TCP Express로 WAN 및 LAN 애플리케이션 성능 최적화

인터넷과 엑스트라넷 애플리케이션을 제공하는 기업의 경우, TCP/IP 비효율성과 WAN 지연 및 패킷 손실의 영향이 합쳐져 앱 성능에 부정적인 영향을 미칩니다. 결과는? 애플리케이션의 응답 시간이 늘어나고 대역폭 활용 효율성(파이프를 채우는 능력)이 크게 감소했습니다.

F5의 BIG-IP 로컬 트래픽 관리자는 실제 네트워크에서 WAN 및 LAN 애플리케이션 성능을 극적으로 개선하는 최첨단 TCP/IP 스택을 제공합니다. 실제 클라이언트 및 인터넷 조건을 정확하게 모델링하지 않는 패킷 블라스팅 테스트 하네스가 아닙니다.

TCP Express라고 불리는 이 고도로 최적화된 TCP/IP 스택은 여러 첨단 TCP/IP 기술과 최신 RFC의 개선 사항을 결합합니다. F5가 개발한 수많은 개선 사항과 확장 기능은 혼잡과 패킷 손실 및 복구로 인한 영향을 최소화합니다. 독립적인 테스트 도구와 고객 경험에 따르면 TCP Express는 서버나 애플리케이션 또는 클라이언트 데스크톱을 변경하지 않고도 최종 사용자에게 최대 2배의 성능 향상을 제공하고 대역폭 효율성은 4배 향상됩니다.

F5의 TCP Express는 다양한 클라이언트 및 서버 운영 체제에서 기본적으로 지원되는 최적화와 운영 체제에 구애받지 않는 최적화를 활용하는 표준 기반의 최첨단 TCP/IP 스택입니다. F5의 TCP/IP 스택에는 WAN과 LAN 효율성에 영향을 미치는 수백 가지의 개선 사항이 포함되어 있습니다. 여기에는 다음이 포함됩니다.

• 고속 LAN의 경우 : F5의 TCP 스택은 버퍼 크기를 빠르게 확장하고 낮은 지연 시간을 감지하여 혼잡을 관리합니다.
• 저속 WAN의 경우 : F5의 TCP 스택은 클라이언트 속도를 감지하고 대역폭을 추정하여 패킷 손실을 제한하고 패킷이 손실된 경우 복구합니다.

BIG-IP 로컬 트래픽 관리자의 핵심은 모든 BIG-IP 플랫폼과 소프트웨어 추가 모듈에 F5의 최적화된 TCP/IP 스택을 제공하는 TMOS 아키텍처입니다. LAN과 WAN 통신 모두에서 클라이언트와 서버로 확장되는 이러한 고유한 최적화는 F5 솔루션을 비슷한 기능을 제공할 수 없는 패킷별 시스템보다 앞서게 합니다. 또한 이러한 수준의 최적화, 패킷 손실 복구 또는 최적이 아닌 클라이언트와 서버 간 중개에 도달할 수도 없습니다.

F5의 TMOS 전체 프록시 아키텍처와 TCP Express를 결합하면 모든 TCP 기반 애플리케이션의 성능이 획기적으로 향상됩니다. 이러한 기술을 사용하여 BIG-IP는 다음과 같은 성과를 보였습니다.

• 모든 연결 클라이언트 유형에 대한 전송 속도 개선
  • 광대역 사용자의 경우 평균 79% 성능 향상
  • 다이얼업 클라이언트의 경우 평균 35% 성능 향상
• 다이얼업 클라이언트의 연결 안정성 향상
  • TCP/IP 오류(대부분 TCP 시간 초과)가 평균 56% 감소
• 기존 ISP 공급자 전반에서 대역폭 효율성 증가
  • 와이어에 배치된 데이터 224% 증가(3.2배 개선)
  • 와이어에서 패킷 감소 50%(2배 개선)
  • "빈" TCP 패킷의 63% 제거(2.7배 개선)

다음 섹션에서는 TMOS 활성화 아키텍처와 TCP Express가 트래픽 흐름을 최적화하는 데 사용하는 표준 TCP RFC 및 최적화의 하위 집합에 대해 설명합니다. 모든 상황에 맞는 단일 솔루션은 없기 때문에 이 논문에서는 TCP 프로필을 사용자 정의하고 레거시 시스템과의 통신을 처리하는 방법도 설명합니다.

대부분의 조직에서는 서버 운영 체제를 자주 업데이트하지 않으며, 일부 애플리케이션은 매우 오래된 시스템에서 계속 실행됩니다. 이러한 레거시 인프라는 WAN을 통해 애플리케이션이 전달될 때 상당한 지연을 일으킬 수 있습니다. TCP Express를 탑재한 BIG-IP 로컬 트래픽 관리자는 기업 데이터 센터 내 서버에서 실행 중일 수 있는 오래되었거나 호환되지 않는 TCP 스택을 보호하고 투명하게 최적화할 수 있습니다. 이는 연결의 클라이언트 측에서 F5의 TCP/IP 스택 최적화를 독립적으로 활용하면서 해당 장치와의 호환성을 유지함으로써 달성됩니다. 즉, 모든 연결된 장치와 네트워크 상태에 대해 완전히 독립적이고 최적화된 TCP 동작을 제공합니다.

다양한 TCP/IP 스택을 연결하는 전체 프록시인 TMOS는 F5의 고유한 TCP Express 기능 세트에 포함된 많은 WAN 최적화를 실현하는 데 중요한 역할을 합니다. 클라이언트와 서버 연결은 분리되고, 제어되며, 독립적으로 최적화되어 모든 연결 장치에 최상의 성능을 제공합니다.

BIG-IP 로컬 트래픽 관리자는 클라이언트와 서버가 통신을 위한 최소공배수를 협상할 필요성을 제거합니다. 이는 클라이언트를 대신하여 중개(스택 브로커링이라고 함)하고 TCP Express를 사용하여 다음 그림과 같이 네트워크 내부의 서버 최적화된 연결을 유지하면서 클라이언트 측 전달을 최적화합니다.

조직에는 레거시 서버와 애플리케이션을 제거하거나 교체할 리소스가 없거나 필요하지 않은 경우가 많습니다. 이러한 시스템을 수용하기 위해 BIG-IP 로컬 트래픽 관리자는 다음을 포함하여 최적화되지 않았거나 호환되지 않는 장치 간의 변환을 위한 중재를 제공합니다.

• 클라이언트와 서버 모두에 대해 별도의 MSS를 유지하여 둘 다 최적의 속도로 데이터를 전송하는지 확인합니다. 클라이언트와 서버는 MSS를 통신하여 TCP 통신 세그먼트에 넣을 수 있는 최대 데이터 양을 결정합니다. 두 당사자는 가장 호환 가능한 통신을 만들기 위해 MSS를 협상하지만, 이는 가장 낮은 공통 MSS 값을 협상하도록 강제함으로써 클라이언트나 서버가 최적화되지 못하는 경우가 많습니다.
• 지원되지 않는 서버에 연결할 때 클라이언트에 대한 TCP 선택적 확인(SACK)이나 TCP 타임스탬프(및 기타 여러 기능)와 같은 최적화를 유지합니다.
• 연결된 각 장치(모든 클라이언트와 모든 서버)에 대해 TCP 창 크기와 TCP 혼잡 정보를 동적이고 자동으로 최적화합니다.
• TCP FIN-PUSH와 상호 운용되지 않는 오래된 Solaris 시스템부터 Windows 등의 스택에 대한 상호 운용성을 유지합니다. 이는 광범위한 사용자 집단에 서비스를 제공하려는 기업이 종종 겪는 다양한 스택 상호 운용성 문제 중 하나에 불과합니다.

BIG-IP 로컬 트래픽 관리자는 WAN 통신을 개선하는 것 외에도 모든 클라이언트와 백엔드 서버 간의 브리지 또는 변환 장치 역할을 하여 이러한 기능을 전체 인프라로 변환합니다. 결과적으로 BIG-IP 로컬 트래픽 관리자는 네트워크의 비효율성을 가리는 동시에 성능을 향상시킵니다. 이를 통해 모든 클라이언트와 서버를 업데이트하고 조정할 필요성이 없어져 비용과 복잡성이 줄어듭니다.

가장 중요한 F5 TCP/IP 개선 사항은 다음과 같습니다.

• 클라이언트 가속 및 오류 방지
• 링크 활용 개선
• 사용자 정의 가능한 TCP 제어

이러한 개선 사항은 산업 표준 RFC에 적용되었습니다. 다음 섹션에서는 TCP Express의 주요 RFC 중 일부를 강조합니다.

• 지연된 확인, Nagle 알고리즘 (RFC 896, 1122)은 BIG-IP 로컬 트래픽 관리자가 전송해야 하는 패킷 수를 줄임으로써 데이터 전달을 가속화할 수 있도록 합니다. 지연 확인은 중복된 확인 패킷을 줄이는 데 도움이 되도록 확인 패킷을 언제 보내야 하는지 결정하는 표준 메커니즘을 제공합니다. 또한, 나글 알고리즘은 많은 작은 패킷을 더 적고 큰 패킷으로 통합하기 위한 표준 절차를 제공합니다.
• 선택적 확인 (RFC 2018, RFC 2883)을 통해 BIG-IP 로컬 트래픽 관리자는 WAN 및 손실이 많은 네트워크에서 손실되고 재정렬된 패킷을 보다 효과적이고 신속하게 처리할 수 있습니다. 이 기능은 Windows XP 이상에서 인터넷 통신을 위해 기본적으로 활성화되어 있으며, 모든 최신 TCP 스택에서도 마찬가지입니다. 확장을 사용하면 SACK 옵션 사용을 지정하거나 중복 패킷을 확인할 수 있습니다.
• 명시적 혼잡 알림 ECN(RFC 3168, 2481)을 통해 BIG-IP 로컬 트래픽 관리자가 중간 라우터가 과부하 상태임을 피어에 사전에 신호로 알려서 물러나 패킷 손실을 방지할 수 있습니다. TCP 헤더의 예약된 플래그(ECE 및 CWR)는 피어에게 혼잡 상태를 다시 전달하는 데 사용할 수 있습니다.
• 제한적이고 빠른 재전송 (RFC 3042, RFC2582)은 손실된 데이터의 효율적인 재전송을 가능하게 하여 패킷 손실로 인한 시간 초과 효과를 제거할 수 있습니다.
• 적응형 초기 혼잡 창 (RFC 3390)은 TCP 느린 시작 혼잡 회피 비용을 완화합니다. 더 큰 초기 혼잡 창에 대한 연구에 따르면 위성 링크를 통한 HTTP 전송은 30% 증가하고 28.8bps 다이얼업 사용자의 경우 10%가 향상되었으며, 이로 인한 중단율의 증가는 없었습니다. 경로를 공유하는 TCP 연결(100개 인터넷 호스트에 대한 16KB 전송)의 경우, 윈도우 세그먼트가 늘어나면 4개 세그먼트(512바이트 MSS)의 초기 윈도우를 사용하는 전송이 1개 세그먼트의 초기 윈도우를 사용하는 전송보다 약 25% 향상됩니다.

• 타임스탬프 (RFC 1323) BIG-IP 로컬 트래픽 관리자를 사용하면 TCP 세그먼트에 데이터를 추가하는 타임스탬프를 선택적으로 사용하여 다른 최적화를 지원할 수 있습니다. 타임스탬프는 최신 네트워크에 비해 이점이 크지만, 일부 레거시 라우터와 NATing 장치에서는 타임스탬프를 0으로 설정하거나 업데이트하지 않아 이점이 사라집니다. 따라서 이러한 기능과 기타 기능은 프로필별로 조정할 수 있습니다.
• TCP TIME-WAIT 암살 위험(RFC 1337) 개선 TIME-WAIT 동작을 최적화하면 피할 수 있는 몇 가지 통신 오류가 있습니다. 특히, TIME-WAIT 상태에 있는 동안 재설정 세그먼트를 수신할 때의 동작을 피하는 것이 좋습니다.
• 시퀀스 번호 공격 방어 (RFC1948) TCP Express는 안전한 ISN 생성을 사용하여 대부분의 시퀀스 번호 추측 공격을 차단합니다.
• TCP 혼잡 관리 개선 (RFC 3168) TCP Express는 현재 인터넷에서 사용 가능한 모든 최신 TCP 혼잡 방지 및 혼잡 복구 방법을 구현하여 혼잡 발생 시 사용 가능한 대역폭을 늘리고 속도를 복구합니다.
• 대규모 혼잡 창이 있는 TCP에 대한 TCP 느린 시작 개선 (RFC 3742) 연결에서 매우 큰 TCP 창을 사용할 때 대량의 손실을 방지하기 위해 보다 보수적인 느린 시작 동작을 사용합니다.
• 적절한 바이트 계산 (RFC 3465)은 각 ACK가 이전에 확인하지 못한 바이트 수를 사용하여 보다 지능적인 창 크기 조정을 제공하고 TCP 성능을 향상시킵니다.
• TCP 빠른 복구 알고리즘 개선(NewReno) (RFC 3782) TCP의 빠른 복구 알고리즘에 대한 NewReno 수정 사항은 약간의 수정을 지정하고 있으며, 이를 통해 TCP 송신자는 부분적 확인을 사용하여 SACK가 유용하지만 사용할 수 없는 상황에서 다음에 보낼 세그먼트를 결정하는 추론을 할 수 있습니다.

TCP Express는 말 그대로 수백 개의 현실적인 TCP 상호 운용성 개선 사항을 구현하고 상용 제품 스택(Windows 7 이상, IBM AIX, Sun Solaris 등)을 수정하거나 해결책을 제공하므로 단일 최적화 기술만으로 대부분의 성능 개선을 달성할 수는 없습니다. 이러한 최적화는 특정 클라이언트/서버 유형 및 트래픽 특성에 따라 달라집니다. 예를 들어:

• 훨씬 더 많은 대역폭이 있는 광대역에서는 대부분의 TCP가 전체 링크 용량을 활용하는 데 있어 자연스럽게 효율성이 떨어지므로 BIG-IP는 추가적인 최적화를 제공합니다.
• 다이얼업 클라이언트의 경우, TCP Express의 주요 장점은 BIG-IP가 주어진 트랜잭션에 대해 전송되는 총 패킷 수를 줄일 수 있고 재전송 속도를 높일 수 있다는 것입니다.

BIG-IP는 다이얼업과 마찬가지로 패킷 왕복을 줄이고 재전송을 가속화하지만 연결 속도는 더 빠릅니다. BIG-IP 로컬 트래픽 관리자와 TCP Express는 혼잡 제어와 윈도우 크기 조정을 최적화하여 최대 대역폭을 개선합니다. 다이얼업 사용자의 개선 사항이 가장 눈에 띄겠지만, 광대역 사용자의 개선 사항이 통계적으로 가장 확실합니다. 그 이유는 일부 개선 사항이 빠른 링크에서 최고 성능을 극적으로 개선하기 때문입니다.

일반적으로, 교환되는 데이터가 많을수록 더 많은 대역폭 최적화가 적용됩니다. 교환되는 데이터가 적을수록 왕복 지연 시간(RTT) 최적화가 더 많이 적용됩니다. 따라서 전화 접속과 같이 많은 양의 데이터를 교환하지 않는 트래픽 프로필은 광대역보다 더 최적화될 것입니다. 많은 양의 데이터를 교환하는 트래픽 프로필의 경우 광대역이 가장 많이 최적화됩니다. 두 경우 모두 TCP Express를 사용하여 상당한 이익을 얻을 수 있습니다.

TCP Express는 자동화되어 수정이 필요하지 않은 반면, BIG-IP Local Traffic Manager는 사용자에게 TCP 스택에 대한 고급 제어권을 제공하여 특정 비즈니스 요구 사항에 맞게 TCP 통신을 조정할 수 있는 기능을 제공합니다. 여기에는 장치에서 프런트엔드되는 애플리케이션별로 가상 서버 수준에서 최적화 및 설정을 선택하는 기능이 포함됩니다. 관리자는 TCP 프로필을 사용하여 다음 각 TCP 변수를 조정할 수 있습니다.

• 시간 대기 재활용
• 지연된 ack
• 프록시 mss
• 프록시 옵션
• 연기 수락
• 선택적 ack
• 이씨엔
• 제한된 전송
• RFC1323 (알에프씨1323)
• 느린 시작
• 대역폭 지연
• 나글
• 프록시 버퍼

관리자는 이러한 제어 기능을 사용하여 특수한 네트워크 조건이나 애플리케이션 요구 사항에 맞게 TCP 통신을 조정할 수도 있습니다. 모바일 및 서비스 제공업체 산업의 고객은 이러한 유연성을 통해 알려진 장치(예: 모바일 핸드셋) 및 네트워크 상황에 맞게 통신을 맞춤화하여 성능, 안정성 및 대역폭 활용도를 더욱 향상시킬 수 있다는 것을 알게 되었습니다.

TCP Express는 사용자 정의 서비스를 최적화하기 위한 유연한 스택 설정을 제공합니다. 예를 들어, 이러한 설정을 조정하여 모바일 사용자에게 제공되는 ASP 애플리케이션을 최적화할 수 있습니다. 다음 표에서는 BIG-IP 로컬 트래픽 관리자의 수정 가능한 스택 설정을 설명합니다.

LAN의 트래픽이 높은 상호 작용성을 보이는 경우 F5는 최고의 성능을 위해 다른 TCP 설정을 권장합니다. F5는 Nagle 알고리즘이 WAN을 통한 패킷 감소와 일반 압축/RAM 캐싱에 매우 효과적이라는 것을 발견했습니다. 또한 다양한 버퍼 크기를 조정하면 저지연 LAN에서 상호 작용이 활발한 통신에 긍정적인 영향을 줄 수 있는데, 이때 발생하는 유일한 비용은 BIG-IP 로컬 트래픽 관리자의 메모리 사용률 증가입니다.

다음 표에서는 수정 가능한 TCP 프로필 설정을 설명합니다.

TCP Express는 사용자 다운로드 시간을 더욱 줄이고 인프라 리소스를 최적화하기 위해 노력하는 다른 F5 가속 기능 및 제품으로 보완됩니다.

BIG-IP 로컬 트래픽 관리자와 통합된 기타 가속 기능은 다음과 같습니다.

• HTTP 압축은 고도로 구성 가능한 GZIP 압축 기능을 사용하여 줄을 통해 전송되는 바이트 크기를 줄입니다.
• Fast Cache는 우선순위가 높은 애플리케이션을 캐싱하고 공유 시스템에서 여러 애플리케이션을 호스팅하기 위한 제어를 확장하여 서버의 부하를 줄이고 서버 CPU를 절약합니다. 압축된 데이터의 캐시 저장으로 콘텐츠 전송 속도가 더욱 빨라지고 BIG-IP 확장성이 향상됩니다.
• OneConnect는 서버에서 TCP 연결의 부하를 덜어주어 서버 용량을 최대 60%까지 늘립니다.
• 콘텐츠 스풀링은 서버에서 수행해야 하는 TCP 분할의 양을 낮춰 서버의 TCP 오버헤드를 줄이고 서버 용량을 최대 15%까지 늘립니다.

인프라의 용량과 성능을 개선하고자 하는 기업을 위해 BIG-IP 로컬 트래픽 관리자는 모든 연결 클라이언트와 서버가 보다 효율적으로 작동할 수 있도록 투명하게 만드는 독보적인 솔루션을 제공합니다. F5의 독특한 TCP Express는 타의 추종을 불허하는 현실적인 네트워크 및 애플리케이션 성능 개선을 제공하며, 기업이 미션 크리티컬 애플리케이션의 TCP 통신을 최적화할 수 있는 전례 없는 수준의 제어 기능을 제공합니다.