패킷이 경로를 따라가며 겪게 되는 지연으로 노드 처리 지연(nodal processing delay), 큐잉 지연(queuing delay), 전송 지연(transmission delay), 전파 지연(propagation delay) 등이 있다.

Nodal processing: 네트워크에서 패킷이나 데이터를 처리하는 과정

A) Overview of Delay in Packet Switching Networks

그림에서의 과정은 다음과 같다.

1. 패킷이 업스트림 노드로부터 라우터 A에 도착한다.
2. 라우터 A는 그 패킷에 대한 적당한 출력 링크를 결정하기 위해 패킷 헤더를 조사한다.
3. 라우터 A는 선택된 링크로 그 패킷을 보낸다.

Processing Delay (처리 지연)

패킷 헤더를 조사하고 그 패킷을 어디로 보낼지를 결정하는 시간

• 비트 레벨 오류를 조사하는 등에 시간을 사용할 수도 있다.

Queuing Delay (큐잉 지연)

Queue에서 링크로 전송되기를 기다리면서 시간

• 큐잉 지연 길이는 큐에 저장되어 링크로 전송되기를 기다리는 다른 패킷의 수에 의해 결정된다.
• Queue: 기다리다.

Transmission Delay (전송 지연)

패킷이 선입선출 방식으로 전송된다고 가정하였을 때, 패킷의 모든 비트를 링크로 전송하는 데 필요한 시간

• 패킷의 길이를 L 비트, 링크의 전송률을 R bps라고 하면 전송 지연은 L/R이다.
  • R는 라우터 B로 가는 링크의 전송률에 의해 결정됨

Propagation Delay (전파 지연)

링크의 처음부터 Router까지의 전파에 필요한 시간

• 전파 속도는 링크의 물리 매체에 따라 다르다.
  • 보통 범위는 2x10^8m/s ~ 3x10^8 m/s 이다.
• 전파 지연은 두 라우터 사이의 거리를 전파 속도로 나눈 것이다.
  • d/s (d: 거리, s = 전파 속도)

전송 지연 vs 전파 지연

전송 지연과 전파 지연 비교

항목	전송 지연	전파 지연
정의	라우터에서 비트를 링크로 내보내는 데 걸리는 시간	비트가 링크를 통해 다른 라우터로 이동하는 데 걸리는 시간
주요 요인	전송 속도(즉, 링크의 대역폭에 의존)	전파 속도(즉, 매체의 물리적 특성에 의존)
영향을 받는 요인	패킷의 크기 및 링크의 대역폭	링크의 길이 및 전파 속도 (예: 광섬유, 전파)

Total Nodal Delay (전체 지연)

처리 지연, 큐잉 지연, 전송 지연, 전파 지연 모두를 고려해야한다.

• 지연 요소의 기여도에는 상황에 따라 차이가 있다.

B) Queuing Delay and Packet Loss

• Queuing Delay는 다른 지연과 다르게 패킷마다 다를 수 있다.

  • 어떤 패킷은 Queuing Delay를 겪지 않지만, 다음에 도착하는 다른 패킷은 겪을 수 있다.

• Queuing Delay는 예측이 비교적 어렵기 때문에 통계적 특성을 활용한다.

Queuing Delay는 언제 크고, 언제 작은가?

Traffic이 큐에 도착하는 비율, 링크의 전송률, 도착하는 트래픽의 특성에 의해 주로 결정된다.

a: 패킷이 큐에 도착하는 평균율 (패킷/초), R: 전송률, 큐에서 비트가 밀려나는 비율 (비트/초), L: 패킷의 비트수

Traffic Intensity (트래픽 강도)

큐가 매우 커 무한대의 비트를 저장할 수 있다고 가정했을 때, La/R

• La는 1초에 큐에 도착하는 비트의 평균율
• La/R은 1초마다 큐에 도착하는 비트 개수를 전송률이 감당할 수 있는지를 나타낸다.

패킷이 주기적으로 도착하는 경우

1. La/R > 1

   • 비트가 큐에 도착하는 평균율이 비트가 큐에서 전송되는 비율을 초과한다.
   • 이 경우 큐의 크기는 끝없이 증가하고 큐잉 지연 또한 무한대에 도달한다.

2. La/R <= 1

   • 비트가 큐에 도착하는 평균율이 비트가 큐에서 전송되는 비율보다 작기 때문에 도착 트래픽의 특성이 중요하다.
   • 패킷이 하나씩 (L/R 초마다) 도착한다면 Queuing Delay = 0

패킷 여러 개가 Burst(몰려서, NL/R초마다) 도착하는 경우

1. La/R <= 1

   • N개의 패킷 중, 처음에 도착하는 패킷은 큐잉 지연이 없고, 두 번째 도착하는 패킷은 L/R의 큐잉 지연을 겪는다.
   • 두 번째의 경우를 일반화하면, n 번째 전송된 패킷은 (n-1)L/R 초의 큐잉 지연을 겪게된다.

트래픽 공학의 주요 규칙 중 하나는 트래픽 강도가 1보다 크지 않게 시스템을 설계하는 것이다.

패킷이 random하게 도착하는 경우

패킷의 도착에 전혀 고정된 패턴이 없고 패킷은 임의의 시간만큼 떨어져서 도착하는 경우를 가정한다.

• 패킷이 규칙적으로 도착하는 경우에 비해 현실적이다.
• 통계를 완전히 분석하는 데 충분하지 않다.
• 그러나 패킷이 주기적으로 오는 경우를 통해 어느 정도의 직관적 이해를 얻을 수 있다.

Packet Loss

큐의 용량이 유한하므로 Traffic Intensity가 1에 근접하게 되면 queue의 용량이 꽉 찬 상황에 패킷을 버리게(drop) 되는 것.

• End System 입장에서 패킷 손실은 패킷이 네트워크 코어로 전송되었으나 네트워크로부터 목적지에 나타나지 않는 것으로 보인다.
• 손실 패킷의 비율은 트래픽 강도가 클수록 증가한다.
  • 노드에서의 성능은 지연뿐만이 아니라 패킷 손실 확률로도 측정하기도 한다.
• 손실 패킷은 모든 데이터가 궁극적으로 출발지에서 목적지로 전달되었음을 보장하기 위해 End System 간에 재전송될 수 있다.
  • lost packet may be transmitted by previous node, by source end system, or not at all

C) End-to-End Delay (종단 간 지연)

출발지에서 목적지까지의 지연

출발지와 목적지 사이에 (N-1)개의 Router, D(trans) = L/R, D(proc): 처리 지연, D(prop): 전파 지연

Traceroute

컴퓨터 네트워크에서 지원을 느끼기 위해 사용하는 진단 프로그램

1. 사용자가 목적지 호스트 이름을 제시했을 때, 프로그램이 목적지를 향해 여러 개의 특별한 패킷을 보낸다.

2. 이 패킷들은 목적지로 전진하면서 여러 개의 라우터를 통과한다.

3. 한 라우터가 이 특별한 패킷 중 하나를 받으면 출발지로 짧은 메세지를 보낸다.

   • 메세지에는 라우터의 이름, 주소, 시간등이 포함되어 있다.

D) 컴퓨터 네트워크에서의 Throughput (처리율)

Instantaneous Throughput (순간적인 처리율)

rate at given point in time

Average Throughput (평균 처리율)

rate over longer period of time

• 파일이 F비트로 구성되고 호스트가 F비트 모두를 수신하는데 T초가 걸린다고 하면 평균 처리율은 F/T bps이다.

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.

위 그림에서 처리율을 계산해보자. R: 링크 속도.

1.19 (a) 그림

1. Rs < Rc

   • 서버 > 클라이언트의 흐름에 문제가 없다.
   • 도착한 비트의 처리율은 Rs bps 이다.

2. Rs > Rc

   • Router는 자신이 수신하는 비트만큼 빠르게 그 비트들을 전달할 수 없다.
   • 비트들은 Router에서 Rc의 속도로 출발하게 되고 처리율은 Rc가 된다.
   • Router에서 속도가 변환되기 때문에 큐잉 지연이 발생할 수 있다.
   • 처리율은 min{Rs, Rc}으로 bottleneck link (병목 링크)의 전송률이 된다.

1.19 (b) 그림

1. R(n-1) < Rn

   • 흐름에 문제가 없다.
   • 도착한 비트의 처리율은 R1 이다.

2. R(n-1) > Rn

   • 처리율은 min{R1, R2, ..., Rn} 이다.
   • 서버와 클라이언트 간 경로상에서의 병목 링크(bottleneck link)의 전송률

1.20 (a) 그림

1. 네트워크 코어에 있는 모든 링크의 전송률이 접속 링크의(Rs, Rc) 전송률 보다 훨씬 높을 때

   • 처리율: min{Rs, Rc}

1.20 (b) 그림

모든 서버 접속 링크 속도: Rs, 모든 클라이언트 접속 링크: Rc, 코어에서의 모든 링크의 전송률은 R, Rs, Rc 보다 크다고 가정하자.

1. R >>> Rs, Rc

   • 처리율: min{Rs, Rc}

2. R ≈ Rs, Rc

   • 공유 링크는 10개의 클라이언트에 똑같이 전송률을 나눈다.
   • 따라서 공유 링크의 전송률이 Rs, Rc와 비슷하다면 공유 링크가 병목이 된다.
   • 이때, Throughput은 R/10 이 된다.