보이다. DCB는 이더넷 표준에 추가된 일련의 확장 기능들의 집합체이므로, 네트워크의 모든 장치가 동일한 표준을 지원하고 올바르게 구성되어야만 기능이 제대로 동작한다. 이는 종단 간(end-to-end) 네트워크 경로 상의 모든 네트워크 스위치, 네트워크 인터페이스 컨트롤러(NIC), 그리고 컨버지드 네트워크 어댑터(CNA)에 적용된다.

특히 우선순위 기반 흐름 제어(PFC)는 장비 간 미묘한 구현 차이로 인해 호환성 문제가 발생하기 쉽다. 서로 다른 벤더의 장비 간에 PFC 프레임을 교환할 때, 프레임 형식 해석이나 흐름 제어 정지/재개 신호 처리 방식에서 불일치가 생기면 네트워크 성능 저하나 심지어 연결 단절이 발생할 수 있다. 따라서 데이터 센터 관리자는 DCB를 도입하기 전에 네트워크에 배포될 모든 하드웨어와 펌웨어가 DCB 표준, 특히 IEEE 802.1Qbb 및 IEEE 802.1Qaz를 완벽히 준수하는지 철저히 검증해야 한다.

이러한 호환성 요구사항은 기존의 범용 이더넷 네트워크보다 더 엄격한 관리와 계획을 필요로 한다. 네트워크가 단일 벤더 솔루션으로 구성된 경우 호환성 문제는 상대적으로 적지만, 다중 벤더 환경에서는 표준 준수 여부와 상호 인증 테스트 결과를 중점적으로 평가해야 한다. 결국, DCB의 장점을 실현하기 위해서는 네트워크 인프라 전반에 걸친 동질적이고 일관된 지원이 필수적이다.

DCB 네트워크의 설정과 관리는 여러 계층에서의 정밀한 구성이 필요하므로 복잡성이 높은 편이다. 이 복잡성은 주로 정책 정의, 장비 간 일관성 유지, 그리고 문제 해결 과정에서 발생한다.

구성의 핵심은 트래픽 클래스별로 대역폭 할당, 버퍼 크기, 우선순위 수준 등을 세부적으로 정의하는 정책을 수립하고 네트워크의 모든 관련 스위치와 NIC에 일관되게 적용하는 것이다. 예를 들어, FCoE 트래픽에 최고 우선순위와 전용 대역폭을 보장하면서도 다른 클래스의 트래픽이 기아 상태에 빠지지 않도록 조정해야 한다. 이러한 정책 설정은 명령줄 인터페이스(CLI)나 관리 소프트웨어를 통해 이루어지며, 네트워크 토폴로지가 변경되거나 새로운 애플리케이션이 추가될 때마다 재검토 및 조정이 필요할 수 있다.

문제 발생 시 진단과 해결도 어려움을 겪게 한다. 전통적인 이더넷에서는 패킷 손실이 혼잡 제어의 일반적인 신호였지만, DCB 환경에서는 PFC가 작동하여 손실을 방지한다. 이로 인해 네트워크에 심각한 혼잡이 발생하더라도 패킷 손실 지표로는 쉽게 감지되지 않을 수 있다. 대신, PFC 프레임의 빈도나 트래픽 클래스별 대기 시간 증가를 모니터링해야 하며, 이는 특화된 네트워크 분석 도구와 깊은 프로토콜 이해를 요구한다. 설정 오류나 장비 간의 미세한 호환성 문제가 성능 저하나 예기치 않은 동작을 초래할 수 있다.

따라서 DCB를 성공적으로 운영하기 위해서는 명확한 정책 설계, 철저한 변경 관리 절차, 그리고 DCB 특화 모니터링 역량을 갖추는 것이 중요하다. 자동화된 구성 관리 도구와 중앙 집중식 정책 관리 플랫폼을 도입하면 이러한 복잡성을 일부 완화할 수 있다.

일반 이더넷은 패킷 손실을 네트워크 혼잡의 주요 지표로 사용하고, TCP와 같은 상위 계층 프로토콜이 재전송을 통해 신뢰성을 보장하는 베스트 에포트 서비스 모델을 기반으로 합니다. 모든 트래픽이 동일한 대기열과 처리 방식을 공유하기 때문에, 대역폭이 많은 스토리지 트래픽이 실시간성이 중요한 VoIP 트래픽의 성능을 저해할 수 있습니다. 이는 데이터 센터에서 레이턴시에 민감한 애플리케이션과 로스리스 전송이 요구되는 트래픽을 수용하기에는 한계가 있습니다.

반면, 데이터 센터 브리지는 이더넷 프레임 수준에서 트래픽 클래스별로 차별화된 서비스를 제공합니다. DCB는 우선순위 기반 흐름 제어를 통해 특정 우선순위의 트래픽이 패킷 손실 없이 전송되도록 보장하며, 향상된 전송 선택을 통해 각 트래픽 클래스에 예측 가능한 최소 대역폭을 할당합니다. 이는 단일 물리적 네트워크 인프라 위에 여러 개의 논리적 채널을 생성하는 효과를 냅니다.

다음 표는 두 기술의 주요 차이점을 보여줍니다.

결론적으로, 일반 이더넷은 유연성과 단순함에 초점을 맞춘 반면, DCB 이더넷은 성능 격리, 지연 시간 보장, 그리고 무손실 전송이 필수적인 컨버지드 네트워크 환경을 위해 설계되었습니다. DCB의 도입은 네트워크를 스토리지 영역 네트워크 및 고성능 컴퓨팅 클러스터 통신과 같은 까다로운 워크로드에도 적합하게 만듭니다.

인피니밴드는 고성능 컴퓨팅 및 저지연 클러스터 환경을 위해 설계된 고속 네트워크 기술이다. 이는 데이터 센터 브리지와 마찬가지로 로스리스 네트워킹을 지향하지만, 접근 방식과 적용 범위에서 차이를 보인다. 인피니밴드는 컨버지드 네트워크를 위해 기존 이더넷 인프라를 활용하는 DCB와 달리, 호스트 채널 어댑터, 스위치, 케이블로 구성된 독자적인 네트워크 아키텍처를 사용한다. 따라서 FCoE와 같은 트래픽의 융합보다는 RDMA를 통한 초고속 서버 간 통신에 최적화되어 있다.

두 기술의 주요 차이점은 다음과 같이 표로 정리할 수 있다.

선택은 주로 비용, 기존 인프라, 성능 요구사항에 따라 결정된다. DCB는 이미 구축된 이더넷 네트워크 위에 스토리지와 데이터 네트워크를 통합하려는 기업에 적합하다. 반면, 인피니밴드는 지연 시간이 가장 중요한 요소이며, 새로운 네트워크를 구축할 수 있는 HPC나 대규모 데이터베이스 클러스터 환경에서 선호된다. 일부 현대적인 데이터 센터는 두 기술을 병행 사용하기도 하며, RoCE와 같은 기술은 인피니밴드의 RDMA 이점을 이더넷 네트워크 상에서 구현하려는 시도의 일환이다.