1.4 패킷 교환 네트워크에서의 지연, 손실과 처리율

우리가 이전 포스트들을 통해 데이터를 송수신함으로 연결된 네트워크에 대해 알아봤다.

그러나 이러한 네트워크를 통한 연결에 완벽하게 데이터가 전달되지는 않고 손실과 지연이 존재한다. 

 

이번 포스트에서는 그러한 지연과 손실, 처리율에 대해 알아보고자한다. 

 

 

패킷 교환 네트워크에서의 지연개요 (큐잉지연, 전송지연, 전파지연)

 

패킷 교환에서 지연은 큐잉지연, 전송지연, 전파지연이 있다.

이러한 지연들을 합쳐 전체  노드 지연이라 말하며 데이터 전송 시 지연을 일으키는데, 

어플리케이션에서 제공하는 서비스는 이러한 지연에 큰 영향을 받는다. 

 

 

 

 

처리 지연

패킷 헤더를 조사하고 해당 페킷을 어디로 보낼지 결정하는 시간이다. (페킷 비트레벨 오류 조사시간도 포함)

이 처리 후에는 페킷을 라우터에 앞에 존재하는 큐에 보내게된다 (추후 라우터 작동을 다룰 것이다)

 

 

 

큐잉 지연

페킷은 큐에서 링크로 전송되기를 기다리면서 큐잉 지연을 겪는다. 이전 포스트에서 설명한 바와 같이 링크에 전송하고 있는 페킷을 있을 시 다음 링크로 전달되기를 기다리는 대기 시간을 큐잉 지연이라한다.  

(페킷이 들어올 때 앞선 페킷이 이미 전달이 되어 바로 전달할 수 있게된다면 큐잉 지연은  0이다)

 

 

 

전송 지연

전송 지연이란 패킷의 모든 비트를 링크로 밀어내는 데 필요한 시간이다

페킷이 선입선출 방식(queue는 fifo방식을 따른다) 에 따라 전송된다 가정하면 패킷 길이를 L 이라 두고

라우터에서 라우터로 전달되는 링크 전송률을 R로 두자.

R은 뒤에 라우터로 가는 링크의 전송률에 의해 결정된다.

 

 

예시로 이더넷 링크가 10Mbps 전송률을 가졌다 보면 R은 10Mbps, 이더넷 링크가 100Mbps 전송률을 가졌다 보면 R은 100Mbps 다. 

 

 

 

전파 지연

비트가 링크에 전해지면 뒤에 라우터까지 전파되어야하는데 링크 처음부터 뒤에 라우터까지의 전파에 필요한 시간을 전파지연이라고 한다. 비트는 링크의 전파속도로 전파된다. (물리매체에 따라 다르기에 광섬유, 꼬임상선 등에 따라 바뀐다. ) 

 

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전송 지연과 전파 지연의 차이점 

꽤나 둘은 비슷해 보이지만 같지는 않다. 

전송 지연의 경우 라우터가 페킷을 링크에 보내기 위한 밀어내는 시간이라면

전파 지연은 라우터에서 다른 라우터로 전파되는데 걸리는 시간이다. 

 

 

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큐잉 지연과 패킷손실 

노드지연중 가장 복잡하고 큰 영향을 미치는 것은 큐잉지연이다. 

우리는 이 큐잉 지연이 언제 크고 작아지는지에 대해 알아보자 

 

큐잉 지연은 트래픽이 큐에 도착하는 비율, 링크의 전송률, 도착하는 트래픽의 특성  등  트래픽이 주기에 맞춰 버스트하게 도착하느냐에 결정된다. 

 

에를 들어 보자.

 

A는  패킷이 큐에 도착하는 평균율

R은 전송률

L은 모든 패킷의 비트로 가정하자 

 

 

이때 비트가 큐에 도착하는 평균율은 L *A 비트/초다.

추가적으로 큐가 무하능로 저장할 수 있다고 가정하자.

 

 

트래픽 강도 ( L*A / R )는 큐잉 지연의 정도를 측정하는데 매우 중요하다  트래픽 강도가 1 이상이면 도착하는 평균율이 전송되는 비율을 초과하게 되므로 큐잉 지연이 기하급수 적으로 증가하여 무한대에 도달한다.

(트래픽 강도가 1보다 크지 않게 시스템 설계해야한다. )

 

 

그외에 트래픽 강도가 1보다 미만이라면? 

패킷이 주기적으로 도착하면 바로 빈 큐에 도착하여 큐잉 지연은 일어나지 않는다. 

반면에 주기적이 아니라 몰렷 도착한다면 평균 큐잉 지연이 생길 것이다. 

 

 

 

패킷 손실 

 

앞선 예시에서 큐가 무한대의 패킷을 가질 수 있다고 가정했기에 해당 큐잉 지연이 무한대로 증가한 것이다.(실제로는 무한큐가 어디있냐 ㅋㅋ) 

 

만약 페킷을 전달하였는데 큐가 가득차서 저장할 수 없는 경우 라우터는 해당 페킷을 버린다(drop)

결과적으로 이러한 손실은 큐잉 지연이 상승함에따라 계속해서 일어날 것이며 큐잉 지연에 따라 상승하게된다. 

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손실 패킷이 존재하게 되면 종단 시스템에서 다시금 재전송을 요청하여 다시 회복시킨다 (영원히 못 받지 않는다 ) 

 

 

 

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종단 간 지연 

이때까지 한 라우터에서의 지연에 초점을 맞추었다면 이제 출발지에서 목적지까지의 전체적인 지연에 대해 알아보자

 

출발지와 목적지 사이에 N-1 개의 라우터가 있다고 가정하고 네트워크가 혼잡하지 않는다라고 한다면

각 라우터 출발지 호스트의 처리지연은 d(proc 이고 각 호스트와 출발지 호스트에서의 전송률은 R비트/초라 두자.

추가적으로 각 링크에서의 전파지연은 d(drop, d(trans = L/R 로 둔다. 

 

 

d(end - end = N ( d(proc + d(trans + d(prop )

 

 

결과적으로 우리는 위에 식과 같이 종단 간 지연을 일반화할 수 있다. 

 

 

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컴퓨터 네트워크에서의 처리율 

종단간의 처리율은 네트워크 성능을 평가하는 다른 척도다.

이는 말 그대로 네트워크가 얼마만큼의 데이터를 처리하느냐 인데,초당 F 만큼의 비트를 처리하면 처리율은 F bit/s가 된다.

이 처리율은 네트워크를 잇는 링크들 중에서 속도가 제일 낮은 링크가 네트워크의 처리율이 된다.