네트워크 코어
네트워크 코어는 네트워크 엣지인 종단 시스템, End system을 연결하는 패킷 스위치들(라우터와 링크 계층의 스위치)과 링크들의 연결망이다. 네트워크 코어의 역할은 송신 종단 시스템에서 목적지 종단 시스템으로 애플리케이션 계층의 메시지를 보내는 것이다. 전달하는 방법으로는 크게 회선 교환, Circuit switching과 패킷 교환, Packet switching이 있다.
회선 교환
회선 교환 방식은 주로 전화 네트워크에서 사용되던 방법이다.
특징
- 종단간 연결 경로를 설정하여 자원을 미리 예약하는 call setup 단계가 필요
- 공유 회선, shared link가 아닌 전용 회선, dedicated link
- 일정 수준 이상의 전송률을 보장할 수 있음
패킷 교환
패킷 교환은 인터넷의 등장으로 고안된 통신 방식이다.
특징
- Call setup 단계가 없음
- 네트워크 자원 예약 없이 링크의 대역폭을 전부 사용
- 종단 시스템에서 ‘패킷, packet’이라는 작은 데이터 덩어리로 분할하여 통신
- 패킷에 목적지 주소 명시
- 저장-후-전달 전송, Store-and-forward tranmission 방식
- 출력 링크로 패킷의 첫 비트를 전송하기 전에, 패킷의 전체를 받아야만 할 수 있음
- 출력 버퍼/큐에 전송 전 패킷을 저장
- 네트워크 혼잡도에 따라 큐잉 지연 및 패킷 손실 발생
지연
패킷은 경로상의 각 노드(호스트, 라우터, 스위치)에서 다양한 지연을 겪게 된다. 노드 처리 지연, 큐잉 지연, 전송 지연, 전파 지연으로 총 4가지 유형이 있으며 이들의 합을 전체 지연이라 한다.
노드 처리 지연, dproc
- 패킷이 노드에 도착하고, 노드에서 패킷을 처리하는 시간
- 패킷의 비트 오류 확인
- 패킷 헤더 조사 후 출력 링크 결정
- 일반적으로 수 ms 이하의 지연
큐잉 지연, dqueue
- 패킷이 출력 큐에 저장되어 출력 링크로 전송되기를 기다리는 시간
- 네트워크 혼잡도에 따라 달라지는 가변값
- 일반적으로 μs ~ ms 이하의 지연
전송 지연, dtrans
- 패킷의 모든 비트를 출력 링크로 밀어내는 데 걸리는 시간
- 패킷의 크기(L, bits) / 출력 링크의 대역폭(R, bps)
- 일반적으로 μs ~ ms 이하의 지연
전파 지연, dprop
- 비트가 다음 노드로 전파되는 데 걸리는 시간
- 출력 링크의 길이(d, m) / 링크의 전파 속도(s, m/sec)
- 광역 네트워크에서 일반적으로 sec 이하의 지연
트래픽 강도
트래픽 강도, traffic intensity 는 큐잉 지연의 정도를 측정하는데 중요한 지표 역할을 한다. 트래픽 강도는 아래의 식으로 표현된다. 즉 트래픽 유입 속도와 패킷을 출력 링크로 밀어내는 속도의 비율이다.
traffic intensity = L * a / R
- R: 출력 링크의 전송률 (bps)
- a: 패킷이 큐에 도착하는 평균율 (packets / sec)
- L: 패킷의 길이, (bits)
위 그래프는 평균 큐잉 지연의 트래픽 강도 의존성을 나타낸다.
- 트래픽 강도가 0에 가까운 것은 트래픽 유입 속도보다 밀어내는 속도가 적고 평균 큐잉 지연이 작다
- 트래픽 강도가 1에 가까운 것은 트래픽 유입 속도보다 밀어내는 속도가 비슷하며 평균 큐잉 지연이 무한대에 가깝다.
- 평균 큐잉 지연이 급속히 증가하는 이유는 패킷이 큐에 도착하는 평균율인 a의 값이 평균이기 때문이다. 경우에 따라 일시적으로 패킷이 큐에 도착하는 속도가 밀어내는 속도보다 높아질 수 있다.
패킷 손실
패킷 손실, packet loss 은 트래픽 강도가 1에 가까운 네트워크 상황에서 출력 링크 큐의 크기가 유한하다는 점 때문에 발생한다. 큐가 꽉 찼을 때 패킷이 도착하면, 라우터는 패킷을 버린다. 패킷 손실이 발생하면, 종단간 데이터 전송 보장을 위해 재전송될 수 있다.
처리율
처리율, throughput 은 단위 시간당 송신으로부터 목적지까지 전송한 트래픽의 양 (bits/time unit)을 의미한다. 아래의 그림처럼 2개의 통신 링크와 라우터로 연결된 하나의 서버-클라이언트 예시로 처리율을 살펴보자.
- 서버와 라우터 간의 링크 속도, Rs bits/sec
- 라우터와 클라이언트 간의 링크 속도, Rc bits/sec
- 서버와 클라이언트 간의 처리율,
Math.min(Rs, Rc) - 경로 내 링크 속도 중 최솟값으로 제한
처리율을 제한시키는 링크, 즉 최솟값의 전송률을 가진 링크를 병목 링크, bottleneck link라 하며, 인터넷에서는 네트워크 코어보다는 엣지에 속하는 링크들이다.
참고
Computer Networking: A Top-Down Approach 6th ed .J.F. Kurose and K.W. Ross