[네트워크] Chap 1.3 - Loss, Delay, Throughput

How do loss and delay occur?

 

1-hop delay (= nodal delay)
processing delay → queueing delay → transmission delay → propagation delay

end-to-end delay
hop 수 * (1-hop delay)

 

① processing delay

L-bit 패킷이 라우터의 input port에 모두 도착하여 2계층 프로토콜에 의해 처리된 후, 3계층에서 IP 헤더를 읽고 output port를 결정할 때 발생하는 delay

 

② queueing delay

Resource(link bandwidth) reservation을 하지 않기 때문에 중간 라우터의 output buffer에서 대기하느라 발생하는 delay

 

③ transmission delay

L-bit를 signal로 변환할 때 걸리는 시간

 

④ propagation delay

1-bit가 1-hop을 이동하는데 걸리는 시간 (tx에서 rx로, 즉 link의 one end에서 another end로)

 

// input buffer에서 output buffer로 L bit를 옮기는 일을 switching한다고 말한다(Switching technology가 해준다)

input buffer은 이론적으로는 overflow가 있을 수 있지만, 대부분의 라우터에는 input buffer overflow가 없다.

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Four sources of packet delay

d_proc :  nodal processing 비트 오류 확인 (at L2, L3) output link 결정  일반적으로 < microsec → 매우 작다 L-bit packet이 라우터의 input port에 모두 도착하여 L2 protocol에 의해 처리된 후, L3에서 packet의 IP header를 조사하고 output port를 결정할 때 소요되는 지연	d_queue : queueing delay time waiting at output link for transmission router의 congestion level에 dependent (TCP가 함) queue에서 기다리는 지연 queue에 있는 패킷의 수에 의존 → 그때그때 다름 transport layer에서 host속도를 제어하며 해결한다. output buffer을 아무리 크게 만들어도 발생할 수 있는 delay
d_trans : transmission delay  L : packet length (bit) R : link bandwidth (bps) d_trans = L / R bit를 signal로 바꾸는데 걸리는 시간 (local하다)	d_prop : propagation delay d : length of physical link s : propagation speed(=전파 속도) (~ 2x108 m / sec)  d_prop = d / s 1-bit가 목적지까지 얼마나 빨리 가는지

d trans 와 d prop 는 엄연히 다름!

d trans = L/R

d prop = d/s

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Caravan anology

 

car 1대 = 1 bit

caravan (10대의 car) = 1 packet

toll booth = router

 

 

d_trans  <  d_prop 

(1) car propagete at 100km/hr (자동차의 속도는 100km/hr)

(2) toll booth takes 12 sec to service car (bit transmission time) (한 대의 자동차가 톨게이트에서 정산하는데 12초)

 

Q : 10대의 자동차가 2번째 톨게이트까지 liend up 되려면 얼마나 걸릴까?

A : 1st 톨게이트에 총 10대의 차량이 줄서있으므로 12*10 = 120초

     마지막 자동차가 첫 번째 톨게이트에서 두 번째 톨게이트까지 이동하는 데 걸리는 시간 : 100km / (100km/hr) = 1hour

     => 120 sec + 1 hour = 62min

 

propagation이 transmission보다 길다 (위성통신 or Planet간의 통신이 이러하다!)

→ 내가 패킷 단위로 보내서 L bit를 signal로 다 바꿨는데 첫번째 bit는 아직도 가고 있음

 

d_trans  >  d_prop

(1) car propagete at 1000km/hr (자동차의 속도는 1000km/hr)

(2) toll booth takes 1 min to service car (bit transmission time) (한 대의 자동차가 톨게이트에서 정산하는데 1분)

 

Q : 10대의 자동차가 2번째 톨게이트까지 liend up 되려면 얼마나 걸릴까?

A : 1st 톨게이트에 총 10대의 차량이 줄서있으므로 1min*10 = 10분

     마지막 자동차가 첫 번째 톨게이트에서 두 번째 톨게이트까지 이동하는 데 걸리는 시간 : 100km / (1000km/hr) = 0.1hour

     => 1min + 0.1 hour = 16min

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Traffic intensity (TI) at Output queue

 

Queueing delay in an output queue can be estimated by an index called "Traffic Intensity (TI)",

TI = L a / R

1. TI = (arrival rate into output queue) / (departing rate from output queue)
2. arrival rate into output queue = L-bits x a packets/sec. (초당 a개의 L-bit 패킷이 큐에 진입)
3. departing rate from output queue = outgoing link의 transmission rate R bps
4.  As a value of TI gets closer to 1, queueing delay rapidly increases. (0.8을 넘어가면 exponential하게 확 늘어난다)

ex) 초당 5개의 패킷(한 패킷당 100bit)이 큐에 도착(transmission rate는 1 kbps)한다. TI를 구하시오

A : L=100bit , a=5 , R=1kbps

     TI = La/R = 100*5 bps / 1000 bps = 0.5

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"Real" Internet delays and routes

How to measure a real delay to a host (A).
- Type "tracert(A's IP address)" on your Window system. (cmd창에 tracert @@@.ac.kr)
- Type "traceroute (A's IP address)" on your Linux or Unix systems.
- This command uses TTL(Time-To-Live) field in an IP header and ICMP (Internet Control Management Protocol) messages.  (Linux-like OS에서는 UDP를 이용한 응용으로 작성되어있음)

 

traceroute를 구현하는 방법 중 하나는 ICMP라는 프로토콜을 이용하는 것

IP 헤더 안에 TTL (Time-To-Live) 필드를 둔다.

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Packet loss

packet switching에서 resource reservation 안함 + buffer의 capacity는 한정적

=> 속도 차이 발생 → packet loss 발생

 

output queue에 data가 지나치게 몰릴 때 (transmission rate, R값 보다 지나치게 많은 rate의 bps가 들어오면) queue가 넘쳐 loss가 생긴다.

 

lost packet은 error recovery를 통해 retranasmissted되기도 한다. (previous node 또는 src end system 또는 not at all)

 

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Throughput

end to end의 productivity

초당 sender에서 receiver까지 보낼 수 있는 비트 수 (end to end 개념)

거쳐가는 여러 link들의 capacity( = R)값에 의존 (queueing delay는 상황에 따라 다르므로)

성능(link capacity)이 가장 떨어지는 link, 제일 느린 링크에 의해서 throughput이 결정된다! (bottleneck link라고 함)

end-to-end path에서 거쳐가는 링크들의 transmission rate (R)이 가장 작은 link에 의해서 throughput이 결정됨

(throughput에 문제가 있어 네트워크를 개선해야 한다면 bottleneck link를 찾아 throughput을 올려야 함)

 

정리 : throughput은 real time의 end-to-end 개념이다!

 

Throughput	Transmission rate
-  amount of bits delivered between two end hosts over a specific period of time - e2e path 중 bottleneck link의 성능에 의해 결정됨	usually about link's capacity (amount of bits transmitted) (bit → signal)
real-time measurement	not real-time measurement
단위는 bps로 똑같다.