데이터 평면 가속편집자 확인

네트워크 장치와 시스템의 기능은 논리적으로 제어 평면과 데이터 평면으로 구분된다. 이 두 평면은 역할, 처리하는 정보의 종류, 그리고 작동 방식에 있어 근본적인 차이를 보인다.

제어 평면은 네트워크의 '두뇌'에 해당하며, 네트워크 전체의 상태를 관리하고 경로를 결정하는 정책 및 제어 기능을 담당한다. 라우팅 프로토콜을 실행하여 최적의 경로를 계산하고, 이 정보를 바탕으로 포워딩 정보 베이스(FIB)나 플로우 테이블을 생성 및 업데이트한다. 제어 평면의 작업은 비교적 복잡하고, 상태 변화에 따라 비동기적으로 발생하며, 일반적으로 소프트웨어로 구현된 중앙 처리 장치(CPU)에서 처리된다.

반면, 데이터 평면은 네트워크의 '근육' 역할을 하며, 실제 사용자 데이터 패킷의 전달을 수행한다. 제어 평면이 작성한 FIB나 플로우 테이블을 참조하여 들어오는 각 패킷의 헤더를 검사하고, 미리 정의된 규칙에 따라 적절한 출력 포트로 포워딩하거나 폐기하는 결정을 내린다. 데이터 평면의 작업은 단순하고 반복적이지만, 초고속으로 대량의 패킷을 처리해야 하므로 성능이 매우 중요하다. 전통적으로는 애플리케이션 특정 집적 회로(ASIC) 같은 하드웨어로, 최근에는 프로그래머블 데이터 평면 기술을 통해 더 유연하게 구현된다.

네트워크 트래픽의 폭발적 증가와 새로운 애플리케이션의 등장은 전통적인 CPU 기반 패킷 처리 방식의 한계를 드러냈다. 특히 클라우드 컴퓨팅, 5G, 실시간 스트리밍 서비스의 확산은 초고속, 저지연의 데이터 처리를 필수 요건으로 만들었다. 이러한 배경에서 데이터 평면 가속은 단순한 성능 향상을 넘어, 현대 네트워크 인프라가 지속 가능하게 운영되기 위한 핵심 솔루션으로 부상했다.

가속의 주요 필요성은 세 가지 측면에서 설명된다. 첫째, 대역폭 대 처리 성능의 격차 해소이다. 네트워크 인터페이스의 속도는 100Gbps, 400Gbps로 급증했지만, 범용 CPU는 복잡한 운영체제 커널 스택과 문맥 교환(Context Switching) 오버헤드로 인해 이러한 속도를 따라잡지 못한다. 이로 인해 높은 패킷 손실률과 불안정한 성능이 초래된다. 둘째, 지연 시간 감소이다. 금융 거래, 엣지 컴퓨팅, 온라인 게임 등은 마이크로초(µs) 단위의 예측 가능한 지연을 요구하며, 소프트웨어 처리의 불확실성은 서비스 품질을 저해한다. 셋째, 에너지 및 총소유비용(TCO) 절감이다. 고성능 CPU를 통한 패킷 처리는 전력 소비가 크며, 이를 전용 하드웨어나 효율적인 소프트웨어 기술로 오프로드하면 동일한 작업에 대한 전력 효율을 극적으로 높일 수 있다.

데이터 평면 가속의 궁극적 목표는 네트워크 기능의 성능을 애플리케이션 요구사항에 맞춰 최적화하는 것이다. 구체적인 목표는 다음과 같이 정리된다.

이러한 필요성과 목표는 하드웨어와 소프트웨어를 아우르는 다양한 가속 기술의 발전을 촉진하며, 현대 네트워크 아키텍처 설계의 근본적인 방향을 제시한다.

하드웨어 기반 가속은 데이터 평면의 패킷 처리 작업을 전용 하드웨어로 오프로드하여 성능을 극대화하는 접근 방식이다. 이 방식은 범용 CPU의 처리 한계를 넘어서 초고속, 저지연 패킷 포워딩 및 처리를 가능하게 한다. 주요 구현체로는 ASIC, FPGA, SmartNIC이 있으며, 각각은 성능, 유연성, 개발 비용 및 주기에 있어 서로 다른 장단점을 지닌다.

이들 기술은 종종 혼합되어 사용된다. 예를 들어, SmartNIC은 고정 기능의 ASIC 블록과 프로그래머블 FPGA 영역을 함께 탑재하여 균형 잡힌 솔루션을 제공하기도 한다. 하드웨어 가속의 선택은 요구되는 처리량, 지연 시간, 네트워크 기능의 변화 빈도, 그리고 총소유비용(TCO)을 종합적으로 고려하여 결정된다.

소프트웨어 기반 가속은 범용 CPU 상에서 네트워크 패킷 처리 성능을 극대화하기 위한 소프트웨어 라이브러리와 프레임워크를 의미한다. 이 접근 방식은 전용 하드웨어에 비해 유연성이 높고, 표준 서버 하드웨어를 활용하여 비용 효율적으로 고성능 네트워킹을 구현할 수 있다는 장점이 있다. 핵심 기술로는 DPDK, XDP, eBPF 등이 있으며, 각각은 운영체제 커널의 네트워크 스택을 우회하거나 확장하는 방식으로 작동한다.

DPDK는 사용자 공간에서 직접 네트워크 인터페이스 컨트롤러의 패킷을 처리하는 라이브러리 세트이다. 커널을 우회하여 패킷을 처리함으로써 컨텍스트 스위칭과 인터럽트 오버헤드를 제거하고, 대규모 페이지와 CPU 코어 고정을 통해 높은 처리량과 낮은 지연 시간을 달성한다. 주로 가상 스위치, 라우터, 로드 밸런서와 같은 사용자 공간 네트워크 기능에 널리 사용된다. 반면, XDP와 eBPF는 커널 내부에서 고성능 패킷 처리를 가능하게 한다. XDP는 네트워크 드라이버의 수신 경로 최초 지점에서 eBPF 프로그램을 실행하여, 패킷이 커널 네트워크 스택에 도달하기 전에 매우 빠르게 필터링, 포워딩, 수정 등을 수행할 수 있다.

이러한 기술들은 서로 다른 계층에서 상호 보완적으로 사용될 수 있다. 예를 들어, XDP는 DDoS 공격 방어와 같은 초고속 패킷 필터링에 적합하고, DPDK는 복잡한 애플리케이션 계층 처리가 필요한 가상 네트워크 기능에, eBPF는 커널 내부의 다양한 관측 가능성 및 제어 지점을 활용한 트래픽 모니터링과 제어에 활용된다. 주요 구현 모델과 특징은 다음과 같다.

이들 기술의 발전으로 인해 소프트웨어 정의 네트워킹과 클라우드 네이티브 환경에서 순수 소프트웨어로 구현된 네트워크 데이터 평면의 성능이 하드웨어 수준에 근접하게 되었다.

프로그래머블 스위치는 네트워크 패킷의 전달 경로와 처리 방식을 소프트웨어로 정의할 수 있는 네트워크 스위치이다. 이는 P4(Programming Protocol-independent Packet Processors)와 같은 도메인 특화 언어(DSL)를 사용하여 패킷 파싱, 매칭, 액션을 유연하게 프로그래밍하는 것을 가능하게 한다. 기존의 고정 기능 ASIC이 특정 프로토콜 스택만 처리하는 것과 달리, 프로그래머블 스위치는 새로운 프로토콜이나 사용자 정의 패킷 처리 로직을 하드웨어 수준에서 구현할 수 있어 네트워크 혁신의 속도를 높인다.

프로그래머블 프로세서는 데이터 평면의 패킷 처리 작업을 위해 특화된 범용 또는 도메인 특화 프로세서를 의미한다. 대표적인 예로 Intel의 Tofino 시리즈(Barefoot Networks 설계)나 NVIDIA의 BlueField DPU(Data Processing Unit)가 있다. 이들은 고성능 패킷 I/O, 복잡한 조회 테이블 관리, 상태 저장 흐름 처리 등을 소프트웨어적으로 제어하면서도 하드웨어 수준의 성능을 제공한다.

이들의 주요 장점과 역할은 다음과 같다.

프로그래머블 스위치와 프로세서는 인라인 가동 모델에서 핵심적인 역할을 수행한다. 이들은 가상화 환경, 5G 사용자 평면 기능(UPF), 그리고 지능형 부하 분산과 같은 복잡한 데이터 평면 애플리케이션을 가속화하는 데 널리 사용된다. 또한, P4 언어와 런타임 환경의 표준화는 멀티벤더 환경에서의 호환성과 생태계 성장에 기여하고 있다[2].

데이터 평면 가속 기술은 클라우드 데이터센터의 핵심 인프라 성능과 효율성을 혁신적으로 개선한다. 대규모 가상화 환경과 마이크로서비스 아키텍처가 보편화되면서, 하이퍼바이저와 컨테이너 오케스트레이션 플랫폼(예: Kubernetes) 간의 네트워크 트래픽이 폭증했다. 기존의 소프트웨어 기반 가상 스위치(예: Open vSwitch)는 높은 CPU 점유율로 인해 호스트의 컴퓨팅 자원을 소모하고, 전체 시스템 처리량의 병목 현상을 초래했다. 데이터 평면 가속은 이러한 네트워크 기능을 전용 하드웨어나 최적화된 소프트웨어 계층으로 오프로드하여, 애플리케이션 워크로드에 더 많은 CPU 사이클을 할당하고 지연 시간을 크게 줄인다.

주요 적용 방식은 인라인 가속과 오프로드 가속으로 구분된다. 인라인 가속은 SmartNIC이나 DPU(Data Processing Unit) 같은 전용 하드웨어가 호스트의 가상 네트워크 스택을 완전히 대체하는 모델이다. 오프로드 가속은 DPDK(Data Plane Development Kit)나 eBPF를 이용해 특정 패킷 처리 경로만을 커널 바이패스 방식으로 최적화하는 소프트웨어 방식이다. 두 방식 모두 가상 머신과 컨테이너 간의 동적이고 고립된 네트워킹을 지원하면서, 물리적 NIC의 성능에 근접한 처리량을 제공하는 것을 목표로 한다.

이러한 가속은 멀티테넌시 환경에서 서비스 품질(QoS) 보장과 TCO(총소유비용) 절감에 직접적인 기여를 한다. 서버당 처리 가능한 테넌트 수가 증가하고, 네트워크 대역폭 활용도가 높아지며, 결과적으로 데이터센터의 전력 효율과 공간 효율성이 향상된다. 현대의 하이퍼스케일 클라우드 제공자들은 자체 설계한 ASIC 기반 가속 하드웨어를 도입하는 반면, 엔터프라이즈 및 하이브리드 클라우드 환경에서는 FPGA나 표준화된 SmartNIC을 활용한 유연한 솔루션이 더 널리 채택되는 추세이다.

5G 네트워크는 초고속, 초저지연, 대규모 연결을 요구하며, 전통적인 제어 평면 중심의 중앙 집중식 아키텍처로는 이러한 요구사항을 충족하기 어렵다. 데이터 평면 가속 기술은 5G 코어(5GC)의 사용자 평면 기능(UPF)과 엣지 컴퓨팅 노드에서 패킷 처리를 최적화함으로써 핵심적인 역할을 수행한다. 이를 통해 네트워크 슬라이싱, 모바일 엣지 컴퓨팅(MEC)과 같은 서비스의 성능과 효율성을 크게 향상시킨다.

5G 코어 네트워크에서 UPF는 사용자 데이터 트래픽의 라우팅, 포워딩, 품질 관리 등을 담당하는 핵심 요소이다. UPF는 매우 높은 처리량과 마이크로초 단위의 저지연 처리를 요구받는다. SmartNIC이나 FPGA 기반의 데이터 평면 가속 하드웨어는 패킷의 분류, QoS 적용, GTP 터널링 처리와 같은 반복적이고 계산 집약적인 작업을 호스트 CPU에서 오프로드하여 처리한다. 이는 전체 시스템 처리량을 높이고, 지연 시간을 줄이며, CPU 자원을 다른 가상화 기능에 할당할 수 있게 한다.

엣지 컴퓨팅 환경에서는 데이터 센터 코어보다 훨씬 가까운 위치에서 트래픽을 처리하여 응답 시간을 최소화한다. 엣지 노드는 자원이 제한적일 수 있으며, 다양한 실시간 애플리케이션(예: AR/VR, 자율 주행, 산업 자동화)을 동시에 지원해야 한다. 여기서 소프트웨어 기반 가속 기술인 DPDK나 XDP/eBPF는 표준 리눅스 네트워크 스택을 우회하여 사용자 공간에서 직접 고성능 패킷 처리를 가능하게 한다. 또한, P4로 프로그래밍 가능한 스위치는 엣지에서 네트워크 기능(예: 로드 밸런싱, 간단한 방화벽)을 유연하게 정의하고 가속화하는 데 사용된다.

결과적으로, 데이터 평면 가속은 5G와 엣지 컴퓨팅이 약속하는 서비스 수준 협정(SLA)을 실현하는 기술적 기반을 제공한다. 이를 통해 네트워크 운영자는 더 높은 트래픽 밀도와 더 복잡한 정책을 유지하면서도 총소유비용(TCO)을 관리할 수 있다.

데이터 평면 보안 가속은 네트워크 트래픽에 대한 보안 정책 적용 및 암호화/복호화 작업을 전용 하드웨어나 최적화된 소프트웨어를 통해 고속으로 처리하는 기술이다. 전통적인 소프트웨어 방화벽은 호스트의 CPU 자원을 사용하여 패킷 필터링, 상태 추적, 침입 탐지 시스템 규칙 검사 등을 수행하므로, 높은 트래픽 부하에서 성능 병목 현상이 발생할 수 있다. 보안 가속은 이러한 작업을 데이터 평면에서 직접 오프로드하여, 지연 시간을 줄이고 처리량을 극대화하면서도 보안 기능을 유지하는 것을 목표로 한다.

주요 가속 대상은 상태 저장 방화벽, IPsec/TLS 암호화, DDoS 공격 완화 기능 등이다. 하드웨어 기반 접근 방식에서는 ASIC이나 FPGA를 내장한 스마트 NIC가 널리 사용된다. 이들은 네트워크 인터페이스 카드 수준에서 암호화 가속 엔진을 탑재하거나, 프로그래밍 가능한 파이프라인을 통해 복잡한 패킷 검사 및 필터링 규칙을 와이어 스피드로 실행할 수 있다. 소프트웨어 기반 접근 방식에서는 eBPF와 XDP 기술이 중요한 역할을 한다. 특히 XDP는 리눅스 커널의 네트워크 드라이버 계층에서 매우 초기에 패킷을 처리할 수 있어, DDoS 공격으로 인한 불필요한 상위 계층 처리 부하를 사전에 차단하는 데 효과적이다.

다음 표는 주요 보안 가속 기술과 그 특징을 보여준다.

이러한 가속 기술은 클라우드 데이터센터와 5G 코어 네트워크에서 필수적이다. 클라우드 환경에서는 마이크로 세분화를 구현하기 위해 수백만 개의 가상 방화벽 규칙이 필요하며, 이를 소프트웨어만으로 처리하는 것은 비효율적이다. 5G망에서는 네트워크 슬라이싱 별로 엄격한 보안 격리와 낮은 지연의 암호화가 요구되므로, 엣지 위치에서의 보안 가동이 핵심이 된다. 결과적으로, 보안 가속은 네트워크 성능과 보안 강화 사이의 전통적인 트레이드오프 관계를 해소하고, 고성능 보안 서비스를 경제적으로 제공하는 기반이 된다.

데이터 평면 가속을 구현하는 두 가지 주요 아키텍처 모델은 인라인 가동과 오프로드 가동이다. 이 두 방식은 가속 기능이 호스트 시스템의 데이터 경로에 어떻게 통합되는지에 따라 구분된다.

인라인 가동 모델에서는 가속 하드웨어(예: SmartNIC 또는 FPGA)가 네트워크 데이터 경로상에 직접 위치하여 모든 패킷이 이를 통과하도록 한다. 가속 장치는 패킷 포워딩, 암호화, 방화벽 필터링 등의 기능을 호스트 CPU의 개입 없이 수행한다. 이 방식은 지연 시간을 최소화하고 CPU 부하를 크게 줄일 수 있어, 매우 엄격한 대기 시간 요구사항이 있는 고성능 트랜잭션 처리나 고빈도 거래 시스템에 적합하다. 그러나 네트워크 토폴로지에 장치를 물리적으로 삽입해야 하므로 배포 유연성이 다소 제한될 수 있다.

반면, 오프로드 가동 모델에서는 특정 워크로드(예: 암호화 가속, 압축, 스토리지 가상화)만을 선별적으로 가속 장치로 옮겨 처리한다. 일반적인 패킷 포워딩은 호스트의 표준 네트워크 스택을 통해 이루어지며, 특정 조건을 만족하는 트래픽만이 오프로드 엔진으로 전달된다. 이 모델은 가상화 환경이나 클라우드 데이터센터에서 특히 유용하며, 기존 인프라를 크게 변경하지 않고도 특정 서비스의 성능을 개선할 수 있다. 예를 들어, TLS 암호화 오프로드는 웹 서버의 CPU 사용률을 획기적으로 낮추면서도 보안 기능을 유지할 수 있다.

두 모델의 선택은 성능 목표, 유연성 요구사항, 그리고 비용을 종합적으로 고려하여 결정된다. 다음 표는 두 방식의 주요 특징을 비교한다.

데이터 평면 가속의 표준화와 통일된 인터페이스는 다양한 하드웨어와 소프트웨어 솔루션 간의 상호 운용성을 보장하고 생태계의 성장을 촉진하는 핵심 요소이다. 주요 표준 및 인터페이스로는 네트워크 장치의 데이터 평면 동작을 프로그래밍하기 위한 언어인 P4(Programming Protocol-independent Packet Processors)와, 인프라 가속을 위한 오픈 소스 프레임워크인 IPDK(Infrastructure Programmer Development Kit)이 주목받고 있다.

P4는 프로토콜 독립적인 패킷 처리 동작을 정의하는 고수준 언어이다. 이 언어를 통해 네트워크 엔지니어는 ASIC, FPGA, 또는 소프트웨어 스위치가 패킷을 어떻게 파싱, 처리, 조작할지 명시할 수 있다. P4 프로그램은 다양한 타겟 하드웨어에 컴파일되어 실행되므로, 벤더에 종속되지 않는 유연한 데이터 평면 프로그래밍을 가능하게 한다. 이는 네트워크 기능의 정의와 구현을 분리하여, 새로운 프로토콜 지원이나 트래픽 엔지니어링 정책의 배포를 기존 하드웨어 교체 없이 소프트웨어 수준에서 빠르게 수행할 수 있게 한다.

IPDK는 인텔이 주도하는 오픈 소스 프로젝트로, CPU, SmartNIC, DPU 등 이기종 인프라 리소스를 통합적으로 관리하고 프로그래밍하기 위한 소프트웨어 스택과 API를 제공한다. 이는 네트워크, 스토리지, 보안 가동 워크로드를 위한 표준화된 컨트롤 플레인 인터페이스를 목표로 한다. IPDK는 P4와 같은 데이터 평면 언어와 상호 보완적으로 작동하며, 가속 하드웨어의 드라이버, 관리 도구, 샘플 애플리케이션을 포함한 포괄적인 개발 키트를 제공하여 생태계 구축을 용이하게 한다.

이러한 표준화 노력은 클라우드 제공자, 통신 사업자, 엔터프라이즈가 다중 벤더 환경에서도 데이터 평면 가속 기술을 효율적으로 도입하고 관리할 수 있는 기반을 마련한다. 특히 클라우드 네이티브 환경과 5G 코어 네트워크에서 요구되는 동적이고 유연한 인프라 구성에 필수적인 역할을 한다.

데이터 평면 가속 솔루션의 성능을 평가하는 핵심 지표는 처리량, 지연 시간, 패킷 손실률이다. 이 세 가지 요소는 네트워크 응용 프로그램의 전반적인 효율성과 사용자 경험을 직접적으로 결정한다.

처리량은 단위 시간당 성공적으로 전달되는 데이터의 양을 의미하며, 일반적으로 초당 기가비트(Gbps) 또는 초당 패킷 수(pps)로 측정한다. 데이터 평면 가속의 주요 목표 중 하나는 CPU의 일반적인 처리 한계를 넘어서는 높은 처리량을 달성하는 것이다. 예를 들어, DPDK나 SmartNIC를 활용하면 표준 네트워크 스택을 사용할 때보다 수십 배 높은 처리량을 얻을 수 있다. 지연 시간은 패킷이 시스템에 들어와서 처리되어 나가기까지 걸리는 시간으로, 마이크로초(µs) 또는 나노초(ns) 단위로 측정한다. 금융 거래, 온라인 게임, 5G 무선 액세스 네트워크와 같은 실시간 응용 분야에서는 극도로 낮은 지연 시간이 필수적이다. 하드웨어 기반 가속은 소프트웨어 처리의 오버헤드를 제거하여 지연 시간을 획기적으로 줄인다.

패킷 손실률은 전송된 총 패킷 수 대비 손실되거나 폐기된 패킷의 비율이다. 처리 능력 부족이나 버퍼 오버플로로 인해 발생하며, 서비스 품질에 직접적인 영향을 미친다. 가속 기술은 패킷 처리 파이프라인을 최적화하고 더 효율적인 큐 관리 메커니즘을 제공하여 패킷 손실을 최소화한다. 성능 평가 시 이들 지표는 종종 트레이드오프 관계에 있다. 예를 들어, 지연 시간을 극단적으로 낮추기 위해 버퍼 크기를 줄이면 패킷 손실률이 증가할 수 있으며, 매우 높은 처리량을 목표로 할 때 지연 시간이 약간 증가할 수 있다. 따라서 특정 워크로드와 서비스 수준 협정에 맞춰 적절한 균형을 찾는 것이 중요하다.

데이터 평면 가속 솔루션의 경제성과 지속 가능성을 평가하는 데는 총소유비용(TCO) 분석과 전력 효율성이 핵심 지표로 작용한다. TCO는 하드웨어 및 소프트웨어의 초기 도입 비용, 운영 유지보수 비용, 에너지 소비 비용, 그리고 기술의 수명 주기 전체를 고려한 총비용을 의미한다. 고성능 네트워크 인터페이스 컨트롤러(SmartNIC)나 FPGA를 도입하면 초기 투자 비용은 상승할 수 있으나, 중앙 처리 장치(CPU) 부하를 크게 줄여 서버 대수를 감소시키거나, 동일한 인프라에서 더 많은 워크로드를 처리할 수 있게 되어 장기적으로 TCO를 절감하는 효과를 가져온다.

전력 효율성은 단위 전력당 처리할 수 있는 네트워크 처리량(예: 와트당 Gbps)으로 측정되며, 데이터센터 운영 비용과 환경적 책임에서 점점 더 중요한 요소가 되고 있다. 범용 CPU로 네트워크 패킷을 처리하는 것은 높은 전력 소비를 동반하는 반면, ASIC이나 FPGA 같은 전용 가속 하드웨어는 특정 작업에 최적화되어 훨씬 높은 에너지 효율을 달성한다. 예를 들어, 암호화 오프로드나 패킷 필터링을 SmartNIC에 위임하면 CPU 코어를 저전력 상태로 유지할 수 있어 전체 시스템의 전력 소비를 크게 낮출 수 있다.

결론적으로, 데이터 평면 가동 도입 결정은 단순한 성능 비교를 넘어서, 예상되는 트래픽 부하, 애플리케이션 요구사항, 데이터센터의 전력 예산, 그리고 장기적인 확장 계획을 종합적으로 고려한 TCO와 전력 효율성 분석을 기반으로 이루어진다. 적절한 가속 기술을 선택하면 높은 성능을 유지하면서도 에너지 비용과 탄소 배출량을 절감하는 지속 가능한 네트워크 인프라를 구축하는 데 기여할 수 있다.

데이터 평면 가속 설계에서 유연성과 성능은 상충 관계에 있는 핵심 요소이다. 하드웨어 기반 가속 기술인 ASIC은 특정 작업에 대해 매우 높은 처리량과 낮은 지연 시간을 제공하지만, 한번 제작되면 기능을 변경하거나 업데이트하기 어렵다. 반면, 소프트웨어 정의 네트워킹 기반의 순수 소프트웨어 솔루션은 높은 유연성을 가지지만, 범용 CPU에서 실행되기 때문에 성능에 한계가 있다. 이 트레이드오프는 네트워크 요구사항이 빠르게 진화하는 환경에서 설계자들이 직면하는 근본적인 딜레마이다.

이러한 균형을 맞추기 위해 여러 하이브리드 및 프로그래머블 접근 방식이 등장했다. FPGA는 재구성 가능한 하드웨어로, 성능 손실 없이 로직을 변경할 수 있어 유연성과 성능 사이의 중간 지점을 제공한다. P4와 같은 고수준 프로그래밍 언어는 프로그래머블 스위치 및 SmartNIC의 동작을 정의하여, 소프트웨어 수준의 유연성을 유지하면서도 패킷 처리 파이프라인을 하드웨어에서 실행할 수 있게 한다. 또한, eBPF와 XDP는 커널 수준에서 네트워크 패킷을 효율적으로 처리하고 필터링하는 유연한 프레임워크를 제공한다.

최적의 선택은 애플리케이션의 수명 주기, 예상되는 트래픽 패턴 변화, 그리고 성능 요구사항에 따라 달라진다. 표준이 확립되고 변화가 적은 코어 네트워크 기능에는 ASIC 기반 가속이 적합한 반면, 실험적이거나 빠르게 진화하는 엣지 컴퓨팅 또는 보안 서비스에는 프로그래머블 솔루션이 선호된다. 미래의 방향은 인공지능을 활용한 동적 재구성이나, 소프트웨어와 하드웨어 계층을 더욱 긴밀하게 통합하는 공동 설계를 통해 이 트레이드오프의 곡선 자체를 개선하는 데 있다.

인공지능과 기계 학습 워크로드의 폭발적 증가는 네트워크 데이터 평면에 새로운 형태의 트래픽과 처리 요구사항을 부과합니다. 전통적인 패킷 포워딩 및 기본 보안 정책을 넘어, 추론이나 모델 훈련과 같은 AI/ML 작업을 네트워크 경로 내에서 효율적으로 지원해야 하는 필요성이 대두되었습니다. 이에 따라 데이터 평면 가속 기술은 단순한 패킷 처리 속도 향상을 넘어, 텐서 연산이나 그래프 신경망 처리와 같은 특화된 AI 가속 기능을 통합하는 방향으로 진화하고 있습니다.

주요 통합 접근 방식은 다음과 같습니다.

* 스마트 네트워크 인터페이스 카드 내에 AI 추론 엔진을 내장하여, 네트워크 스트림에서 실시간으로 데이터를 필터링, 전처리하거나 경량화된 모델을 실행하는 방식입니다. 이를 통해 불필요한 데이터가 호스트 CPU나 GPU로 전달되는 것을 방지하고 지연 시간을 줄일 수 있습니다.

* 가상화된 또는 컨테이너화된 ML 워크로드 간의 통신을 최적화하는 것입니다. 대규모 분산 훈련 작업에서 발생하는 엄청난 양의 기울기 동기화 트래픽은 네트워크를 포화시킬 수 있습니다. RDMA over Converged Ethernet와 같은 고성능 네트워킹 기술과 데이터 평면 가속을 결합하면 이러한 통신 병목 현상을 완화할 수 있습니다.

* 네트워크 자체의 운영을 최적화하는 데 AI/ML을 적용하는 것입니다. 예를 들어, eBPF 프로그램을 사용하여 네트워크 트래픽 패턴을 실시간으로 분석하고, 이 데이터를 기반으로 ML 모델이 라우팅 경로를 동적으로 조정하거나 DDoS 공격을 보다 정교하게 탐지하는 것이 가능해집니다.

이러한 통합은 성능과 효율성 측면에서 큰 이점을 제공하지만, 유연성과 프로그래밍의 복잡성이라는 도전 과제도 동반합니다. 네트워크 인프라가 특정 AI 칩 아키텍처에 종속되지 않도록 하면서도 다양한 AI 프레임워크와 모델을 지원하려면 표준화된 인터페이스와 P4 같은 고수준 프로그래밍 언어의 역할이 더욱 중요해질 것입니다. 미래에는 데이터 평면이 단순한 데이터 전송 채널을 넘어, 분산된 지능을 가진 AI 네이티브 네트워크의 핵심 구성 요소로 진화할 것으로 전망됩니다.