QoS(Quality of Service)

QoS(Quality of Service)란 사업자가 제공하는 서비스를 이용할 때 불편을 느끼지 않는 수준이나 성능을 말합니다.

인터넷 사용자의 폭발적 증가로 늘어나는 트래픽 수용을 위한 장비 투자의 제한성 해소를 위한 기술로 활용됩니다.

또한 Best Effort 기반의 IP망에서 VOIP, Video 등 품질보장을 필요로 하는 멀티미디어 서비스 수용을 위해 필요한 기술입니다.

1. QoS 파라미터

1) 대역폭(Bandwidth)

• 네트워크가 초당 전송할 수 있는 데이터 전송능력(Mbps, Gbps)

2) 지연(Delay)

• 송신측과 수신측에 발생하는 패킷의 가공, 저장, 처리 및 전달에 의한 시간지연

3) 지연변이(Jitter)

• 전달되는 패킷 등의 지연차로 인해 실시간의 멀티미디어 트래픽에 치명적인 영향을 미침

4) 손실량(Packet Loss)

• 송신단에서 보낸 패킷 중 수신단에 전달되지 않고 손실된 양으로, 손실된 패킷은 재전송 되어야 하므로 네트워크 혼잡을 가중시킴

5) 가용성(Availability)

• 네트워크 장비의 고장없이 또는 고장이 나더라도 수신시간을 얼마나 최소화하여 트래픽을 전송할 수 있는가에 대한 척도

2. QoS 확보방안(트래픽 관리방안)

1) 큐 관리(Queue Management)

큐 관리(Queue Management)란 패킷 스케줄링 기법 중 하나입니다. 라우터에서 프레임들이 입력되어 패킷으로 합쳐지고 포워딩 프로세서에 의해 출력되어 다음 라우터에 전달되는 과정을 말합니다.

(1) FIFO(First Input First Output)

• 들어온 트래픽 순서대로 출력되는 방식
• Store and Forward 방식으로 처리하는 대표적인 방식
• 트래픽 변화에 능동적인 대처 불가

(2) Priority(우선순위 방식)

• 우선순위에 따른 패킷 포워딩 방식
• 우선순위 분류가 많아질수록 처리 부담이 가중되고 포워딩 성능을 저하시킴

(3) WFQ(Weighted Fair Queuing)

• FIFO와 Priority방식의 복합방식
• Priority는 starvation 발생, FIFO는 QoS 차별화가 불가한 문제점
• Priority방식으로 처리하지만 대기 중인(우선순위가 낮은) 다른 트래픽도 동시에 처리 가능

2) 트래픽 쉐이핑(Traffic Shaping)

트래픽 쉐이핑(Traffic Shaping)이란 네트워크 내부 유입 트래픽과 유출되는 트래픽 양과 속도를 조절하는 메커니즘을 말합니다.

(1) Leaky-Bucket

• 데이터율을 평균으로 만들어 네트워크에 고정 데이터율로 트래픽 전송
• 만약 버킷이 가득차면 패킷을 폐기 처리

(2) Token-Bucket

• 트래픽을 토큰의 유무에 따라 흐름제어 받음
• 토큰을 가진 트래픽은 버킷에서 출력되는 방식

3) 수락제어

수락제어란 어떤 종류의 트래픽을 네트워크로 받아들일 것인가를 결정하는 정책을 말합니다. 라우터 또는 교환기가 흐름사양으로 부르는 사전에 정의된 파라미터에 근거하여 흐름별 수락 또는 거부를 결정합니다.

4) 혼잡관리

혼잡관리에서는 트래픽 혼잡을 제어하는 방법들을 제시합니다.

(1) RED(Random Early Detection)

• 버퍼가 오버플로 될 때까지 기다리지 않고 패킷들을 폐기 처리
• 각 플로우가 거의 동시에 데이터 손실을 겪는 ‘글로벌 동기화’ 현상을 방지하기 위해 임의 플로우 패킷 폐기 처리

(2) WRED(Weighted Random Early Detection)

• RED의 단점 보완
• 혼잡 발생 시 탈락시킬 플로우를 특정 기준/정책에 준하는 값에 따라 우선순위를 두고 선택하도록 하는 방식

3. 통합서비스에서 QoS 보장방법(IntServ 방식)

IntServ 방식은 실시간 응용서비스에서 발생하는 패킷의 흐름을 단위로 하여 QoS를 제공하는 방식입니다.

RSVP(Reserve Reservation Protocol)를 이용하여 사전연결수락제어 및 자원예약을 수행합니다.

플로우에 대하여 모든 상태정보를 라우터가 유지해야 하므로 라우터의 메모리가 많이 소요되어 대규모 네트워크 적용이 어렵습니다.

1) 동작원리

송신자는 Path메시지를 통해 Unicast 또는 Multicast 라우팅 방법으로 수신자에게 경로를 따라 패킷의 트래픽 특성 전달합니다.

Path 메시지가 지나가는 경로의 각 노드는 경로상태를 기록합니다.

수신자는 필요대역폭 만큼 자원할당 후 RESV메시지를 통해 역방향으로 전달합니다.

입력되는 패킷은 라우터의 패킷분류 및 패킷 스케줄링 기능을 통해 패킷 처리를 수행합니다.

2) RSVP(Reserve Reservation Protocol)

RSVP(Reserve Reservation Protocol)란 응용서비스의 FlowSpec에 따라 네트워크 자원을 예약하기 위한 절차를 규정한 프로토콜입니다.

IP 멀티캐스트 서비스를 주 대상으로 만들어서 단방향 모드로 동작하고, 수신자 측에서 자원할당을 수행합니다.

IP, IP 라우팅 프로토콜, IP 멀티캐스트 프로토콜 위에서 동작합니다.

3) 서비스 유형

• Best Effort 서비스
• Guaranteed 서비스 : 음성, 비디오 등 실시간 서비스 수용을 위해 고정된 대역폭 할당

4) 한계

• 수많은 플로우 유지를 위한 메모리 소요
• 사용자의 무분별한 자원예약
• 수많은 Path, RESV 메시지를 처리하기 위한 고성능 라우터 필요
• 자격 없는 사용자로부터 자원요청 제한 위한 보안 기능 필요

4. 차등서비스에서 QoS 보장방법(DiffServ 방식)

DiffServ 방식은 플로우의 집합인 클래스 단위로 차별화된 서비스를 제공하는 방식입니다.

IPv4 헤더에서는 TOS(Type of Service) 필드, IPv6 헤더에서는 Flow Label 필드에서 정의 가능합니다. PHB(Per Hop Behavior)에 따라 노드별로 우선순위 전송을 수행합니다.

1) 동작원리

Edge Router에서는 QoS정책에 따라 패킷 분류 및 마킹을 수행하여 내부라우터로 전송합니다.

패킷 분류는 TOS, Traffic Class 필드 또는 IP 주소, Port 번호 등 다양한 Factor를 가지고 수행합니다.

내부라우터는 경계라우터에서 마킹한 값을 참조하여 고속으로 우선순위 전송합니다. 입력되는 패킷은 라우터의 패킷입니다.

2) 서비스 유형

• Premium Service : IPTV, VOIP 등 실시간 멀티미디어 서비스 제공을 위해 고정대역폭 우선순위 전송
• Assured Service : 실시간 처리를 안 하지만 최저대역폭 보장

3) 비교

구 분	IntServ	DiffServ
QoS 제공단위	플로우별	클래스별(플로우 집합)
서비스 범위	종단간	DS도메인
사전자원할당	사전자원 할당	사전자원 미할당
패킷분류	모든 라우터	경계 라우터
적용규모	소규모망	대규모망

  * DiffServ는 라우터 세팅만으로 제공 가능하나 실제 QoS 적용 불가

  * IntServ는 라우터에 카드 추가 필요