[Computer Networks] 컴퓨터 네트워크(2강) - Throughput과 Bottleneck
Throughput의 개념 및 Bottleneck 현상을 알아봅니다.
- 수식이 제대로 보이지 않는다면, 새로고침(F5)을 해주시기 바랍니다.
Throughput
Throughput: 단위 시간당 실제로 전송된 데이터 양 [bits/sec]
=> 얼마나 데이터를 빠르게 주고 받는 지 나타내는 값이다. throughput은 다음과 같이 계산된다.
Throughput에는 instantaneous throughput과 average throughput이 있다. Instantaneous throughput은 순간적인 전송률을, average throughput은 일정 시간 구간 동안의 평균 전송률을 의미한다.
Bottleneck link
Bottleneck link는 병목 구간을 의미한다. 음료수 병을 보면 병의 몸통 부분 보다 머리 부분(입구 부분)이 훨씬 좁은데, 이런 이유로 인해 음료수가 한꺼번에 쏟아지지 않도록 해준다. 딱 입구 부분의 크기에 맞춰서 음료수가 나오게 되는 것이다. 그런데, 만약 데이터 전송을 위한 link가 이런 음료수 병처럼 생겼다면 데이터가 흘러가다가 Bottleneck 부분에서 느려지게 될 것이다. 이것이 병목 현상이다.
네트워크에서 Bottleneck link는 여러 링크들 중 가장 전송률이 낮은 구간으로 정의 된다.
위 그림에서, Server에서 Router로 향하는 link보다 Router에서 Client로 향하는 link의 폭이 좁은 것을 확인할 수 있다. 즉 throughput이 \(R_s>R_c\)이다. 그렇다면 이때, 패킷이 충분히 많다면 average end-to-end throughput은 얼마일까? 바로 \(T_{e2e}=min(R_s,R_c)\)가 된다. 즉, 여러 구간들 중 throughput이 가장 낮은 구간에 의해 전체 처리량이 결정된다. 왜 그럴까? 이를 증명해보겠다.
prove
즉, 패킷이 충분히 많을 때 결국 average end-to-end throughput은 \(R_2\)(bottleneck link의 throughput)에 수렴함을 확인하였다.
Throughput in Multiple connections
여러 개의 서버-클라이언트 쌍으로 이루어진 다중 연결 환경에서의 throughput은 어떻게 될지 알아보자.
위 상황은 link capacity(R)을 10개의 연결이 공평하게 나누어 쓰는 상황이라고 가정한다.
그림에서 throughput은 총 3종류가 존재한다. server-client link의 throughput인 \(R_s\), Core Internet의 throughput \(R\), access network(client-side access)의 throughput인 \(R_c\)가 있다. 가정에 의해 1개의 link가 코어망에서 확보할 수 있는 최대 속도는 R/10이 된다. 그렇다면 이 때, end-to-end throughput은 얼마일까?
위 내용에서 다루었던 것처럼, 가장 느린 링크에 의해 결정이 된다. 따라서 \(T_{e2e}=min(R_s,R_c,\frac{R}{10})\)이다.
일반적인 식으로는 다음과 같이 표현할 수 있다.
실제로 병목 현상은 \(R_c\)나 \(R_s\)가 bottleneck일 때가 많은데, 왜 그럴까?
사실 코어망은 대개 매우 빠른 속도를 가졌기 때문에 코어망에 의해 병목이 생기지는 않는다. 따라서 network edge 구간에서 자주 발생한다.
Conclusion
이번에는 Throughput과 Bottleneck에 대해서 알아보았다. 아래 연습 문제는 위 상황에서 throughput의 대소가 반대로 된 case에 대한 흥미로운 증명이니 직접 해 보시는 것을 추천드립니다.
Practice
- 만약 \(R_1<R_2\)라면, average end-to-end throughput은 얼마일지 구하시오.
Answer
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