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네트워크 성능

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목차

1. 개요

네트워크 성능은 네트워크의 효율성을 나타내는 지표로, 대역폭, 처리량, 지연 시간, 지터, 오류율 등의 요소로 측정된다. 대역폭은 최대 전송 속도, 처리량은 실제 전송 속도, 지연 시간은 신호 전송 시간, 지터는 신호의 주기성 편차, 오류율은 손상된 비트의 비율을 의미한다. 이러한 성능 지표는 알고리즘과 프로토콜, 네트워크 매체, 스케줄링 문제의 영향을 받으며, 위성 통신, 심우주 통신, 성간 통신, 오프라인 데이터 전송 등 다양한 응용 분야에서 중요하게 고려된다.

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    대역폭은 통신 채널을 통해 단위 시간당 전송 가능한 데이터 양을 나타내는 용어로, 최대 비트 전송률, 정보 전송률, 유효 비트 전송률, 채널 용량 등 여러 의미로 사용되며, 데이터 전송 속도와의 차이를 이해하는 것이 중요하다.
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네트워크 성능
네트워크 성능
개요
설명네트워크 성능은 네트워크 서비스의 품질을 나타내는 지표이다.
주요 속성대역폭 (Bandwidth)
지연 시간 (Latency)
지터 (Jitter)
패킷 손실률 (Packet loss)
처리량 (Throughput)
오류율 (Error rate)
측정 방법
능동적 측정 (Active measurement)트래픽을 네트워크에 주입하여 성능 측정
수동적 측정 (Passive measurement)기존 트래픽을 분석하여 성능 측정
성능 지표
대역폭 (Bandwidth)네트워크 연결에서 사용할 수 있는 최대 데이터 전송 속도 (bit/s 단위)
지연 시간 (Latency)데이터가 네트워크를 통해 이동하는 데 걸리는 시간 (ms 단위)
지터 (Jitter)지연 시간의 변화량 (ms 단위)
패킷 손실률 (Packet loss)전송 중에 손실되는 패킷의 비율 (%)
처리량 (Throughput)실제로 성공적으로 전달되는 데이터의 양 (bit/s 단위)
오류율 (Error rate)전송 중에 발생하는 오류의 비율
영향 요인
하드웨어네트워크 장비의 성능 (라우터, 스위치, 케이블 등)
소프트웨어네트워크 프로토콜 및 운영체제
네트워크 토폴로지 (Network topology)네트워크의 물리적 또는 논리적 구성
트래픽 부하 (Traffic load)네트워크에 흐르는 트래픽의 양
개선 방법
대역폭 확장 (Bandwidth upgrade)더 높은 대역폭을 제공하는 네트워크 연결 사용
QoS (Quality of Service)트래픽 우선순위 지정
트래픽 엔지니어링 (Traffic engineering)네트워크 트래픽 흐름 최적화
네트워크 장비 업그레이드성능이 향상된 라우터 및 스위치로 교체
관련 기술
TCP (Transmission Control Protocol)신뢰성 있는 데이터 전송을 위한 프로토콜
UDP (User Datagram Protocol)실시간 애플리케이션에 적합한 비연결형 프로토콜
IP (Internet Protocol)네트워크를 통해 데이터를 라우팅하는 프로토콜
HTTP (Hypertext Transfer Protocol)웹 트래픽 전송 프로토콜
활용 분야
VoIP (Voice over IP)인터넷을 통한 음성 통화
비디오 스트리밍 (Video streaming)온라인 비디오 전송
온라인 게임 (Online gaming)인터넷을 통한 게임
클라우드 컴퓨팅 (Cloud computing)인터넷을 통해 제공되는 컴퓨팅 서비스

2. 성능 측정

통신 시스템의 성능을 측정하는 데에는 다음과 같은 지표들이 중요하게 고려된다.


  • 대역폭: 정보를 전송할 수 있는 최대 속도로, 보통 초당 비트 수(bit/s)로 측정된다.
  • 처리량: 정보가 실제로 전송되는 속도이다.
  • 지연 시간: 송신자와 수신자 사이의 지연으로, 신호 이동 시간과 각 노드에서의 처리 시간에 따라 달라진다.
  • 지터: 수신된 패킷 지연 시간의 변화이다.
  • 오류율: 전송된 비트 중 손상된 비트의 비율로, 백분율 또는 분수로 나타낸다.

2. 1. 대역폭

'''대역폭'''은 정보가 전송될 수 있는 최대 속도로, 일반적으로 초당 비트(bits/second)로 측정된다.[1] 사용 가능한 채널 대역폭과 달성 가능한 신호 대 잡음비는 최대 처리량을 결정하며, 일반적으로 섀넌-하틀리 정리에 의해 규정된 것보다 더 많은 데이터를 전송하는 것은 불가능하다.[2]

2. 2. 처리량

처리량은 정보가 실제로 전송되는 속도로, 단위 시간당 성공적으로 전달된 메시지 수로 나타낸다. 처리량은 사용 가능한 대역폭뿐만 아니라 사용 가능한 신호 대 잡음비 및 하드웨어 제한에 의해 제어된다. '처리량'과 '대역폭'이라는 용어는 종종 같은 의미로 사용된다.[1]

최대 처리량은 사용 가능한 채널 대역폭과 달성 가능한 신호 대 잡음비에 의해 결정된다. 일반적으로 섀넌-하틀리 정리에 의해 규정된 것보다 더 많은 데이터를 전송하는 것은 불가능하다.[1]

처리량을 측정하는 기간을 '시간 창'이라고 한다. 적절한 시간 창을 선택하는 것은 처리량 계산에 큰 영향을 미치며, 지연 시간을 고려하는지 여부에 따라 지연 시간이 처리량에 영향을 미치는지 여부가 결정된다.[1]

2. 3. 지연 시간

정보는 송신자에서 수신자가 해독할 때까지 시간이 걸리는데, 이는 신호의 전파 시간과 처리 시간에 의해 결정된다. 빛의 속도는 모든 전자기 신호에 최소 전파 시간을 부과하며, 지연 시간은 다음 값 이하로 줄일 수 없다.

:t=s/c_m

여기서 s는 거리이고, cm은 매질 내 빛의 속도이다(대부분의 광섬유 또는 전기 케이블 매체의 경우 약 200000km/s이며, 속도 계수에 따라 달라진다). 이는 호스트 간 거리가 100km일 때마다 대략 1밀리초의 왕복 지연 (RTT)이 추가됨을 의미한다.

패킷 교환 네트워크에서는 대기열로 인해 중간 노드에서 추가적인 지연이 발생할 수 있다.

2. 4. 지터

지터는 전자공학 및 통신에서 주기적인 신호가 실제로 그 주기성에서 벗어나는 원치 않는 현상을 의미하며, 이는 종종 참조 클럭 소스와 관련하여 발생한다. 지터는 연속적인 펄스의 주파수, 신호 진폭, 또는 주기적 신호의 위상과 같은 특성에서 관찰될 수 있다. 지터는 거의 모든 통신 링크(예: USB, PCI-e, SATA, OC-48)의 설계에서 중요하고, 일반적으로 원치 않는 요인이다. 클럭 복구 애플리케이션에서는 이를 "타이밍 지터"라고 부른다.

2. 5. 오류율

디지털 전송에서 잡음, 간섭, 왜곡, 또는 비트 동기화 오류로 인해 통신 채널을 통해 전송된 데이터 스트림의 수신된 비트 중 변경된 비트가 발생하는데, 이를 '''비트 오류'''라고 한다.

'''비트 오류율'''(Bit Error Rate, BER)은 조사된 시간 간격 동안 전송된 총 비트 수로 나눈 비트 오류의 수이다. BER은 단위를 가지지 않는 성능 측정치이며, 종종 백분율로 표현된다. '''비트 오류 확률''' ''pe''는 BER의 기댓값이며, BER은 비트 오류 확률의 근사 추정값으로 간주될 수 있다. 이 추정치는 긴 시간 간격과 많은 수의 비트 오류에 대해 정확하다.

3. 알고리즘 및 프로토콜

일부 시스템에서는 대기 시간과 처리량이 서로 밀접하게 연관되어 있다. TCP/IP에서 대기 시간은 처리량에 직접적인 영향을 줄 수 있다. TCP 연결에서 높은 대기 시간 연결의 큰 대역폭 지연 곱은 많은 장치에서 상대적으로 작은 TCP 창 크기와 결합되어, 대기 시간에 따라 높은 대기 시간 연결의 처리량이 급격히 감소하게 된다.

이러한 문제는 다음과 같은 다양한 기술로 해결할 수 있다.


  • TCP 혼잡 윈도우 크기 늘리기
  • 패킷 통합
  • TCP 가속
  • 순방향 오류 정정


위 기술들은 높은 대기 시간 위성 링크에 일반적으로 사용된다.

TCP 가속은 TCP 패킷을 UDP와 유사한 스트림으로 변환한다. 따라서 TCP 가속 소프트웨어는 링크의 안정성을 보장하기 위해 자체 메커니즘을 제공해야 하며, 링크의 대기 시간과 대역폭을 고려해야 한다. 또한 높은 대기 시간 링크의 양쪽 끝에서 사용되는 방법을 지원해야 한다.

MAC 계층에서도 처리량 및 종단 간 지연과 같은 성능 문제를 해결한다.

4. 성능에 영향을 미치는 요인

다음과 같은 지표들이 네트워크 성능에 영향을 미치는 중요한 요인으로 간주된다.


  • '''대역폭''': 일반적으로 초당 비트(bits/second)로 측정되며, 정보를 전송할 수 있는 최대 속도이다.
  • '''처리량''': 실제로 정보가 전송되는 속도이다.
  • '''지연 시간''': 정보를 송신자에서 수신자가 해독할 때까지 걸리는 시간으로, 신호의 전파 시간과 정보가 거치는 모든 노드에서의 처리 시간에 주로 의해 결정된다.
  • '''지터''': 정보 수신 시 패킷 지연의 변화이다.
  • '''오류율''': 전송된 총 비트 수에서 손상된 비트의 수를 백분율 또는 분수로 나타낸 것이다.


위의 모든 요소들은 사용자 요구 사항 및 사용자 인식과 함께 네트워크 연결의 체감적인 '속도' 또는 유용성을 결정하는 데 중요한 역할을 한다. 처리량, 지연 시간 및 사용자 경험 간의 관계는 공유 네트워크 매체 및 스케줄링 문제의 맥락에서 가장 적절하게 이해된다.

5. 응용 분야

많은 시스템은 최종 사용자의 유용성이나 경험 측면에서 처리량 제한 또는 지연 시간 제한에 의해 결정된다. 어떤 경우에는 빛의 속도와 같은 근본적인 제한 때문에 이러한 문제가 발생하며, 이를 해결하기는 어렵다. 그러나 다른 시스템에서는 균형 조정과 최적화를 통해 사용자 경험을 향상시킬 수 있다.

5. 1. 위성 통신

TCP 연결에서 높은 대기 시간을 가지는 위성 통신은 대역폭 지연 곱이 크고 TCP 창 크기가 상대적으로 작아 처리량이 대기 시간에 따라 급격히 감소한다. 이는 TCP 정체 창 크기를 늘리거나, 패킷 병합, TCP 가속, 순방향 오류 수정과 같은 기술로 해결할 수 있다.[2]

TCP 가속은 TCP 패킷을 UDP와 유사한 스트림으로 변환한다. 이 때문에 TCP 가속 소프트웨어는 링크의 신뢰성을 보장하는 자체 메커니즘을 제공해야 하며, 대기 시간이 높은 링크 양쪽 끝에서 이 방법을 지원해야 한다.[2]

지구 정지 궤도에 있는 통신 위성은 송신기와 수신기 사이의 경로 길이가 최소 71,000km이다.[2] 이는 메시지 요청과 수신 사이의 최소 지연 시간이 473ms임을 의미한다. 이러한 지연은 매우 눈에 띄며, 사용 가능한 처리량 용량에 관계없이 위성 전화 서비스에 영향을 미친다.[2]

5. 2. 심우주 통신

지구 대기권 밖의 우주 탐사선 및 기타 장거리 대상과의 통신에서는 매우 긴 경로 길이로 인해 통신에 어려움이 발생한다. NASA이 구현한 심우주 네트워크는 이러한 문제에 대처해야 하는 시스템 중 하나이다.[3] 주로 지연 시간에 따라 작동하며, GAO는 현재 아키텍처를 비판했다.[3] 지연 내성 네트워크와 같이 패킷 간의 간헐적인 연결 및 긴 지연 시간을 처리하기 위해 여러 가지 방법이 제안되었다.[4]

5. 3. 성간 통신

성간 거리에서는 어떤 처리량이라도 달성할 수 있는 무선 시스템을 설계하는 데 어려움이 막대하다. 이러한 경우, 통신을 유지하는 것이 통신에 걸리는 시간보다 더 중요한 문제이다.

5. 4. 오프라인 데이터 전송

운송은 거의 전적으로 처리량과 관련이 있으며, 이것이 백업 테이프 보관 파일의 물리적 배송이 여전히 차량으로 이루어지는 주된 이유이다.[1]

참조

[1] 문서 Wolaver, 1991, p.211
[2] 문서 Roddy, 2001, 67 - 90
[3] 간행물 U.S. Government Accounting Office (GAO), 2006
[4] 문서 Kevin Fall, 2003


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