[QoS] QoS 정의 및 지연 발생 원인

QoS란?

• QoS(Quality of Service, 서비스 품질)는 네트워크에서 특정 트래픽에 우선순위를 부여하여 안정적인 서비스 품질을 보장하는 기술을 말한다.
• 네트워크 트래픽이 많을 때 중요한 데이터(예: 음성, 영상, 실시간 통신)가 지연되거나 손실되지 않도록 우선적으로 처리해주는 역할을 합니다.

QoS 왜 필요한가?

1. Lack of Bandwidth (대역폭 부족)

• Source to Destination 통신에서 가장 낮은 대역폭이 해당 구간에서 사용가능한 최대 대역폭이 된다. 해당 구간에 트래픽이 몰리면 혼잡이 발생하고 그럼 트래픽 유실이 발생하게 된다.
• 대역폭 부족 시에 가장 최고의 해결방법은 대역폭 확장이 있지만, 비용적인 문제 또는 기술적 제약으로 인해 가능하지 않는 경우 대안으로 QoS를 적용하여 제한된 자원을 사용하는 방법이 있다.

2. Latency and Jitter(지연 및 지터)

• One way End-to-End 지연을 네트워크 Latency라고 한다. 이것은 출발지에서 패킷이 출바해 도착지까지 도달하기까지의 소요된 시간을 말합니다.
• Jitter(지터)는 패킷과 다음 패킷 사이의 간격을 말합니다. 첫번재 패킷이 출발지에서 목적지까지 전송에 50ms가 소요되고 그 다음 패킷 전송때에 70ms가 소요되면 jitter 값을 20ms가 된다. jitter의 변화가 일정하지 않고 변동폭이 있다면 패킷 전송 과정에서의 지연이 발생했다는 것으로 애플리케이션에서는 이것을 보완하기 위해 Buffer를 설정하여 안정적으로 서비스를 제공합니다.

3. Packet Loss(패킷 유실)

• 패킷 유실은 일반적으로 인터페이스의 혼잡으로 발생합니다. 패킷 유실을 방지하는 방법은 대역폭 증가와 QoS를 적용하여 혼잡을 방지하거나 혼잡 제어를 통해서 패킷유실을 방지할 수 있습니다.

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QoS 지연 발생 원인 4가지

1. Propagation Delay(고정)

• 출발지에서 목적지까지 패킷 전송에 소요되는 시간으로 전송매체에 따라 차이가 발생합니다. 전송매체란 UTP 또는 광 케이블을 의미하고 전송매체에 의한 지연은 고정 값을 가집니다.

2. Serialization Delay(고정)

• 패킷의 전체 bit가 링크에 위치하는 시간으로 링크 속도에 영향을 받기때문에 고정값입니다. 링크의 속도를 높이면 지연값이 개선되게 됩니다. Serialization Delay 값을 구하는 공식은 패킷 전체 bit / Link Speed로 계산할 수 있습니다.

예) 1Gbps 인터페이스에 1500 byte를 위치할 때에 지연 값

s = 1500 byte / 1,000,000,000 bps = 12,000 bit / 1,000,000,000

s = 0.000012 = 12us

계산하면 1Gbps 인터페이스에 1500byte 전체를 올리는데 소요시간은 12us가 나옵니다.

3. Processing Delay(고정)

• 네트워크 장비가 Input Interface에서 패킷을 받아서 Output Queue 까지 이동 소요되는 시간으로 여기에서 영향을 미치는 요소는 5개가 있습니다.
  • CPU Speed (For Software-Base Platform)
  • CPU 사용률
  • IP Packet Switching Mode (Processing Switching, Software CEF Switching, Hardware CEF Switching)
  • Roter Architecture (Centrailzed or Distributed)
  • Input / Output Interface configuration
• Chassis Type의 장비는 Hardware 기반인 ASIC Chip으로 처리하기 때문에 CPU 속도나 상태에 영향을 받지 않는다. CEF 방식 또한 Hardware Switching으로 수행하기 때문에 일반 스위치보다 성능은 우수하다.

ASIC Chip (Application-Specific Integrated Circuit)
- 특정 목적을 위해 설계된 전용 집적 회로

ASIC 사용 이유
- 고속의 패킷 전송 및 라우팅 , 스위칭을 CPU 도움 없이 빠르게 진행
- 지연(Latency)이 거의 없고, CPU의 부담이 없음

4. Delay Variation(변동)

• Delay Variation은 Jitter(지터)라고 하고 패킷 사이의 간격 차이를 의미합니다.
• Queuing Delay, Dejitter Buffer 그리고 가변적인 패킷 사이즈가 Jitter 값에 영향을 주게 된다. 그중에서 Jitter에 가장 많은 영향을 주는 항목은 Queuing Delay 입니다. Queuing Delay는 Queue에 있는 Packet Size, Interface Speed, Queueing Mechanism 입니다.
• Egress Interface Queue에 이미 많은 Packet이 존재하여 Queue가 풀로 차면 이후에 Egress Interface Queue에 오는 패킷은 모두 유실되게 된다. UDP는 트래픽 유실로 인해 정상적인 서비스를 할 수 없고, TCP를 사용할 경우에는 재전송이 발생해 속도가 느려지게 된다.(Tail Drop 발생)
• 인터페이스 속도는 Serialization Delay와 연관이 있으며, Queuing Mechanism는 Queue에 쌓는 알고리즘에 따라서 Jitter 값에 변화를 줄 수 있다. 일반적으로 사용하는 FIFO(First In First Out)의 경우 먼저 들어오는 패킷을 처리하는 방식으로 중요한 트래픽이 후에 들어올 경우 처리가 늦어져서 Jitter값이 상승하게 되고 RED(random Early Detect) 방식을 사용해 무작위로 패킷을 폐기할 경우 중요한 패킷이 폐기할 수있어 효율적이지는 못합니다.
• 그래서 실시간 트래픽과 같이 우선순위가 높은 트래픽이 Jitter의 방해를 받지 않기 위해 Low-Latency Queuing(LLQ)와 같은 Queuing Mechanim을 사용할 수있다.