[네트워크] 1.4 패킷 교환 네트워크에서의 지연, 손실, 처리율

1.4.1 패킷 교환 네트워크에서의 지연 개요

패킷은 경로를 따라 한 노드(호스트, 라우터)에서 다음 노드(호스트, 라우터)로 전달되므로, 그 패킷은 경로 상의 각 노드에서 다양한 지연을 겪게 된다.

라우터 A에서의 노드 지연

출발지와 목적지 사이 종단 간 경로의 일부로서, 한 패킷이 업스트림 노드 --> 라우터 A --> 라우터 B로 보내진다.
라우터 A는 라우터 B에 이르는 하나의 출력(outgoing) 링크를 갖는데, 이 링크 앞에 큐(queue, 버퍼(buffer))가 있다.

• 패킷이 업스트림 노드로부터 라우터 A에 도착하면, 라우터 A는 그 패킷에 대한 적당한 출력 링크를 결정하기 위해 패킷 헤더를 조사하고, 선택된 링크로 그 패킷을 보낸다.

패킷은 링크에 현재 전송되는 다른 패킷이 없고, 큐에 자신보다 앞선 패킷들이 없으면, 링크로 전송될 수 있다. 만약 링크가 이미 이용되고 있거나, 그 링크를 이용하기 위해 큐에서 대기하는 패킷이 있다면, 새로 도착하는 패킷은 큐에 들어간다.

• 노드 처리 지연(nodal processing delay)
  : 패킷 헤더를 조사하고, 그 패킷을 어디로 보낼지를 결정하는 시간
  
• 큐잉 지연(queuing delay)
  : 패킷이 큐에서 링크로 전송되기를 기다리는 시간
  --> 큐에 저장되어 링크로 전송되기를 기다리는 앞서 도착한 패킷의 수에 의해 결정된다. 큐가 비어 있고, 다른 패킷이 전송 중인 상태가 아니라면, 이때 패킷의 큐잉 지연은 0이다. 반면 트래픽이 많고, 다른 많은 패킷이 전송 대기 중이라면 큐잉 지연은 매우 길어진다.
• 전송 지연(transmission delay)
  : 패킷의 길이를 L비트, 라우터A에서 라우터B까지의 링크 전송률이 R bps일 때, 
  전송 지연(transmission delay) = L/R
• 전파 지연
  : 링크의 처음부터 라우터B까지의 전파에 필요한 시간
  --> 전파의 속도는 물리 매체(광섬유, 꼬임쌍선 등)에 따라 다르다.

 

전송 지연 vs. 전파 지연

• 전송 지연(transmission delay)
  : 라우터가 패킷을 내보내는 데 필요한 시간
  --> 패킷 길이와 링크 전송률의 함수이며, 두 라우터 사이의 거리와는 관계없다.
• 전파 지연(propagation delay)
  : 패킷을 출발 라우터에서 도착 라우터까지 보내는 데 필요한 시간
  --> 두 라우터 사이의 거리와 관계있다.

 

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1.4.2 큐잉 지연, 패킷 손실

▶ 큐잉 지연(queuing delay)

: 다른 세 가지 지연(노드 처리 지연, 전송 지연, 전파 지연)과 달리, 큐잉 지연은 패킷마다 다를 수 있다.

예를 들어 10개의 패킷이 동시에 비어있는 큐에 도착한다면, 전송된 첫 패킷은 큐잉 지연을 겪지 않지만, 마지막으로 전송되는 패킷은 상당히 많은 큐잉 지연을 겪을 것이다(다른 9개 패킷이 전송되기를 기다림).

• a: 패킷이 큐에 도착하는 평균율
• R: 전송률(비트가 큐에서 밀려나는 비율)
• L: 패킷의 비트 수

▷ 트래픽 강도(traffic intensity) = La/R

: 큐잉 지연의 정도 측정

• La/R > 1: 비트가 큐에 도착하는 평균율 > 비트가 큐에서 전송되는 비율
  --> 큐는 끝없이 증가하고, 큐잉 지연은 무한대에 도달한다.

--> 트래픽 강도(traffic intensity)가 1보다 크지 않게 설계해야 한다.

 

예) N개의 패킷이 동시에 (L/R)N초마다 도착한다. 

• 처음에 전송된 패킷은 큐잉 지연이 없다.
• 두 번째 전송된 패킷은 L/R초의 지연을 갖는다.

 

▶ 패킷 손실

: 큐 용량이 유한하므로, 트래픽 강도가 1에 접근함에 따라 패킷 지연이 실제로 무한대가 되지는 않는다. 대신에 패킷이 도착해서 큐가 꽉 찬 것을 발견하게 된다. 이렇게 패킷을 저장할 수 없는 경우에 라우터(router)는 그 패킷을 버린다(drop). 즉, 그 패킷을 잃어버리게 된다(lost). 

손실 패킷의 비율은 트래픽 강도(traffic intensity)가 클수록 증가한다.

 

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1.4.3 종단 간 지연

▶ 출발지에서 목적지까지의 지연: d(end-end)

종단 간 지연

 

Traceroute

: 컴퓨터 네트워크에서 지연을 측정하는 프로그램

 

종단 시스템, 애플리케이션 그리고 그 밖의 지연

처리, 전송, 전파 지연 이외에도 종단 시스템에서 중요한 지연이 더 있을 수 있다.

 

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1.4.4 컴퓨터 네트워크에서의 처리율

▶ 컴퓨터 네트워크 - 성능 수단:

• 지연
• 패킷 손실
• 종단 간 처리율(throughput)

종단 간 처리율: 10개의 클라이언트가 20개의 서버로부터 다운로드

출발지에서 목적지로 흐를 수 있는 비트 속도는 Rs와 Rc의 최솟값, 즉 처리율 = min{Rs, Rc}이다. 따라서 오늘날의 인터넷에서 처리율에 대한 제한 요소는 전형적으로 접속 네트워크다.

 

공통 링크 R의 속도가 크다면 이때 각 다운로드에 대한 처리율은 다시 한번 min{Rs, Rc)가 된다.

그러나 공통 링크의 속도가 Rs와 Rc와 같은 수준이라면, 각 다운로드에 대한 병목은 더이상 접속 네트워크가 아니라, 이제 코어에서의 공유 링크가 병목이 된다.