[컴퓨터 네트워크] 08. 네트워크 성능 지표 : Delay, Packet Loss, Throughput

■ 네트워크 성능 지표

● 네트워크를 평가할 때 주요한 성능 지표 3가지

- Delay(지연시간) : 데이터를 발생시키는 소스(source)로부터 목적지까지 패킷을 전달하는데 걸리는 시간이 평균적으로 얼마나 되는가를 나타낸다. 딜레이가 짧은 네트워크가 좋은 네트워크이다.
- Packet Loss(손실률) : 보낸 패킷 중에서 얼마나 분실이 되는가를 나타낸다. 비슷한 성능 지표로 PDR(Packet Delivery Ratio)라는 것이 있는데 이것은 전체 전달한 패킷 중에 얼마만큼 성공적으로 전달되었느냐를 나타낸다. (Packet Loss와는 반대 개념)
- Throughput(전송률) : 단위 시간 동안에 전달될 수 있는 트래픽의 총량.

 

● 딜레이(Delay)는 어떤 경우에 발생하는가?

 전체 딜레이는 4가지로 구성되어 있다고 볼 수 있다. 첫번째는 Processing delay로 패킷이 도달했을 때 라우터에서 패킷을 처리하기 위한 주소가 무엇이며 이 주소에 따라서 어디로 보내야하는지 판단하기 위한 delay이다. 두번째는 Queueing delay로 어떤 패킷이 도달했을 때 이전에 미리 도착한 패킷이 있었다면 큐(queue)에 들어가서 대기를 할 때 발생하는 delay를 나타낸다. 세번째로 Transmission delay는 링크의 전송률에 따라서 패킷 사이즈가 굉장히 클 경우 걸리는 delay를 나타낸다. 마지막으로 Propagation delay는 전파 시간, 전파의 특성에 따른 delay를 나타낸다.

 

 delay 중에서 Processing delay와 Propagation delay는 전체 속도에 큰 영향을 주지 않고 예상이 가능한 delay이다. 왜냐하면 Processing delay는 패킷이 캐시에 도착했을 때 비트 에러가 포함되어 있느냐를 판단하고 목적지 주소를 보고 Output 링크를 결정해야하는 일들이 일어나는데, 최근에는 하드웨어 속도가 굉장히 빨라져서 하나하나의 패킷을 처리하는 속도는 무시할 수 있을 정도이기 때문이다. 

 Propagation delay의 경우 전파 속도를 의미하는데 구리선이나 전선에서는 빛의 빠르기의 3분의 2 정도 속도로 약 20만km/s의 엄청난 전파 속도를 지니고 있다. 하지만 속도가 아무리 빠르다고 하더라도 지구 반대편에 있는 지역과 통신을 하려면 지연 시간이 발생할 수 밖에 없다. 대략적으로 100ms 속도가 걸린다고 하면 이 속도는 사람의 입장에서는 충분히 기다려볼만한 시간이지만 컴퓨터 네트워크 입장에서는 그렇게 짧은 시간이 아니다.

 중요한 것은 비트를 보내는 방식인데 한 비트를 보내고 해당 비트가 목적지에 도착하면 다음 비트를 보내는 것이 아니라, 첫번째 비트를 보내고 뒤이어서 곧바로 두번째 비트를 목적지로 전송하는 방식을 사용한다. 그래서 처음에 100ms의 지연 시간이 발생하더라도 다음 비트가 연달아서 도착하기 때문에 Propagation delay는 delay 중에서 크게 중요하게 보지는 않는다.

 하지만 Queueing delay는 버퍼에서 패킷이 얼마나 기다리는가, 중간 라우터에 도착해서 전송되기까지 버퍼에서 얼마나 기다리는가를 나타낸다. 그래서 이것은 라우터에 얼마나 많은 데이터가 도달해 있는가라는 것에 의존적이다. 이것은 사용자가 얼마나, 혹은 어떻게 네트워크를 사용하느냐와도 관련이 있기 때문에 정확하게 얼마만큼 걸릴 것이라는 계산을 할 수 없다. 다음에 Transmission delay는 패킷의 length와 링크의 bandwidth, 링크의 capacity에 따라서 계산이 달라진다.

 

● 데이터가 많아지면 많아질수록 급격히 증가하는 Queueing delay

 링크 bandwidth를 R, 패킷의 길이를 L, 그리고 패킷이 초당 몇 개나 도착하느냐를 나타내는 패킷의 arrivla rate를 a라고 해보자. 그러면 초당 처리해야하는 비트 수는 패킷 사이즈 곱하기 패킷의 개수인 La가 된다. La개의 데이터를 R bps로 처리를 하면 La/R이라는 공식으로 나타낼 수 있다.
 이 공식이 0에 가까울 수록 Queueing delay가 작아지는 것이고 1에 가까울수록 점점 Queueing delay가 커지게 된다. 위의 그림에서 보면 고속도로에 차가 별로 없는 상황은 La/R이 0에 가까워서 네트워크 혼잡이 잘 제어되는 것임을 보여주고 있고, La/R이 1에 근접한 그림에서는 고속도로에 차가 밀려서 네트워크가 혼잡한 상황을 보여주고 있다.

 

● Delay, Packet Loss, Thourghput

 트레이스라우트(traceroute)를 통해서 알 수 있는 것은 하나의 네트워크에서 다른 네트워크로 어떤 네트워크들을 거쳐가야 되는지 알 수 있고, 라우터를 거치기 위해서 걸리는 시간도 알 수 있다. 위 그림은 university of Massachusetts에서 유럽에 있는 프랑스의 어느 한 서버에 연결하기까지의 트레이스라우트 결과다. 3번씩의 프로브가 있고 각각의 프로브는 걸린 시간을 뜻한다. 7번을 보면 모두 22ms로 비슷한 시간이 걸린 것을 알 수 있다. 그런데 8번부터는 104, 109, 106ms로 수치가 굉장히 커졌다. 여기서 delay가 갑자기 커진 것을 보면 미국에서 유럽까지 대서양을 건너는 해저 링크를 통과하는데 걸린 시간이라는 것을 유추해볼 수 있다.

 

 패킷 로스(Packet loss)는 네트워크에서 중간의 라우터에서 보통 일어난다. 라우터에서 버퍼가 저장할 수 있는 양이 정해져 있는데 이것을 넘어서는 데이터가 한꺼번에 도착하게 되면 용량을 넘어서는 패킷들은 잃어버리게 된다.

 

 스루풋(throughput)은 단위 시간당 전달되는 패킷의 양인데 스루풋은 크게 2가지가 있다. 패킷의 양이 최대일 때 어느 정도의 스루풋이냐를 나타내는 순간 스루풋(instantaneous)과 어떤 전체 시간을 보고 평균을 가지고 계산하는 평균 스루풋(average)이다. 
 그런데 이런 스루풋을 결정하는 주요 요소는 bottleneck link로 source와 destination 사이에 여러 링크들이 있을 경우 전송 용량이 낮은 링크에 맞추어 전체 패스의 용량을 결정하게 되는 것을 의미한다. 이런 bottleneck link(평균 스루풋으로부터 너무 전송 용량이 낮은)를 없애는 것이 스루풋을 높이는 방법이 될 것이다.

 

 

 

※ 본 정리 내용은 부산대학교 유영환 교수님의 컴퓨터 네트워킹 수업을 정리한 것입니다.

※※ 강의에 사용된 교재 : [Computer Networking A Top-Down Approach 7th edition / Jim Kurose, Keith Ross]