컴퓨터활용능력시험 1급 필기 - 3과목 데이터베이스일반 (2018개정)
실시간 트래픽하에서의 TCP/IP 트래픽 성능분석 요 약 본 논문에서는 오디오, 비디오 등의 실시간 트래픽과 TCP/IP 최선형 트래픽이 공존하는 IS(Integrated Service) 모델하에서 실시간 트래픽에 대해 보장된 서비스를 제공함으로서 TCP/IP 트래픽에 미치는 성능영향을 분석하였다. 실시간 트래픽에 대해 보장된 서비스를 제공하기위한 스케듈링 알고리즘으로는 WF2Q+(worst-case weighted fair queueing +)를 적용하였으며 시뮬레이션을 통해 패켓 스케듈러에 의해 실시간 트래픽에게 패켓 지 연과 손실에 대해 보장된 서비스를 제공할 때 TCP/EP 트래픽의 성능영향을 분석하였고, 스케듈러에 의해 TCP/IP 트래픽은 여분에 대역폭을 공평하게 공유함을 알 수 있었다. 1. 서론 인터넷의 급속한 발전은 그 수요의 팽창과 함께 사 용자의 요구도 기존의 데이터 전달 뿐 아니라 실시간, 멀티미디어 응용 프로그램들에 대해 양질의 서비스를 원하게 되었다. 현재 인터넷의 대부분 응용 프로그램들 은 TCP/IP 프로토콜을 근간으로하고 모든 트래픽은 최 선형로 서비스가 된다. 이러한 현재의 인터넷 특성은 사용자의 다양한 QoS 요구를 만족시키기 어렵다. 이러 한 문제를 해결하기위해 Intserv Working Group에서 제안한 인터넷 종합 서비스 모델 (IS mode】)은 실시간 트래픽에 대해 플로우 단위로 자원을 할당하고 보장된 서비스를 제공하는 보장형 서비스를 추구하고 있다. IS 모델하에서의 TCP/IP은 기존의 최선형 서비스로 지원 하고 실시간 트래픽에는 패켓 지연 상한값과 패켓 손실 을 보장하는 보장형 서비스를 제공할 때 TCP/IP 트래 픽 성능에 영향을 미치는 영향을 분석할 필요가 있다. 본 논문에서는 IS 모델하에서 오디오, 비디오 실시 간 트래픽과 TCP/IP 트래픽에 대해 각 플로우 별로 자 원을 할당하고 패켓 스케줄러에의해 대역폭올 보장하고 공유할 때 TCP/IP 트래픽의 성능특성을 시뮬레이션을 통해 분석하였다. 성능분석을위해 실시간 트래픽과 TCP/IP 트래픽이 동시에 서비스되는 IS 모델을 시뮬레 이션 하였고 스케듈링 알고리즘은 WF2Q+를 적용하였 다. 알고리즘은 다른 패켓 스케듈링 알고리즘 에 비해 패켓 지연과 공평한 대역폭 공유성능이 우수한 특성을 갖는다. 시뮬레이션의 결과로서 w f 2q+ 스케듈 링 알고리즘에 의해 실시간 트래픽이 보장된 서비스를 받게되고 여분의 대역폭에 대해 공평한 공유가 이루어 질 때, TCP/IP 트래픽이 받는 패켓지연과 손실을 분석 하였다.. 서론에 이어 2장에서는 IS 모델하에서 TCP/IP 트래 픽 특성을, 3장에서는 시뮬레이션을 통한 트래픽 성능 분석을 제시하였으며 4장에서 결론을 맺었다. 2. IS 모델하에서의 TCP/IP 트래픽 2.1 IS 모델 IS 모델은 인터넷 구조하에서 다양한 QoS 서비스를 제공하는,종합서비스 인터넷 모델이다. IS 모델하에서 의 서비스는 최선형, 보장형, 제어된 부하형(controlled load) 서비스로 구분된다.⑴ 보장형 서비스는 사전에 자 원예약이 필요하며 자원예약 시그널링 프로토콜로서 RS VP(Resource Reservation Protocol) 이 사용된다. RSVP에 의해 각 플로우에 대해 대역폭올 할당하고 할 당된 대역폭만큼 서비스를 보장하기위해 라우터나 스위 치내에 패켓 스케줄러가 사용된다. 패켓 스케줄러에 의 해 플로우의 지연 상한값과 패켓 손실 상한값이 보장되 며,여분의 자원을 각 플로우가 공평하게 공유하게끔 한다. 2.2 TCP/IP 트래픽 특성 기존 인터넷의 모든 트래픽은 FIFO 방식에 의해 동 일하게 최선형 서비스를 받고 있다. 따라서 모든 폴로 우는 지연 상한값,패켓 손실 상한값의 보장올 받지 못 하고 망 상황에 따라 성능에 큰 영향을 미치게 된다. 또한 TCP 혼잡제어를 사용하지 않는 실시간 응용프로 그램들의 중가는 혼잡 상황시 TCP/IP 트래픽의 성능을 크게 저하시킨다. 그러나 IS 모델하에서 각 플로우는 패켓 스케줄러에 의해 할당된 대역폭만큼올 보장받게 되며 여분의 대역폭을 공평하게 공유함으로써 보장된 서비스와 최선형 서비스를 동시에 만족시키게 된다. 따 라서 IS 모델하에서 최선형 서비스로 TCP/IP 트래픽을 수용할 경우 성능은 패켓 스케줄러에 의해 크게 영향을 받게되며 특히 다른 실시간 플로우로부터의 독립성의 보장과 대역폭 자원공유의 공평성 특성에 영향을 받게 된다. 본 논문에서는 스케듈링 알고리즘을 적 용하여 실시간 트래픽에 대해 보장된 서비스를 제공할 때 최선형 서비스하의 TCP/IP 트래픽의 성능을 시물레 이션을 통해 시험하고 분석하였다. TCP/IP 트래픽 성 능으로서 실시간 트래픽으로부터의 독립성 보장과 공평 한 대역폭 할당 특성올 평가하기위해 패켓지연과 손실 올 실험하였다. 2.3 패켓 스케듈링 알고리즘 패켓 스케듈링은 라우터 또는 스위치내에서 서비스 되는 패켓의 순서를 제어함으로써 망자원을 효율적으로 관리하는 방법이다. 패켓 스케듈링에 의해 서로다른 특 성의 여러 트래픽 플로우들은 하나의 출력링크 대역폭 을 공유하게 된다. 가장 간단한 스케듈링 방식으로서 FIFO(First-in,First~out)는 지금까지 대부분의 인터넷 에서 사용되는 스케둘링 방법이다. 그러나 보장된 서비 스를 제공하는 IS 모델하에서 스케듈링 방법으로 FIFO 는 적합치 못하다. IS 모델하에서 보장된 서비스를 제 공하기 위해 패켓 스케둘러는 각 플로우에 대해 독립된 큐를 가지고 할당된 대역폭만큼 서비스를 보장할 수 있 어야 한다. 또한 패켓 스케둘러는 최선형 서비스를 위 해 여분의 출력링크 대역폭을 모든 플로우가 공평하게 공유할 수 있도록 해야한다. 이러한 조건은 만족시키7) 위한 스케듈링 방법으로 여러 PFQ(Packet Fair Queueing) 알고리즘이 제안되고 있다.[2] 이들 PFQ 알 고리즘들은 모두 가상시간(virtual-time) 개념을 도입하 여 이 시간으로부터 실제 패켓 서비스시간을 예측하고 패켓 서비스 순서를 결정하게 된다. 패켓 도착시마다 가상시간 함수에의해 패켓이 서비스될 시간이 계산된 다. 패켓 스케둘러는 각 클래스의 헤드에 위치한 패켓 들의 가상시간올 비교하여 서비스할 패켓올 결정한다. 모든 PFQ 알고리즘은 고유의 가상시간 함수를 갖음으 로서 스케듈링 특성과 성능을 나타낸다. 본 논문에서는 IS 모델에 적용할 스케듈링 알고리즘 으로서 WF2Q+(Worst-case Weighted Fair Queueing + )올 사용하여 시뮬레이션을 통해 丁CP/EP 트래픽의 성 능을 분석하였다. WF2Q+는 가장 최근에 제안된 PFQ 알고리즘으로서 fluid 모델을 사용한 이상적인 스케듈링 방법인 GPS (Generalized Processor Sharing) 에 가장 근 사화된 스케듈링 알고리즘이다.[3J WF2Q+ 스케듈링 알 고리즘의 장점으로는 GPS의 가상시간함수에 가장 근사 화된 가상시간함수를 사용함으로써 다른 알고리즘에 비 해 작은 지연상한값올 갖고 최소의 WFI(Worst-case Fair Index)값을 갖음으로써 대역폭 자원공유에 있어 공평성 성능이 가장 우수하다. 때문에 실시간 트래픽과 TCP/IP 최선형 트래픽이 공존하는 IS 모델하에서 WF2Q+ 스케듈링 알고리즘올 사용할 때 보장된 서비스 뿐만 아니라 최선형 서비스를 동시에 만족시키는 최적 의 성능을 나타낼 것이다. 스케듈링 알고리즘의 특성을 결정짓는 가장 중요한 요소인 가상시간 함수는 WF2Q+에서 다음과 같은 값을 갖는다. 7 一 max{ Fj^o+OHr, min iefl(d(S j , < r))} ~B(t) : 대기세션 집합 hi(t) : 세션 z• 큐의 헤드에서 패켓순서 WF^Q+ 스케듈링 알고리즘의 가상시간 함수는 최소 기울기가 1인 단조중가 함수로서 패켓지연 상한값을 최 소화하는 특성을 나타낸다. 패켓 도착시 가상시간 함수 에 의해 패켓도착의 가상시간이 계산된다. 이 가상시간 값으로부터 각 클래스의 가상 시작시간(S i) , 가상 종료 시간( F i )이 결정된다. 이 값은 패켓의 도착시간,클래스 의 예약 대역폭,패켓 크기에 영향을 받으며 다음과 같 이 정의된다. Si = Fi = max(F,-f V(a^)) i f ) if Q, (a?-)=5fc0 = 0 source 2(orvoff) output link 3 (FTP) 그림 1. 시뮬레이션 모델 a1- : 세션 /의 쇼번째 패켓 도착시간 0 / a ? - ) : 세션 z•의 쇼번째 패켓도착시 큐의 대기패켓 r,- : 세션 I•의 예약 대역폭 L • : 세션 노의 쇼번째 패켓크기 가상 시작시간,종료시간은 각 클래스별로 값을 가 지며 패켓이 각 클래스의 큐에 도착할 때마다 갱신된 다. 스케둘러는 대기패켓이 있는 모든 클래스 의 가상 종료시간을 비교하여 최소값을 갖는 클래스의 패켓울 서비스한다. [3] 이와같은 스케듈링 알고리즘의 특성은 패켓 지연시간,대역폭 공유 공평성에 있어 우수한 성능을 제공할 뿐만 아니라 구현의 용이성 때문에 보장된 서비 스로인한 TCP/IP 최선형 트래픽의 성능영향 분석을위 한 스케듈링 알고리즘으로서 이용하였다. 3. 성능분석 실시간 트래픽의 보장된 서비스로 인한 TCP/IP 성 능영향을 분석하기위해 그림1과 같은 모델을 시물레이 션 하였다. 시뮬레이션은 IS 모델환경을 가정하여 오디오,비디 오 트래픽이 각각의 폴로우로 존재하며 보장된 서비스 롤 받게되고 동시에 TCP/IP 트래픽은 최선형 서비스를 받는 환경을 적용하였다. 보장된 서비스를 위한 패켓 스케듈링 알고리즘은 룰 사용하였고, 트래픽 소 스는 TCP/IP 트래픽으로 FTP 소스를 사용하였으며, 실시간 트래픽은 온-오프 소스를 사용하였다. FTP 소 스는 TCP Reno 버전으로서 여기에 사용된 TCP 혼잡 제어 방식은 slow-start, congestion avoidance, fast retransmit, fast recovery의 4가지 알고리즘이 적용되 었다. TCP 혼잡제어는 패켓손실로 인한 피드백 신호 수신시 TCP 윈도우 크기를 줄이고 ACK 신호 수신시 윈도우 크기를 중가시킴으로서 혼잡 상황시 패켓 손실 을 줄이고 쓰루풋을 최대화 하기위해 사용된다.[4J 온오프 소스는 실시간 오디오, 비디오 소스로 가정하여 사용하였다. 온-오프 간격은 지수 확률분포를 따르고, 온-오프 간격의 평균은 소스1, 2에 대해 각각 0.1,0.5 로 설정하였다. 시물레이션 실험은 이와같은 3개의 트래픽 소스가 동일 출력링크 대역폭을 공유하며 서비스를 받는 환경 을 적 용하였다. 실시 간 트래픽인 소스1,2는 스 케듈링 알고리즘에 의해 할당된 대역폭 만큼의 서비스 를 보장받게 된다. 이때 FTP 트래픽의 성능영향을 알 아보기위해 표1과 같이 각 소스의 예약 대역폭, 평균 도착시간, 출력링크 대역폭을 가변시키면서 트래픽의 큐잉지연시간, 패켓손실 확률을 측정하였다. 또한 FIFO 와 # 0 + 스케듈링 알고리즘을 사용할 때 각각의 성 능을 비 교함으로서 스케 듈 링 알고리 즘으로인 한 FTP 트래픽의 성능영향을 분석하였다. 표 1. 실험 환경(각 소스별 할당대역폭 및 출력링크속도) Reserve B.W(average arrival rate) (bps) Exp. #1 60M Exp. #2 60M Exp #3 60M Exp #4 80M Src. 1 Src 2. 40M 40M 40M 50M Src 3. 10M 20M 20M 20M output link 120M 120M 150M 150M 다음 표2, 3는 시뮬레이션의 결과로서 각 트래픽의 평균 큐잉지연시간과 패켓손실 확률올 나타내었다. 표 2. 평균 큐잉지연 시간 실숱X FIFO Src. 1 Src. 2 Src. 3 (FTP) [ 단위 : sec ] WF^Q Src. 1 Src. 2 Src. 3 (FTP) ExpJl 0.002704 0.006158 0.02144 0.001354 0.009588 0.007762 Exp.#2 0.002895 0.006202 0.01836 0.002236 0.009675 0.007214 Exp.#3 0.000983 0.002054 0. 아2935 0.000537 0.003132 0.005016 Exp.#4 0.001149 0.002751 0.019520 0.000751 0.003301 0.005631 표 3. 패켓 손실확률 (손실패켓 / 총 패켓) FIFO 노 향 링 실가 X (queue size : 60pkt.) Src. 1 Src. 2 Src. 3 (FTP) 히 줄일 수 있음을 보여준다. 그러나 표3의 # 0 +에 서 실험3, 4의 결과를 비교해 보면 트래픽 소스1, 2의 부하가 중가할 때 이로인한 영향으로 FTP 트래픽은 패켓손실이 어느정도 중가하게 된다. 이를 표2의 결과 와 비교해 보면 FTP 트래픽의 큐잉지연 시간은 소스1, 2의 영향을 거의 받지 않았지만 FTP 트래픽의 패켓 손실은 이로인한 영향을 받음을 알 수 있다. 이것은 소 스1,2의 부하가 중가함으로서 혼잡상황이 심하게 발생 하고 이때 혼잡제어를 수행하지 않는 트래픽 소스1, 2 의 과부하로 인해 FTP 트래픽의 패켓손실이 중가하기 때문이다. 따라서 실시간 트래픽에의한 TCP/IP 트래픽 의 패켓손실 영향을 줄이기 위해서는 새로운 버퍼관리 방법의 연구가 요구된다. WF^Q (each queue size : 20pkt) Src. 1 Src. 2 Exp.tfl 0.1045 0.0725 0.0045 0.0156 0.1604 Exp.#2 0.1062 0.0729 0.0043 0.0171 0.1973 0.0085 0.0214 0.1504 Src. 3 (FTP) 0.0048 0.1698 0.0039 Exp.#3 0.0814 0.0109 0.0039 0.0092 0.0852 0.0031 Exp.#4 0.2251 0.0058 5. 결론 본 논문에서는 IS 모델하에서 실시간 트래픽과 최선 비교해 보면 표2의 결과에서 실험1, 2의 FTP 트래픽의 지연값을 스케듈링올 사용할 때 예약된 대 역폭이 줄어도 패켓 지연의 변화는 크지 않다. 이것은 의 공유 공평성 성질에 의해 모든 소스가 여분 의 대역폭을 공유하며 또한 소스1, 2의 오프 기간동안 여분의 대역폭을 FTP 트래픽이 사용하기 때문이다. 표 2의 실험3, 4에서 실시간 트래픽인 소스1, 2의 부하가 중가했을 때 FTP 트래픽의 패켓지연 성능의 영향을 보면 # 0 +에서 변화가 FIFO에 비해 상당히 작음올 보이고 있다. 이것은 스케듈링에 의해 FTP 트 래픽이 다른 실시간 트래픽으로부터의 영향을 크게 받 지않음을 보여준다. 이것은 실시간 트래픽이 패켓 스케 둘러에 의해 보장된 서비스를 받을 때 예약된 대역폭 만큼만 보장받기 때문에 TCP/IP 트래픽의 성능에는 크 게 영향을 미치지 못함을 알 수 있다. 표3의 실험3에서 FTP 트래픽의 패켓손실 확률을 비교해 보면 트래픽 소스1, 2에 비해 상당히 적음을 알 수 있다. 이것은 혼잡상황시 패켓출력제어를 수행하지 않는 소스1, 2에 비해 FTP 소스는 TCP 혼잡제어에 의 해 패켓손실이 발생할 때 출력패켓이 감소되기 때문이 다. 표3에서 와 FIFO의 결과를 비교해 보면 에서 패켓손실이 상당히 적음을 볼 수 있다. 즉 패켓 스케듈링에 의해 FTP 트래픽의 패켓손실을 상당 형 TCP/IP 트래픽이 공존할 때 패켓 스케줄러에 의해 보장된 서비스와 최선형 서비스를 동시에 제공함에 따 라 TCP/IP 트래픽에 미치는 영향을 분석하였다. 스케 듈링 알고리즘으로는 을 적용하여 시뮬레이션을 수행하였다. 시뮬레이션은 실시간 트래;픽의 영향으로서 TCP/IP 트래픽의 패켓지연 시간과 손실률을 측정하였 다. 시뮬레이션의 결과로서 오디오, 비디오 트래픽의 보 장된 서비스로 인한 TCP/IP 트래픽의 지연시간은 패켓 스케들러의 공평성과 독립성 특성에 의해 크케 영향받 지 않았다. 그러나 패켓 손실은 혼잡제어를 수행하지 않는 실시간 트래픽에 어느정도 영향을 받음을 알 수 있었다.