정보처리기사 필기 - 제3과목 데이터베이스 구축 (2020 개정)
[6 - 6] 실시간 트래픽하에서의 TCP/IP 트래픽 성능분석 요 약 본 논문에서는 오디오, 비디오 둥의 실시간 트래픽과 TCP/IP 최선형 트래픽이 공존하는 ISUntegrated 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/IP 트래픽의 성능영향율 분석하였고, 스케돌러에 의해 TCP/IP 트래픽은 여분에 대역폭율 공평하게 공유함율 알 수 있었다. 본 논문에서는 IS 모델하에서 오디오, 비디오 실시 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 프로그램돌 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 model)온 실시간 트래픽에 대해 품로우 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 율 보장하는 보장형 서비스를 제공할 때 TCP/IP 트래 픽 성능에 영향율 미치는 영향율 분석할 필요가 있다. 간 트래픽과 TCP/IP 트래픽에 대해 각 플로우 별로 자 원율 할당하고 패켓 스케줄러에의해 대역폭을 보장하고 공유할 때 TCP/IP 트래픽의 성능특성을 시뮬레이션을 통해 분석하였다. 성능분석율위해 실시간 트래픽과 TCP/IP 트래픽이 동시에 서비스되는 IS 모델율 시물레 이션 하였고 스케듈링 알고리즘은 찌1파3+룰 적용하였 다. 알고리즘은 다른 패켓 스케듈링 알고리즘 에 비해 패켓 지연과 공평한 대역폭 공유성능이 우수한 록성율 갖는다. 시뮬레이션의 결과로서 스케듈 링 알고리즘에 의해 실시간 트래픽이 보장된 서비스를 받게되고 여분의 대역폭에 대해 공평한 공유가 이루어 질 때, TCP/IP 트래픽이 받는 패켓지연과 손실율 분석 하였다.. 서론에 이어 2장에서는 IS 모멜하에서 TCP/IP 트래 픽 특성율, 3장에서는 시물레이션율 동한 트래픽 성능 분석율 제시하였으며 4장에서 결론율 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) 서 비 스로 구분된다u] 보장형 서 비 스는 사전에 자 원예약이 필요하며 자원예약 시그널링 프로토콜로서 RSVP(Resource Reservation Protocol) 이 사용된다. RSVP에 의해 각 폴로우에 대해 대역폭올 할당하고 할 당된 대역폭만큼 서비스를 보장하기위해 라우터나 스위 치내에 패켓 스케줄러가 사용된다. 패켓 스케줄러에 의 해 폴로우의 지연 상한값과 패켓 손실 상한값이 보장되 며,여분의 자원올 각 플로우가 공평하게 공유하게끔 한다. 2.2 TCP/IP 트래픽 특성 기존 인터넷의 모든 트래픽은 FIFO 방식에 의해 동 일하게 최선형 서 비스를 받고 있다. 따라서 모든 플로 우는 지연 상한값,패켓 손실 상한값의 보장을 반지 못 하고 망 상황에 따라 성능에 큰 영향올 미치게 된다. 또한 TCP 혼잡제어를 사용하지 않는 실시긴,웅용프로 그램들의 중가는 혼잡 상황시 TCP/IP 트래픽의 성능을 크게 저하시킨다, 그러나 IS 모델하에서 각 플로우는 패켓 스케줄러에 의해 할당된 대역폭만큼욜 보장받게 되며 여분의 대역폭올 공평하게 공유함으로써 보장된 서비스와 최선형 서비스를 동시에 만족시키게 된다. 따 라서 IS 모델하에서 최선형 서비스로 Tᄂr/IP 트래픽올 수용할 경우 성 능은 패 켓 스케줄러에 의 해 크 게 영 향올 받게되며 특히 다른 실시간 플로우로부터의 독립성의 보장과 대 역폭 자원공유의 공평성 특성 에 영 향올 받게 된다. 본 논문에서는 스케듈링 알고리즘올 적 용하여 실시간 트래픽에 대해 보장된 서비스를 제공할 때 최선형 서비스하의 TCP/IP 트래픽의 성능올 시물레 이션울 통해 시험하고 분석하였다, TCP/IP 트래픽 성 능으로서 실시간 트래픽으로부터의 독립성 보장과 공평 한 대역폭 할당 특성올 평가하기위해 패켓지연과 손실 울 실험하였다. 2.3 패켓 스케듈링 알고리즘 패켓 스케듈링은 라우터 또는 스위치내에서 서비스 되는 패켓의 순서를 제어함으로써 망자원을 효율적으로 392 - 관리하는 방법이다. 패켓 스케듈링에 의해 서로다른 특 성의 여러 트래픽 물로우둘은 하나의 출력링크 대역폭 올 공유하게 된다. 가장 간단한 스케듈링 방식으로서 FIF0(First-in, Firstᅳout)는 지금까지 대부분의 인터넷 에서 사용되는 스케듈링 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 스케듈러는 최선형 서비스를 위 해 여분의 출력링크 대역폭을 모든 플로우가 공평하게 공유할 수 있도록 해야한디-. 이러한 조건은 만족시키기 위 한 스 케 듈 링 방 법 으로 여 러 PFQ(Packet Fair Queueing) 알고리즘이 제안되고 있다^ 이들 PFQ 알 고리슴들은 모두 가상시간(virtuai-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 스케듈러는 각 클래스의 헤드에 위치한 패켓 들의 가상시간욜 비교하여 서비스할 패켓올 결정한다. 모든 PFQ 알고리줌은 고유의 가상시간 함수를 갖음으 로서 스케듈링 특성과 성능을 나타낸다. 본 논문에서는 IS 모델에 적용할 스케듈링 알고리즘 으로서 WF"Q+(Worst-ca:se Weighted Fair Queueing 니올 사용하여 시뮬레이션을 통해 TCP/IP 트래픽의 성 능올 분석하였다. WF2Q* 는 가장 최근에 제안된 PFQ 알고리즘으로서 fluid 모델을 사용한 이상적인 스케듈링 방법인 GPS(Generalized Processor Sharing)에 가장 근 사화된 스케듈링 알고리즘이다.L3J 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)값올 갖옴으로써 대역폭 자원공유에 있어 공평성 성능이 가장 우수하다. 때문에 실시간 트래픽과 TCP/IP 최선형 트래픽이 공존하는 IS 모넬하에서 w f 2q+ 스케듈링 알고리즘올 사용할 때 보장된 서비스 뿐만 아니라 최선형 서비스를 동시에 만족시키는 최적 의 성능올 나타낼 것이다. 스케듈링 알고리즘의 특성을 결정짓는 가장 중요한 요소인 가상시간 함수는 WF2Q+에서 다음과 같은 값을 갖는다. y WF^Q+ (/+ r) = max{ V (A + n min |6제)(S ■,0))} 1 (on-off) 3 ( f ) : 대기세션 집합 hiit) : 세션 *■ 큐의 헤드에서 패켓순서 WF^Q+ 스케듈링 알고리즘의 가상시간 함수는 최소 기울기가 1인 단조중가 함수로서 패켓지연 상한값율 최 소화하는 특성율 나타낸다. 패켓 도착시 가상시간 함수 에 의해 패켓도착의 가상시간이 계산된다. 이 가상시간 값으로부터 각 클래스의 가상 시작시간(SO, 가상 종료 시간(Fi)이 결정된다. 이 값은 패켓의 도착시간, 클래스 의 예약 대역폭, 패켓 크기에 영향을 받으며 다옴파 같 이 정의된다. Ft max(F, VUf)) Server 2(on-off) output link 3 (FTP) 그림 i. 시물레이션 모델 akt : 세션 /의 쇼번째 패켓 도착시간 Qiia)-) : 세션 ?■의 *번째 패켓도착시 큐의 대기패켓 y{ : 세션 폐 예약 대역폭 L* : 세션 궁의 A번째 패켓크기 가상 시작시간,종료시간은 각 쿨래스별로 값율 가 지며 패켓이 각 클래스의 큐에 도착할 때마다 갱신된 다. WF2Q+ 스케돌러는 대기패켓이 있는 모든 클래스 의 가상 종료시간올 비교하여 최소값올 갖는 클래스의 패켓올 서비스한다. 13] 이와같은 스케듈링 알고리즘의 록성은 패켓 지연시간,대역폭 공유 공평성에 있어 우수한 성능율 제공할 뿐만 아니라 구현의 용이성 때문에 보장된 서비 스로인한 TCP/IP 최선형 트래픽의 성능영향 분석율위 한 스케듈링 알고리즘으로서 이용하였다. 3. 성능분석 실시간 트래픽의 보장된 서비스로 인한 TCP/EP 성 능영향을 분석하기위해 그림1과 갈은 모델율 시물레이 션 하였다. 시뮬레이션은 IS 모델환경율 가정하여 오디오, 비디 오 트래픽이 각각의 플로우로 존재하며 보장된 서비스 Exp. #1 Exp. #2 룰 받게되고 동시에 TCP/IP 트래픽욘 최선형 서비스를 받는 환경율 적용하였다. 보장된 서비스를 위한 패켓 스케듈링 알고리즘은 # 0 + 롤 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 크기* 줄이고 ACK 신호 수신시 윈도우 크기를 중가시킴으로서 혼잡 상황시 패켓 손실 율 줄이고 쓰早둣을 최대화 하기위해 사용된다.w 은오프 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 대역폭율 공유하며 서비스를 받는 환경 율 적용하였다. 실시간 트래픽인 소스1, 2는 # 13+ 스 케듈링 알고리즘에 의해 할당된 대역폭 만큼의 서비스 룰 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 써1하3+ 스케듈링 알고리즘을 사용할 때 각각의 성 능을 비교함으로서 스 케듈링 알고리즘으로인한 FTP 트래픽외 성능영향율 분석하였다. 표 1. 실험 환경(각 소스별 할당대역폭 및 출력링크속도) Reserve B.W(average arrival rate) (bps) Src. 1 Src 2. 60M 40M 60M Exp #3 60M Exp #4 80M 40M 40M 50M Src 3. 10M 20M 20M 20M output link 120M 120M 150M 150M - 393 - 다음 표2, 3는 시뮬레이션의 결과로서 각 트래픽의 평균 큐잉지연시간과 패켓손실 확률을 나타내었다. 표 2. 평균 큐잉지연 시간 혜링 실^ Ik 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 0.000963 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) 느 얏 링 실놓X FIFO (queue size : 60pkt.) Src. 1 Src. 2 Src. 3 (FTP) 히 줄일 수 있음율 보여준다. 그러나 표3의 \¥더0 +에 서 실험3, 4의 결과를 비교해 보면 트래픽 소스1, 2의 부하가 중가할 때 이로인한 영향으로 FTP 트래픽은 패켓손실이 어느정도 중가하게 된다. 이룰 표2의 결과 와 비교해 보면 FTP 트래픽의 큐잉지연 시간은 소스1, 2의 영향을 거의 받지 않았지만 FTP 트래픽의 패켓 손실은 이로인한 영향을 받음올 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 영향율 줄이기 위해서는 새로운 버퍼관리 방법의 연구가 요구된다. WF^Q (each queue size : 20pkt) Src. 1 Src. 2 Src. 3 (FTP) Exp.#l 0.1045 0.0725 0.0045 0.0156 0.1604 0.0048 Exp.#2 0.1062 0.0729 0.0043 0.0171 0.1698 0.0039 Exp.#3 0.0814 ExpM 0.2251 0.1973 0.0085 0.0214 0.1504 5. 결론 본 논문에서는 is 모델하에서 실시간 트래픽과 최선 0.0109 0.0039 0.0092 0.0852 0.0031 0.0058 표2의 결과에서 실험1, 2의 FTP 트래픽의 지연값을 비교해 보면 # 0 + 스케듈링을 사용할 때 예약된 대 역폭이 줄어도 패켓 지연의 변화는 크지 않다. 이것은 # 0 +의 공유 공평성 성질에 의해 모든 소스가 여분 의 대역폭율 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 영향율 보면 보이고 있다. 이것은 에서 변화가 FIFO에 비해 상당히 작음율 스케듈링에 의해 FTP 트 래픽이 다른 실시간 트래픽으로부터의 영향율 크게 받 지않옴율 보여준다. 이것은 실시간 트래픽이 패켓 스케 들러에 의해 보장된 서비스를 받율 때 예약된 대역폭 만큼만 보장받기 때문에 TCP/IP 트래픽의 성능에는 크 게 영향율 미치지 못함율 알 수 있다. 표3의 실험3에서 FTP 트래픽의 패켓손실 확률을 비교해 보면 트래픽 소스1, 2에 비해 상당히 적음율 알 수 있다. 이것은 혼잡상황시 패켓출력제어署 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 적옴율 볼 수 있다. 즉 패켓 스케듈링에 의해 FTP 트래픽의 패켓손실율 상당 형 TCP/IP 트래픽이 공존할 때 패켓 스케줄러에 의해 보장된 서비스와 최선형 서비스를 동시에 제공함에 따 라 TCP/IP 트래픽에 미치는 영향율 분석하였다. 스케 듈링 알고리즘으로는 WF^Q+율 적용하여 시물레이션율 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 스케돌러의 공평성과 독립성 특성에 의해 크케 영향받 지 않았다. 그러나 패켓 손실은 혼잡제어를 수행하지 않는 실시간 트래픽에 어느정도 영향을 받음울 알 수 있었다, 참고 문헌 [1] R.Braden, D.Clark, S.Shenker "Integrated Services in the Internet Architecture", RFC 1633, June 1994. [2] J.C.R Bennett & H. Zhang. ,rWF2Q+ - Worst-case Weighted Fair Queueing", IEEE INF0C0M'96 [3] Jon C.R. Bennett & Hui Zhang "Hierarchical Packet Fair Queueing Algorithm”, Proceedings of SIGCOMM'96, Aug, 1996 [4] V. Jacobson, "Congestion control and avoidance SIGCOMM'88 Sept, 1988.