[Network] 패킷 교환 네트워크에서의 delay, loss과 throughput

이상적으로는 인터넷 서비스가 데이터의 손실 없이 즉시 두 종단 시스템 간에 원하는 만큼의 데이터를 이동시키기를 원한다.

하지만 현실에서 이는 어려우며, 컴퓨터 네트워크는 두 종단 시스템 간에 전달될 수 있는 초당 데이터의 양, 즉 처리율을 제한한다.

이로 인해 종단 시스템 간에 지연이 발생하며, 패킷을 잃어버리게 되기도 한다.

전체 노드 지연(total nodal delay)

패킷은 한 호스트(출발지)에서 시작하고 일련의 라우터들을 통과하며 다른 호스트(목적지)에 도달한다. (end-end delay)

출발지와 목적지 사이 n-1 개의 라우터가 존재하면, 
종단간 지연(end-end delay) = N(처리 지연 + 전송 지연(L/R) + 전파 지연)

패킷이 경로를 따라 한 노드(라우터)에서 다음 노드(라우터)로 전달될 때 패킷은 경로상의 각 노드에서 크게 네가지의 지연을 겪게 되며,
이들은 쌓여서 전체 노드 지연(total nodal delay)을 일으킨다.

1. 노드 처리 지연(nodal processing delay)
2. 큐잉 지연(queuing delay)
3. 전송 지연(transmission delay)
4. 전파 지연(propagation delay)

전체 노드 지연(total nodal delay) = 1 + 2 + 3 + 4

노드 처리 지연(nodal processing delay)

패킷 헤더를 조사하고 그 패킷을 어디로 보낼지 결정하는 시간

자세히 말하면 총 두가지 일을 한다.

• 페킷이 도착하면, 패킷 헤더의 IP 주소를 확인 하고, 포워딩 테이블을 보고 어느 링크로 보낼지 결정한다.
• 도착한 패킷의 에러 체크를 한다.

일반적으로 수 마이크로초의 시간이 소요된다(시간 적게소요)

큐잉 지연(queuing delay)

패킷이 큐에서 링크로 전송되기를 기다리는 시간

• 큐잉 딜레이는 앞서 도착한 다른 패킷의 수에 의해 결정된다.
• 트래픽이 많고 다른 많은 패킷이 전송 대기 중이라면 패킷의 큐잉 지연 → 매우 길어진다.
• 큐가 비어있고 다른 패킷이 전송 중인 상태가 아니라면 패킷의 큐잉 지연 → 0

일반적으로 수 마이크로초 ~ 밀리초의 시간이 소요된다(처리 딜레이보다 오래걸림)

전송 지연(transmission delay)

패킷의 모든 비트를 링크로 밀어내는 데(출발시키는데) 필요한 시간
패킷 사이즈 / 전송률

패킷 사이즈: L bits
링크의 전송률: R bps 라 가정하면, 전송 딜레이는 L/R이다 (수 마이크로초 ~ 수 밀리초)

→ 두 라우터 사이의 거리와는 관계가 없다.

전파 지연(propagation delay)

비트가 라우터 A 상에서의 링크에서 라우터 B까지의 전파에 필요한 시간
라우터 사이 거리 / 링크 전파 속도

라우터 A와 B 사이의 거리: d
링크의 전파 속도(propagation speed): s라고 한다면, 전파 지연은 d/s이다. (일반적으로 수 밀리초)

• 피지컬 미디어 종류에 따라 전파속도가 달라진다.

→ 패킷 길이나 링크 전송률과는 관계가 없다.

큐잉 딜레이의 계산

다른 세 가지 지연과 다르게, 큐잉 지연은 패킷마다 다를 수 있다.

큐잉 지연을 결정하는 주 요소들 세가지가 있다.

1. 트래픽이 큐에 도착하는 비율
2. 링크의 전송률
3. 도착하는 트래픽의 특성 (트래픽이 주기에 맞춰서 또는 버스트(burst)하게 도착하는가?)

다음의 상황을 가정해 보자.

• 초당 큐에 도착하는 패킷개수 : a 패킷/초
• 전송률(패킷이 큐에서 밀려나는 비율) : R 비트/초
• 패킷 크기: L 비트

이때 트래픽 강도(traffic intensity, 비트가 큐에 도착하는 평균율)은
La/R 다.(단위는 없다)
(트래픽 강도는 큐잉 지연의 정도를 측정하는 데에 매우 중요)

더 자세하게 말하면, La = 초당 들어오는 bit수 / R = 전송률 이다

• La/R ≤ 1인 경우 : 도착 트래픽의 특성이 큐잉 지연에 영향을 미친다.
  → 하나의 패킷이 L/R 초마다 주기적으로 도착한다면 모든 패킷은 빈 큐에 도착: 큐잉 지연은 없을 것이다.
  → 패킷이 몰려서(burst) 도착: 상당한 평균 큐잉 지연이 발생할 것이다.

쉽게 말하면 전송률이 1초인데, 10초 동안 패킷이 1초 마다 도착한다면 큐잉딜레이는 없을 것이고, 처음 1초에 10개의 패킷이 한꺼번에 도착하면 큐잉딜레이가 크다

• La/R > 1인 경우 : 비트가 큐에 도착하는 평균율이 비트가 큐에서 전송되는 비율을 초과한다는 것을 의미한다.
  → 평균 큐잉 딜레이가 무한대가 되며 LOSS가 일어날 수 있다.

  

Throughput

시간당 얼마의 bit를 전송하는가?
= 전달받은 bit수 / 측정 시간

• 어느 한 순간에서의 순간적인 처리율(instantaneous throughput) = 호스트 B가 파일을 수신하는 비율(비트/초)
• 평균 처리율(average throughtput) = F/T 비트/초

인터넷 전화 같은 애플리케이션의 경우, 낮은 지연과 순간적인 처리율이 지속적으로 어떤 임계값(threshold)을 넘는 것이 바람직하다.

파일 전송을 포함하는 다른 애플리케이션의 경우, 지연은 심각하지 않으나 가능한 한 높은 처리율을 가지는 것이 바람직하다.

Throughput의 결정

위와 같이 서버-클라이언트 사이 라우터가 하나 있고, 통신링크 파이프의 크기가 다르다면 링크 속도 또한 달라질 것이다.
파이프가 좁다면 오래 걸릴것이고, 넓다면 빠르게 전달할 것이다.
이렇게 링크 속도의 차이가 발생하면 처리율은 어떻게 될까?

위의 두 예시 모두 처리율이 Rs 이다.
즉, 두 링크중 작은 값을 갖는 전송률을 따른다.
= 처리율은 병목링크의 전송률이다.