단어 정리
글에 들어가기 앞서 이 글에서 언급되는 단어들을 간략하게 알아보자.
패킷
보내고자 하는 데이터를 적절한 크기로 쪼갠 것을 패킷이라 한다.
이때 패킷에는 어디서 출발했는지 어디로 가야하는지에 대한 정보가 헤더에 적힌다.
예를 들어 반가워라는 메시지를 전송한다고 생각해보자.
이때 패킷이 반, 가, 워 라는 패킷으로 분할될 수도 있다.
헤더의 상세한 내용과 패킷의 적절한 크기가 무엇인지는 뒷 장에서 배울 것이다.
종단 시스템(End System)과 라우터
우리가 사용하는 핸드폰, 노트북, 컴퓨터 등(웹서버도 마찬가지)은 모두 네트워크 가장자리에 위치하여 네트워크에 연결된다.
이런 장치들을 모두 종단 시스템(또는 호스트)이라 부른다.
이런 종단 시스템들을 이어주는 네트워크의 중심에는 라우터가 있다. (그림에 원통형 X가 라우터이다.)
패킷이 한 호스트에서 시작해서 일련의 라우터들을 통과하며 다른 호스트에서 여행을 마친다.
즉 우리가 특정 사용자에게 데이터를 보내면 라우터가 물리적인 비트들을 다른 지역으로 이동시켜서 수신자가 받게 되는 것이다.
생각해보기
특정 메시지를 다른 지역의 상대방에게 전달하는 것을 생각해보자.
전송 버튼을 누르면 마법처럼 상대방에게 즉시 메시지가 나타났으면 좋겠지만,
메시지를 전달한다는 것은 네트워크를 통해서 비트를 전달하는 것이므로 물리적인 제약이 있다.
이 물리적인 제약으로 인해 지연과 손실이 발생한다.
네트워크 지연
패킷이 각각의 라우터를 통해 다른 호스트로 전달될 때
각각의 노드에서 다양한 지연을 겪게 된다.
마법처럼 진행되는 것이 아닌 물리적인 제약을 생각하며 하나의 라우터를 통과할 때 겪게되는 지연들을 살펴보자.
라우터 큐를 깔대기의 넓은 부분, 라우터를 깔대기의 파이프 부분, 패킷을 물로 비유할 것이다.
1. 처리 지연
처리 지연은 패킷의 헤더를 조사하고 해당 패킷을 어디로 보내야하는지 결정하는 시간이다.
지연 최소화 방법
성능이 좋은 라우터를 쓰게되면 빠르게 헤더를 조사하고 결정할 수 있다.
2. 큐잉 지연
라우터에는 처리하기 위한 패킷을 모아두는 큐가 있다.
큐잉 지연은 라우터의 큐에서 링크로 전송되기를 기다리는 시간이다.
그림에서 초록색 패킷은 앞서온 패킷들이 나가길 앞에 온 패킷이 모두 내려갈 때까지 기다린다.
이때 기다리는 시간이 큐잉 지연이다.
지연 최소화 방법
큐잉 지연은 제어할 수 없다.
사용자들의 패킷 전달이 많아진 것이기 때문에 라우터에서 제어할 수 없다.
요청이 몰리면 큐잉 지연 시간도 길어지고
요청이 몰리지 않으면 큐잉 지연 시간도 줄어든다.
3. 전송 지연
전송 지연은 패킷의 모든 비트를 링크로 밀어내는데 필요한 시간이다.
(= 라우터에서 패킷을 링크로 밀어내는데 걸리는 시간이다.)
깔대기를 통해 물을 흘려보낼 때 깔대기에서 물이 내려가는 양은
깔대기 가장 밑에 붉은 선으로 표시한 곳의 너비만큼씩 물이 내려올 것이다.
대역폭(전송률)
전송 지연은 대역폭과 관련이 있다.(bps 단위 = 초당 비트 전송량)
깔대기 비유에서 말한 붉은 선이 대역폭이 되는 것이다.
전체 패킷이 L비트이고 전송률이 Rbps라면 전송 지연은 L/R이 된다.
만약 패킷이 100비트일 때 전송률이 1bps라고 한다면 100/1초가 전송 지연시간이다.
지연 최소화 방법
회선을 늘리는 공사를 해서 대역폭을 늘리면 된다.
비유를 하자면 깔대기의 파이프 부분이 넓히면 된다.
4. 전파 지연
비트가 링크에 전해졌으면 링크의 시작부터 다음 라우터까지 전파된다.
이때 걸리는 시간이 전파 지연이다.
이는 빛의 속도보다 약간 작거나 같다.
파이프를 벗어나 물이 떨어지는 시간이라고 생각하면 된다.
지연 최소화 방법
빛의 속도는 바꿀 수 없으니 노드간 거리를 가깝게 만들면 된다.
전송 지연 > 전파 지연
라우터가 비트를 링크로 밀어내는 속도보다 다음 라우터로 비트들이 전송되는 속도가 빠른 경우
다른 비트들이 이전 라우터에서 다음 라우터로 모두 전송되기를 기다렸다가 모든 비트들이 전송되면 처리한다.
정리
하나의 라우터에서 전체적인 지연 시간은 그림의 공식처럼처리지연 + 큐잉지연 + 전송지연 + 전파지연이 된다.
각각의 지연은 상황에 따라 전체 지연에 기여도가 달라질 수 있다는 점을 주의하자.
같은 대학 캠퍼스 내부의 두 라우터를 연결하는 링크에서는 전파지연은 무시할 정도로
작을 수 있다(ex - 2마이크로초)
하지만 정지 위성 링크로 연결된 두 라우터의 경우 수백 밀리초일 수 있다.
참고 및 출처
책 - 컴퓨터 네트워킹 하향식 접근
컴퓨터네트워크 - 한양대학교 | KOCW 공개 강의
gif 출처 : https://domos.ai/latency-explained
