[Network] [1-4] Delay, Loss, and Throughput in Packet-Switched Networks

0. Introduction

- 해당 챕터에선 "패킷교환망에서 성능을 어떻게 분해해서 해석할 것인가"를 정리하는 챕터다.

- 해당 챕터에서 잡아야 하는 축은 3개이다.

i) Delay(지연) : 어디서 얼마나 생기나?

ii) Loss(손실) : 왜 드롭이 발생하고, 언제 심해지나?

iii) Throughput(처리량/전송률): ent-to-end로 "실제로" 몇 bps가 나오나

 

1. Delay의 "4분해" : nodal delay = Processing + queueing + transmission + propagation 

- 책에선 라우터 A의 nodal delay를 4가지 구성요소로 분해한다.

 

- 이 그림 하나로 1.4의 절반은 끝나게 된다. 라우터 A를 기준으로 패킷은

 

i) Processing delay d_proc

- 헤더를 파싱해서 포워딩 결정을 내리고, (필요 시) 비트 에러 체크 등을 하는 시간.

- 고속 라우터에선보통 us이하 수준이지만, 라우터의 최대 포워딩 레이트에 영향을 준다.

 

ii) Queuein delay d_queue

- 나갈 링크가 바쁘면 output queue에서 기다리는 시간.

- 트래픽이 "랜덤/버스트"이면 패킷마다 크게 달라져서 평균/분산/꼬리확률 같은 통계량으로 본다.

 

iii) Transmission delay d_trans

- 링크 전송률 : R[bps] , 패킷 길이 : L[bits]이면

d_trans = L/R

- 즉, "패킷 비트들을 링크에 밀어 넣는(serialize)시간"이다.

 

iv) Propagation delay d_prop

- 비트가 링크 위를 실제로 이동하는 시간. 

- 링크 길이 : d, 전파속도: s라하면,

d_prop = d/s

cf) s는 보통 빛의 속도정도 된다고한다.

 

- 즉, 종합적으로 다음과 같은 수식으로 정리된다.

d_nodal = d_proc + d_queue+ d_trans+d_prop

 

2. Transmission vs Propagation

- Transmission L/R: "링크에 올려 보내는 데 걸리는 시간"(직렬화 시간)

- Propagation d/s : "링크 위를 달려가는 시간" (거리/매체 의존)

 

- 다음과 같이 비유가 가능한데,

- 차 1대 = bit, 차 10대 행렬 = packet

- 톨게이트 서비스(차를 내보내는 속도) = transmission

- 톨게이트 사이 이동(100km를 달리는 시간) = propagation

 

3. Queueing delay: 네트워크 성능을 망치는 "비선형 폭주"의 근원

- Queueing delay는 다른 지연들과 달리 패킷마다 변동하고, "트래픽의 강도/버스트성"에 의해 지배된다.

- 책에선 직관을 위해 다음과 같이 가정한다.

 

- 패킷 도착률: a[packets/s]

- 패킷 길이: L[bits]

- 링크 전송률: R[bps]

 

- 그러면 평균 비트 도착률은 La[bps]이고, traffic intensity는 

ρ = La/R

- 이 된다.

ρ > 1 이면 평균 유입이 서비스 능력을 초과하므로 큐가 무한히 증가하려고 하고,

- 평균 queueing delay는 사실상 발산한다. 그래서 ρ<1로 설계를 하는게 황금률이라고 한다.

 

4. Packet Loss: "무한 큐"는 현실에 없다 --> 드롭이 생긴다.

- 실제 라우터 큐는 유한 용량이다.

-그래서 ρ가 커질수록 "delay가 무한대로" 가기 전에 queue overflow로 패킷이 드롭된다.

- 또한 트래픽 강도가 증가할수록 손실률도 즈가한다.

- 중요한 시스템적 의미는 다음과 같다.

i) 손실은 단순히 "없어지는 이벤트"가 아니라,

ii) 상위계층(ex. TCP)이 이를 혼잡 신호로 해석해 전송률을 낮추거나,

iii) applicaiton 레벨에서 재전송/적응형 비트레이트 등이 필요해진다.