[네트워크] 네트워크 계층에서의 QoS 관리

 

1. QoS란?

Quality of Service. 네트워크 트래픽의 우선순위를 관리하여 서비스 품질을 보장하는 기술

QoS는 네트워크에서 데이터 흐름의 우선순위를 정하고,

이를 바탕으로 트래픽을 제어하여 성능을 보장하는 기술입니다.

한국어로 번역하면 서비스 품질이라는 뜻으로, 다양한 데이터 유형의 요구사항을 충족하기 위해 사용됩니다.

QoS는 특히 실시간 서비스와 비실시간 서비스의 차이를 맞추고

트래픽이 원활히 전달되도록 우선순위를 보장하는데 초점을 맞춥니다.

2. QoS의 주요 요소

QoS를 이해하기 위해 네트워크 성능에 영향을 미치는 주요 요소 4가지를 알아봅시다.

1) 대역폭(Bandwidth)

• 데이터 전송을 위해 사용할 수 있는 네트워크 용량입니다.
• QoS는 특정 데이터 흐름에 필요한 대역폭을 보장하여 혼잡 상태에서도 안정적인 서비스를 제공합니다.
• ex) 실시간 비디오 스트리밍은 최소 5Mbps의 대역폭이 필요

2) 지연(Latency)

• 데이터가 출발지에서 목적지로 전달되는 데 걸리는 시간입니다.
• 지연이 클수록 VoIP 같은 실시간 서비스의 품질이 저하됩니다.
• ex) VoIP 통화에서는 150ms 이하의 지연이 요구됨

3) 지터(Jitter)

• 데이터 전달 시간의 변동성을 의미합니다.
• 일정하지 않은 지터는 음성 통화나 스트리밍 서비스에 악영향을 끼칩니다.
• ex) 비디오 스트리밍 중 지터가 크면 끊김 현상이 발생

4) 패킷 손실(Packet Loss)

• 전송 중 손실된 데이터 패킷의 비율입니다.
• QoS는 네트워크 혼잡을 완화하여 패킷 손실을 줄이고 데이터 신뢰성을 보장합니다.
• ex) 실시간 화상 회의에서 1% 이상의 패킷 손실은 눈에 띄는 품질 저하를 유발

3. QoS 구현 방법

1) 트래픽 분류와 마킹

• 데이터 흐름을 식별하고 우선순위를 설정하는 과정입니다.
• 마킹(Marking): 패킷의 헤더에 우선순위를 정의하는 정보를 추가
• 라우터나 스위치는 이 마킹을 참고해 패킷을 처리합니다.

2) 큐 관리와 스케줄링

• 데이터 패킷이 혼잡 상태에서도 적절히 전송되도록 큐를 관리합니다.
• 주요 스케줄링 방식:
  • FIFO (First In First Out): 단순하고 구현이 간단하지만 실시간 데이터에는 부적합합니다.
  • Priority Queuing (PQ): 우선순위가 높은 트래픽을 먼저 처리하는 방식으로 긴급 데이터에 적합하나 우선순위가 낮은 경우 기아 상태가 발생할 수 있습니다.
  • Weighted Fair Queuing (WFQ): 데이터 흐름별로 가중치를 부여해 공평성과 효율성을 모두 유지하며 트래픽을 처리할 수 있습니다.
  • Round Robin(RR) : 순환 방식으로 대역폭을 배분해 공평한 기회를 제공하지만 데이터 크기가 큰 흐름의 경우에는 비효율적입니다.
  • Deficit Round Robin(DRR) : Round Robin의 단점을 보완해 흐름별로 누적된 크레딧을 관리해 큰 패킷 처리도 효율적으로 수행할 수 있습니다.
  • Weighted Round Robin(WRR) : Round Robin에 가중치를 적용해 중요 트래픽에 더 많은 대역폭을 할당합니다.

3) 대역폭 예약 및 트래픽 셰이핑

• IntServ (Integrated Services): 개별 데이터 흐름별로 패ㅣㅅ 전송 전에 대역폭을 예약해 필요한 리소스를 보장합니다.
  • 장점: 정확한 QoS 보장, 실시간 애플리케이션에 적합
  • 단점: 확장성 문제, 복잡한 설정
  • 적용 : 소규모 네트워크 환경에서 고품질 실시간 데이터 전송이 필요한 경우
• DiffServ (Differentiated Services): 확장성 문제 해결을 위해 설계된 모델로 트래픽 클래스 단위로 QoS를 제공합니다. 패킷 헤더의 DSCP(Differetiated Services Code Point) 필드를 사용해 우선순위를 결정합니다.
  • 장점: 네트워크 규모가 커져도 적용 가능, 확장성, 유연성, 간단한 설정
  • 단점: 개별 데이터 흐름의 품질 보장은 어려움, 정확성 부족
  • 적용 : 대규모 네트워크에서 다양한 트래픽 유형을 처리하는 경우

4. 네트워크 계층에서 QoS의 역할

네트워크 계층에서 QoS는 IP 패킷의 우선순위를 설정하고, 트래픽을 효율적으로 전달하기 위한 기초 작업을 수행합니다.

1) IP 패킷의 우선순위 설정

• DiffServ Code Point(DSCP) 필드를 사용하여 패킷에 우선순위를 지정합니다.
• 라우터는 DSCP 필드를 기반으로 큐에 패킷을 배치합니다.

2) 라우터와 스위치의 트래픽 관리

• 라우터와 스위치는 우선순위를 참고하여 패킷 전달 순서를 결정합니다.
• 혼잡 상태에서도 실시간 데이터의 품질을 유지할 수 있습니다.

5. QoS 적용 사례

1) VoIP (Voice over IP)

• 음성 데이터의 지연과 패킷 손실을 최소화하여 품질을 유지합니다.
• 대역폭이 제한된 환경에서도 안정적인 통화가 가능합니다.

2) 비디오 스트리밍

• 버퍼링 방지와 연속적 재생을 위해 QoS 기술로 대역폭을 보장합니다.
• 특히 4K 스트리밍은 고속 대역폭과 낮은 지연이 요구됩니다.

3) 기업 네트워크

• 업무의 중요도에 따라 트래픽을 분류하고 우선순위를 설정할 수 있습니다.

 

 

참고자료 : 위키백과