[컴퓨터네트워크1] 1-4 Performance: loss, delay, throughput

출처: 최종원 교수님, 컴퓨터네트워크1 수업,

Computer Networking:  A Top-Down Approach Featuring the Internet by James F.Kurose and Keith W.Ross 8th,

컴퓨터 네트워킹 하향식 접근 8판

패킷이 경로를 따라 한 노드에서 다음 노드로 전달되므로 그 패킷은 경로상의 각 노드에서 다양한 지연을 겪게 된다.

Packet delay

dnodal = dproc + dqueue + dtrans + ddorp

1. 처리 지연(nodal processing)

• 패킷 헤더를 조사하고 그 패킷을 어디로 보낼지를 결정하는 시간
• 수 마이크로 초 < msec
• ex) 업스트림 노드에서 라우터 A로 패킷의 비트를 전송하면서 발생하는 패킷의 비트 레벨 오류를 조사하는 데 필요한 시간 등

2. 큐잉 지연(queuing delay)

• 패킷은 큐에서 링크로 전송되기를 기다린다. 특정 패킷의 큐잉 지연 길이는 큐에 저장되어 링크로 전송되기를 기다리는 다른 패킷의 수에 의해 결전된다.
• 수 마이크로 초에서 수 밀리 초 msec ~ ms

3. 전송 지연(transmission delay)

• 패킷의 모든 비트를 링크로 밀어내는 데(전송하는 데) 필요한 시간
• 패킷의 길이/전송률 = L/R
• 수 마이크로 초에서 수 밀리 초 msec ~ ms
• 라우터가 패킷을 내보내는 데 필요한 시간으로 패킷 길이와 링크 전송률의 함수이다.

4. 전파 지연(propagation delay)

• 링크의 처음부터 라우터 B까지의 전파에 필요한 시간
• 두 라우터 사이의 거리/전파속도 = d/s
• 전파 속도는 링크의 물리 매체에 따라 다르지만, 범위는 2*10^8~3*10^8 (빛의 속도와 같거나 약간 작다)
• 비트가 한 라우터에서 다음 라우터로 전파되는데 걸리는 시간, 두 라우터 사이의 거리에 대한 함수이다.

종단 간 지연

• 출발지에서 목적지 호스트 사이에 N-1 개의 라우터가 있다고 가정하자. 네트워크가 혼잡하지 않다(=큐잉 지연 무시)고 하자.
• d end-end = N (d proc + d trans + d prop)

큐잉 지연과 패킷 손실

큐잉 지연

트래픽 강도가 1에 가까워질수록, 지연 시간이 길어진다.

• 트래픽이 큐에 도착하는 비율, 링크의 전송률, 도착하는 트래픽의 특성(주기/burst)에 따라서 큐잉 지연이 결정된다.
• a: 패킷이 도착하는 평균율 (패킷/초), R: link bandwidth(전송률) (bps), L: packet 길이 (bits)라고 했을 때, 트래픽강도는 비트가 큐에 도착하는 평균율 = La/R
• 트래픽 강도가 1보다 크지 않게 시스템을 설계해라
  • La/R ~ 0 : 다음에 도착하는 패킷이 큐에서 다른 패킷을 발견하는 경우가 거의 없다.
  • La/R ~ 1 : 패킷 도착이 전송용량을 초과하여 큐가 생길 것이다. 도착률이 전송률보다 작아질 때, 큐의 길이는 줄어들 것
  • La/R > 1 : 평균 큐 길이는 점점 증가한다.

패킷 손실

• 현실에서 큐(버퍼)의 요량은 스위치 설계와 비용에 의존하여 일반적으로 유한 용량을 가진다. → 큐 용량이 유한하므로, 트래픽 강도가 1에 접근함에 따라 패킷 지연이 실제로 무한대가 되지X → 하지만, 큐가 꽉 찬것을 발견→ 패킷을 저장할 수 없는 경우에 라우터는 그 패킷을 버린다(=잃어버린다)
• 손실 패킷의 비율은 트래픽 강도가 클수록 증가한다.
• packet이 하나 전달 안되어도 문제없는(오디오/비디오) 같은 경우는 신경 쓸 필요 없다. 하지만 어떤 프로그램에서 패킷 하나가 중요하다면, retransmitted(재전송) 해야 한다.

Throughput: 처리율 (성능 수단)

throughput: sender 에서 receiver 까지 시간 당 처리하는 bits의 rate = bits/time unit

• instantaneous: 어느 순간에서의 속도
• average: 어느 기간 동안의 평균 속도 =  F/min{Rc, Rs}
• min{Rc, Rs} 작은 속도에 dependent 하다. 병목 링크의 전송률이 처리율이 된다.

병목현상이 발생하는 이유

• bottleneck link(병목현상): end-end 링크가 전체 처리량에 제한을 둔다. 내부 LAN이 아무리 빨라도, 외부선의 최소값이 작다면 느릴 수 밖에 없다는 뜻
• 처리율이 데이터가 흐르는 링크의 전송률에 의존한다는 것을 보여준다. 다른 간섭 트래픽이 없는 경우, 처리율은 출발지와 목적지 간 경로상에서의 최소 전송률로 근사화할 수 있다.
• 만약 많은 데이터 흐름이 높은 전송률을 가진 링크를 통해 지나간다면, 파일 전송의 경우 그 링크가 병목 링크가 될 수 있다. 실제로 많은 경우, core 부분 보다는 edge에서 병목 현상이 발생한다.