QoS

3. QoS 제공 방법

QoS는 주로 네트워크 장비(라우터, 스위치 등)에서 트래픽을 분류하고, 우선순위에 따라 처리하는 방식으로 제공된다.

• 트래픽 분류: 패킷의 헤더 정보(IP 주소, 포트 번호, ToS/DSCP 등)를 기반으로 트래픽을 분류한다.
• 마킹: 분류된 트래픽에 우선순위를 나타내는 마크를 추가한다.
• 큐잉: 우선순위에 따라 패킷을 큐에 저장하고, 스케줄링 알고리즘에 따라 전송한다.
• 스케줄링: 우선순위 큐(PQ), 가중치 공정 큐(WFQ) 등 다양한 알고리즘을 사용하여 패킷 전송 순서를 결정한다.^[33]
• 혼잡 회피: 네트워크 혼잡 상황에서 패킷 손실을 최소화하기 위해 RED, WRED 등의 메커니즘을 사용한다.^[33]

• 송신 또는 수신 IP 주소, 사용 프로토콜, 포트 번호로 결정
• 패킷의 우선 순위를 패킷 내 필드에서 명시적으로 지정: IP 헤더 안에 QoS 지정을 위한 전용 필드를 갖는다.
• TOS (서비스 유형): IP 헤더의 9 - 16 비트째 필드이다. 선두의 3비트를 "IP 우선 순위"라고 부르며, 8단계의 전송 우선 순위를 지정한다.
• DSCP (차등화 서비스 코드 포인트): TOS 필드 안의 선두 6비트를 사용하여 64단계의 전송 우선 순위를 지정한다.^[33]

• 분류: QoS 적용 대상이 되는 패킷을 분류한다.
• 마킹: 분류된 패킷에 우선 순위 식별용 표시를 한다.
• 큐잉: 패킷에 표시된 마크를 사용하여 각 우선 순위에 해당하는 큐(패킷을 모아두는 버퍼)에 저장한다.
• 스케줄링: 각 큐에서 데이터를 꺼내 전송한다.

• RED(Random Early Detection: 랜덤 조기 감지)
• WRED(Weighted RED: 가중 랜덤 조기 감지)

• 셰이핑 - 송신 측에서 구현한다. 송출 속도를 초과하는 패킷을 큐에 보관한다. 결과적으로 지연, 지터 발생의 요인이 된다. 하지만 패킷 손실은 발생하지 않는다.
• 폴리싱 - 수신 측에서 구현한다. 셰이핑과 달리 큐에 보관하지 않는다. 결과적으로 지연, 지터 발생은 없지만, 패킷 손실이 발생한다.

4. QoS 기술

QoS 기술은 네트워크에서 데이터 전송의 우선순위를 정하고 특정 애플리케이션이나 서비스에 필요한 성능을 보장하는 데 사용된다.

IP 네트워크에서는 초기에는 네트워크 리소스를 예약하는 통합 서비스(IntServ) 방식을 사용했으나, 확장성 문제로 인해 차별화된 서비스(DiffServ) 방식으로 전환되었다. DiffServ는 트래픽 소스 자체 또는 네트워크에 들어가는 엣지 장치에서 패킷에 우선순위 마크를 지정하며, 라우터와 스위치는 이를 기반으로 서로 다른 스케줄링 전략을 사용한다.

매체 접근 제어(MAC) 계층에서는 VLAN IEEE 802.1Q 및 IEEE 802.1p를 사용하여 이더넷 프레임을 구분하고 분류할 수 있다.

4. 1. IP 네트워크

• 통합 서비스(IntServ): 네트워크와 애플리케이션 요구 사항 교환을 기반으로 하는 매개변수화된 시스템이다. 이 모델에서 애플리케이션은 자원 예약 프로토콜(RSVP)을 사용하여 네트워크를 통해 리소스를 요청하고 예약한다.^[6] 그러나 IntServ는 수천, 수만 개의 예약을 처리해야 하는 대규모 네트워크에서는 확장성 문제가 있어 널리 사용되지 않는다.
• 차별화된 서비스(DiffServ): 각 패킷이 네트워크에 원하는 서비스 수준을 식별하는 우선 순위 시스템이다. DiffServ는 원하는 서비스 유형에 따라 패킷에 마크를 지정한다. 이러한 마크에 대응하여 라우터와 스위치는 다양한 스케줄링 전략을 사용하여 예상에 맞게 성능을 조정한다. IP 패킷 헤더의 ToS 필드 (현재 DS 필드로 이름 변경됨)에서 처음 6비트를 차등 서비스 코드 포인트(DSCP) 마크로 사용한다.^[33]

• IPv4 헤더의 서비스 유형(ToS) 필드 (현재는 DiffServ에 의해 대체됨)
• 차등화 서비스 (DiffServ)
• 통합 서비스 (IntServ)
• 자원 예약 프로토콜 (RSVP)
• RSVP-TE

4. 2. 기타 네트워크 기술

5. QoS 응용 사례

3중 서비스(Triple Play)는 하나의 네트워크를 통해 TV, 전화, 인터넷 서비스를 동시에 제공하는 것을 의미한다. 미국의 케이블 사업자인 타임워너(Timewarner) 등은 QoS를 활용하여 이러한 서비스를 제공하고 있다.^[31]

• VoIP (Voice over IP): 인터넷 전화는 낮은 지연 시간과 지터(지연 변동)가 중요하므로, QoS를 통해 통화 품질을 보장한다.
• IPTV (Internet Protocol Television): 인터넷을 통해 TV 서비스를 제공하는 IPTV는 높은 대역폭과 낮은 손실률이 중요하므로 QoS를 활용한다.
• 온라인 게임: 온라인 게임은 낮은 지연 시간과 패킷 손실 최소화가 중요하므로, QoS를 통해 렉 없는 게임 환경을 제공한다.

6. 한계

인터넷은 단일 소유 네트워크가 아닌, 여러 네트워크 서비스 제공업체가 소유하고 관리하는 사설 네트워크들의 상호 연결이기 때문에, 서로 다른 네트워크 사업자 간의 연동 시 QoS 보장이 어려울 수 있다.^[5] 동작의 예측 가능성도 훨씬 떨어진다.

강력한 암호화 네트워크 프로토콜인 SSL, I2P, 가상 사설망 등은 전송되는 데이터를 가리기 때문에, 암호화된 트래픽은 QoS를 위해 심층 패킷 검사를 수행할 수 없다.^[9]

TCP과 같이 네트워크에 배치되는 데이터의 양을 점차 증가시키는 프로토콜의 경우, 사용 가능한 모든 대역폭이 소모되고 패킷이 손실될 때까지 과잉 할당(Over-provisioning)은 제한적일 수 있다. 이러한 프로토콜은 모든 사용자의 대기 시간과 패킷 손실을 증가시키는 경향이 있기 때문이다. 더 많은 대역폭을 사용하는 최신 애플리케이션과 사용자의 증가는 과잉 할당된 네트워크의 손실을 초래하며, 이는 네트워크 링크의 물리적 업데이트를 필요로 하여 비용이 많이 드는 프로세스이다. 따라서 인터넷에서는 과다 할당을 맹목적으로 가정할 수 없다.

인터넷2 프로젝트는 2001년에 당시 사용 가능한 장비로는 QoS 프로토콜을 애빌린 네트워크 내에 배포할 수 없을 것이라고 결론 내렸다.^[28] 이들은 경제성이 네트워크 제공업체가 고객을 더 높은 가격의 QoS 서비스로 유도하기 위해 최선 노력 트래픽의 품질을 의도적으로 저하시키도록 장려할 것이라고 예측했다. 대신 그들은 당시 더 비용 효율적인 방법으로 용량의 과잉 제공을 제안했다.^[28][29]

우선 제어와 대역 제어는 라우터의 기능이므로, 라우터로 구분된 인터넷 내부에서는 기능하지 않는다. 패킷의 우선 순위를 지정해도 L2 스위치나 L3 스위치는 무시할 뿐이다.

고정적인 대역 제어의 지정값 설정도, 실효 대역폭에서 벗어나면 회선 사용에 악영향을 미친다. 실효 대역폭이 넓어져도 대역 제어가 좁은 채로 있으면, 회선 사용에 낭비가 생긴다. 실효 대역폭이 좁아져 대역 제어의 설정값 상한값 이하가 되면, 대역 제어가 기능하지 않게 되어 패킷 폐기가 일어나기 쉬워진다. 이러한 고정 설정의 문제를 회피하기 위해, 일부 새로운 라우터에서는 거점 측 라우터에서 측정용 UDP 패킷을 몇 개 센터 라우터로 보내어 수신 간격이나 손실 정보를 다시 보내 받아, 회선의 상황에 맞춰 대역 제어의 지정을 동적으로 변경하는 기능이 갖춰진 것도 있다.^[33]

7. 한국의 QoS 현황 및 과제

한국은 초고속 인터넷 인프라가 잘 구축되어 있어 일반적인 인터넷 사용 환경에서는 QoS 문제가 크게 부각되지 않는다. 그러나 5G 이동통신, 클라우드 게임, 원격 의료 등 새로운 서비스의 등장으로 인해, 더욱 정교한 QoS 기술이 요구될 수 있다.

특히, 망 중립성 논쟁과 관련하여, 통신 사업자의 QoS 정책이 공정 경쟁을 저해할 수 있다는 우려도 제기되고 있다. 더불어민주당은 망 중립성 원칙을 강화하고, 통신 사업자의 불합리한 트래픽 차별을 금지하는 정책을 추진하고 있다.

참조

_[1] 웹사이트 Teletraffic Engineering Handbook http://www.com.dtu.d[...] 2007-01-11
_[2] 논문 Real-time reconfiguration for guaranteeing QoS provisioning levels in Grid environments
_[3] 웹사이트 IP Quality of Service https://www.netlab.t[...] Helsinki University of Technology, Laboratory of Telecommunications Technology 1999-05-10
_[4] 서적 2007 Fifteenth IEEE International Workshop on Quality of Service http://www.cse.unr.e[...] 2009-01-24
_[5] 웹사이트 An Evening With Robert Kahn http://archive.compu[...] Computer History Museum 2007-01-09
_[6] 서적 Handbook of Image and Video Processing 2005
_[7] 논문 Performance analysis of the IEEE 802.11 distributed coordination function
_[8] 논문 Analytical Models for Understanding Misbehavior and MAC Friendliness in CSMA Networks
_[9] 웹사이트 How To Manage QoS In Your Environment, Part 1 of 3 http://www.networkpe[...] NetQoS 2011-10-15
_[10] 웹사이트 VoIP on MPLS http://searchunified[...] Search Unified Communications 2012-03-12
_[11] 간행물 Resource ReSerVation Protocol (RSVP) IETF 1997-09
_[12] 간행물 Performance evaluation of RSVP using OPNET Modeler 2014-12
_[13] 간행물 MPLS Segment Routing https://www.arista.c[...] Arista 2020-04-16
_[14] 웹사이트 "Next Steps in Signaling" Charter http://datatracker.i[...]
_[15] 웹사이트 EuQoS - End-to-end Quality of Service support over heterogeneous networks http://www.euqos.eu/ 2011-10-12
_[16] 웹사이트 IPSphere: Enabling Advanced Service Delivery http://www.tmforum.o[...] 2011-01-13
_[17] 웹사이트 End-to-end quality of service support over heterogeneous networks http://cordis.europa[...] European Community Research and Development Information Service 2011-10-12
_[18] 서적 End-to-end quality of service over heterogeneous networks https://books.google[...] Springer
_[19] 웹사이트 Multi Service Access Everywhere (MUSE) http://www.ist-muse.[...] 2011-10-12
_[20] 웹사이트 Multi Service Access Everywhere http://cordis.europa[...] European Community Research and Development Information Service 2011-10-12
_[21] 웹사이트 Multi Service Access Everywhere http://cordis.europa[...] European Community Research and Development Information Service 2011-10-12
_[22] 웹사이트 PlaNetS QoS Solution http://www.medea-pla[...] 2011-10-12
_[23] 웹사이트 4WARD: Architecture and design for the future Internet http://cordis.europa[...] European Community Research and Development Information Service 2011-10-15
_[24] 웹사이트 Going 4WARD http://www.4ward-pro[...] 2011-10-15
_[25] 서적 Architecture and Design for the Future Internet: 4WARD EU Project https://books.google[...] Springer 2011-01-30
_[26] 웹사이트 Wireless Deployable Network System http://www.netlab.tk[...] European Union 2012-05-23
_[27] 논문 Quality of Service through Bandwidth Reservation on Multirate Ad-doc Wireless Networks 2009-03
_[28] 웹사이트 Why Premium IP Service Has Not Deployed (and Probably Never Will) http://qbone.interne[...] Internet2 QoS Working Group 2011-10-15
_[29] 웹사이트 A Nice Way to Get Network Quality of Service? http://www.oreillyne[...] O'Reilly 2011-10-15
_[30] 웹사이트 Testimony of Gary R. Bachula, Vice President, Internet2 http://commerce.sena[...] 2011-10-15
_[31] 웹사이트 E.800: Terms and definitions related to quality of service and network performance including dependability http://www.itu.int/r[...] 2011-10-14
_[32] 웹사이트 X.641: Information technology - Quality of service: framework http://www.itu.int/r[...] 1997-12
_[33] 웹사이트 QoSとは https://network.yama[...] 2020-09-26
_[34] 간행물 日経NETWORK 2004年1月号 「特集2 QoS」p84-p85
_[35] 간행물 日経NETWORK 2007年8月号 「特集2 通信品質」p74-p75
_[36] 서적 Foundations of modern networking : SDN, NFV, QoE, IoT, and Cloud https://www.worldcat[...] 2016-01-01
_[37] 간행물 VoIPを導入するための機能 日経NETWORK 2007-12-01
_[38] 서적 Foundations of modern networking : SDN, NFV, QoE, IoT, and Cloud https://www.worldcat[...]
_[39] 간행물 スイッチ・ネットワーク 不要なパケットは止めて重要なパケットを優先する 日経NETWORK 2005-08-01
_[40] 웹인용 E.800: Terms and definitions related to quality of service and network performance including dependability http://www.itu.int/r[...] 1994-08-01