Performances: Loss, Delay, Throughput

❓왜 패킷 손실과 지연이 발생할까?

패킷이 라우터의 버퍼에 대기하는 과정 (Queuing)

패킷이 도착하는 속도가 링크의 전송 속도를 일시적으로 초과할 경우, 패킷들은 라우터의 버퍼에 대기하게 된다.

• 즉, 네트워크에서 라우터의 출력 링크가 데이터를 충분히 빠르게 처리하지 못하면, 라우터는 패킷을 바로 전송하지 못하고 큐에 저장하게 된다.

• 그림에서 A와 B로부터 오는 패킷이 동시에 라우터에 도착했지만, 전송 용량이 부족하여 일부 패킷은 대기열(큐)에서 기다리게 된다.

지연 (Delay)

패킷이 큐에서 차례를 기다리면서 지연이 발생한다. 전송 중인 패킷이 모두 전송될 때까지 대기하는 동안 다른 패킷들은 전송되지 못하고 지연이 발생하게 된다.

이 지연은 네트워크이 혼잡이 심해질수록 증가할 수 있다.

패킷 손실 (Loss)

패킷 손실은 라우터의 버퍼 용량이 가득 찼을 때 발생한다. 더 이상 저장할 공간이 없으면, 새로운 패킷은 버퍼에 들어갈 수 없으므로 손실된다.

패킷 지연의 주요 4가지 원인

💡 패킷 지연의 총합
$d_{nodal} = d_{proc} + d_{queue} + d_{trans} + d_{prop}$

• $d_{nodal}$ : 노드에서 패킷이 처리되는전체 지연 시간

• $d_{proc}$ : 노드 처리 지연

  • 라우터나 스위치에서 패킷이 처리되는 동안 발생하는 시간
  • 비트 오류 검사 : 패킷이 도착했을 때 오류가 있는지 확인하는 과정
  • 출력 링크 결정 : 패킷을 어느 방향으로 보낼지 결정하는 과정
  • 일반적으로 몇 밀리초(msec) 이하로 매우 짧은 시간이 소요된다.

• $d_{queue}$ : 큐잉 지연

  • 패킷이 라우터의 출력 링크로 전송되기 위해 대기하는 시간
  • 출력 링크가 혼잡하거나 패킷이 많이 몰리면 큐에서 더 오래 대기하게 됨
  • 혼잡 수준에 따라 이 지연은 크게 변할 수 있다. 네트워크가 혼잡할수록 대기 시간이 길어진다.

• $d_{trans}$ : 전송 지연

  • 패킷의 크기와 전송 속도에 의해 결정되며, 패킷이 라우터에서 다음 링크로 전송되는 데 걸리는 시간
  • L: 패킷의 길이 (비트 단위)
  • R: 링크의 대역폭 (초당 비트 수, bps)
  • 공식: $d_{trans} = L/R$
  • 예시)
    1,000 비트 크기의 패킷을 1Mbps 링크로 전송할 경우, 전송 지연은 약 1밀리초가 된다.

• $d_{prop}$ : 전파 지연

  • 라우터에서 다음 목적지(또는 노드)까지 신호가 물리적으로 전파되는 데 걸리는 시간
  • 전송 매체(광섬유, 구리선 등) 속도에 따라 다르다.
  • d: 물리적인 링크의 길이
  • s: 전파 속도
  • 공식: $d_{prop} = d/s$
  • 이는 전송 매체에서 빛이나 전기 신호가 이동하는 속도에 좌우되며, 거리와 매체에 따라 다르다.
  • 전파 지연은 거리가 멀수록 길어지며, 일반적으로 몇 밀리초에서 수백 밀리초까지 소요될 수 있다.

전송 지연과 전파 지연의 차이

• 전송 지연은 패킷이 라우터에서 다음 링크로 "전송"되기 위해 걸리는 시간(패킷 크기와 대역폭에 좌우)이다.
• 전파 지연은 신호가 물리적인 링크를 따라 실제로 이동하는 시간(거리와 전파 속도에 좌우)이다.
• 이 두 지연은 서로 다른 요인에 의해 결정되기 때문에, 네트워크 환경에 따라 크게 다를 수 있다.

Packet loss

이번에는 패킷 손실이 발생하는 이유와 그 과정에 대해 알아보자.

1. 큐(버퍼)의 한정된 용량

큐(Queue) 또는 버퍼(Buffer)는 패킷이 라우터를 통과하기 전에 잠시 대기하는 공간이다. 이 버퍼는 용량이 한정되어 있으며, 한 번에 처리할 수 있는 패킷 수가 제한되어 있다.

2. 패킷 손실 발생

패킷이 가득 찬 버퍼에 도착하면, 버퍼에 저장할 공간이 없기 때문에 해당 패킷은 삭제(손실)된다. 이를 패킷 손실이라고 한다.

3. 손실된 패킷의 처리 방법

손실된 패킷은 다양한 방법으로 처리될 수 있다.

• 이전 노드에서 패킷을 다시 전송할 수 있다.
  예를 들어, 패킷이 손실된 것을 감지한 이전 라우터에서 패킷을 다시 보낼 수 있다.

• 출발지 시스템에서 패킷을 재전송할 수도 있다. 패킷이 손실되었다는 신호를 받은 원본 송신자가 다시 전송할 수 있다.

• 재전송되지 않을 수도 있다. 만약 네트워크 프로토콜이 손실을 허용하도록 설계되었다면, 손실된 패킷은 복구되지 않는다.

Throughput (처리량)

throughput은 송신자와 수신자 간에 전송되는 비트의 속도를 의미한다. 단위는 비트/초(bps)로 표현된다.

• 순간 처리량 (Instantaneous Throughput):
  특정 시점에서의 처리 속도
• 평균 처리량 (Average Throughput):
  더 긴 시간 동안의 평균 전송 속도

서버가 비트(데이터)를 물처럼 파이프에 넣어 전송하는 모습을 상상해보자.

• 서버: 송신자(데이터를 보내는 측)로, 네트워크에 데이터를 전송한다.
• 파이프: 네트워크 경로로, 데이터를 전송하는 용량을 나타낸다.
  • 파이프1: 비트를 초당 $R_s$ 비트의 속도로 전송한다
  • 파이프2: 비트를 초당 $R_c$ 비트의 속도로 전송한다.

병목 현상

처리량은 네트워크 경로의 어느 부분이 가장 느린지를 나타낸다.

즉, 가장 작은 파이프(가장 낮은 전송 속도)가 전체 처리량을 제한한다.

• 송신 속도가 수신 속도보다 느린 경우 ($R_s < R_c$)

  • $R_s$는 송신자의 전송 속도 (bits/sec)
  • $R_c$는 수신자의 전송 속도 (bits/sec)
  • 이 경우, 송신 속도가 수신 속도보다 느리기 때문에, 송신자의 속도가 전체 처리량을 결정하게 된다.
  • 처리량(Throughput) : $R_s$ bits/sec

• 송신 속도가 수신 속도보다 빠른 경우 ($R_s > R_c$)

  • 이 경우에는 송신 속도가 수신 속도보다 빠르기 때문에, 수신 속도가 전체 처리량을 제한한다.
  • 처리량(Throughput) :$R_c$ bits/sec

• 즉, 병목 링크가 전체 송수신 속도를 결정하며, 이 링크의 속도과 네트워크 성능에 큰 영향을 미친다.

Troughput: Internet scenario with Backbone

위 그림에서 10개의 연결이 공유된 Backbone 링크를 사용하여 데이터를 주고받는다.
각 연결은 전체 링크 용량 R을 공유한다.
따라서, 이 링크를 사용하는 각 연결의 처리량은 최대 R/10이 된다. 하지만 실제 처리량은 송신자와 수신자의 속도($R_s$ 및 $R_c$)에 따라 다를 수 있다.

각 연결의 처리량은 다음과 같이 정의된다.

• $min(R_c, R_s, R/10)$
• $R_c$ : 수신자의 수신 속도
• $R_s$ : 송신자의 송신 속도
• $R/10$ : 10개의 연결이 네트워크 백본(Backbone) 링크를 공유할 때, 각 연결이 받을 수 있는 대역폭

즉, 각 연결의 처리량은 이 세 값 중 가장 작은 값에 의해 결정된다.

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연습 문제

1. Computing the one hop transmission delay

1-1. 한 패킷의 모든 비트를 전송하는 데 걸리는 전송 지연 시간은?

• $\frac{16,000 bits}{10,000,000 bps}=0.0016 sec = 1.6 msec$

1-2. 1초에 전송할 수 있는 최대 패킷 수는?

• $\frac{1 sec}{0.0016 bit/sec}=625$

2. Computing end to end delay

• 각 링크마다 전파 지연은 $3\times10^8$ m/sec
• 패킷의 길이는 8000 bits
• 큐잉 지연과 처리 지연은 무시한다.

2-1. link 1의 전송 지연은?

• $\frac{8,000bits}{10Mbps}=\frac{8,000bits}{10,000,000bps}=0.0008sec=0.8msec$

2-2. link 1의 전파 지연은?

• $\frac{1Km}{3\times10^8m/sec}=0.0000033sec=0.0033msec$

2-3. link 1의 총 지연은?

• $0.8msec+0.0033msec=0.8033msec$

2-4. link 2의 전송 지연은?

• $\frac{8,000bits}{10Mbps}=\frac{8,000bits}{10,000,000bps}=0.0008sec=0.8msec$

2-5. link 2의 전파 지연은?

• $\frac{1,000Km}{3\times10^8m/sec}=0.0033sec=3.33msec$

2-6. link 2의 총 지연은?

• $0.8msec+3.33msec=4.13msec$

2-7. link 3의 전송 지연은?

• $\frac{8,000bits}{10Mbps}=\frac{8,000bits}{10,000,000bps}=0.0008sec=0.8msec$

2-8. link 3의 전파 지연은?

• $\frac{1Km}{3\times10^8m/sec}=0.0000033sec=0.0033msec$

2-9. link 3의 총 지연은?

• $0.8msec+0.0033msec=0.8033msec$

2-10. 클라이언트와 서버 사이의 총 지연은? (link1 + link2 + link3)

• $0.8033msec+4.13msec+0.8033msec=5.7366msec$

3. End to end throughput and bottleneck links

• 서버에서 클라이언트까지 4개의 3-hop 경로가 있다.
• 4개의 경로는 용랑 R = 100 Mbps 짜리 중간 hop을 서로 공유한다.
• 서버에서 중간 링크까지의 전송 속도는 $R_S = 30 Mbps$이고, 중간 링크에서 클라이언트까지의 전송 속도는 $R_C = 80 Mbps$이다.

3-1. end-end throughput의 최대는?

(중간 링크는 전송 용량을 공평하게 분배한다.)

• link1 = 25 Mbps
• link2 = 25 Mbps
• link3 = 25 Mbps
• link4 = 25 Mbps

3-2. 병목 링크는 어디인가?

• 중간 링크 (R)

3-3. 송신자는 가능한 최대 속도로 보낸다고 가정하자. 송신 링크($R_S$), 클라이언트 링크($R_C$), 중간 링크($R$)의 이용률은?

• Sender link ($R_S$) = $\frac{25}{30}\times100=83.33$%

• Client links ($R_C$) = $\frac{25}{80}\times100=31.25$%

• Middle link ($R$) = $100$%