QoS로 네트워크 트래픽의 우선순위와 품질을 설계하는 법

QoS가 필요한 지점

같은 네트워크를 음성, 비디오, 중요 데이터, 일반 데이터가 함께 사용하면 모든 패킷을 동일하게 처리하기 어렵다. QoS(Quality of Service)는 선택한 트래픽이나 애플리케이션에 우선순위를 부여하고, 서비스별로 다른 품질을 제공하는 네트워크 기술 체계다.

물리적 망을 계속 증설하기 어려운 상황에서 자원을 더 효율적으로 쓰는 방법이기도 하다. 사전에 정의한 우선순위에 따라 차등 서비스를 제공하는 것이 핵심이다.

품질을 판단하는 요소

대역폭은 특정 애플리케이션에 배정된 네트워크 자원의 양이다. QoS 설계에서는 다음 전송률 지표를 기준으로 할당 범위를 다룬다.

MinDR(Minimum Data Rate): 최소 보장 데이터 전송률
MaxDR(Maximum Data Rate): 최대 허용 데이터 전송률
PDR(Peak Data Rate): 최대 피크 데이터 전송률
SDR(Sustainable Data Rate): 지속 가능한 데이터 전송률

대역폭은 주로 큐잉(Queuing) 기법으로 제어한다.

지연은 서비스나 특정 처리를 기다리면서 발생한다. 패킷 처리에 걸리는 처리 지연(Processing Delay), 대기열에서 기다리는 큐잉 지연(Queuing Delay), 물리 매체로 내보내는 직렬화 지연(Serialization Delay), 신호가 매체를 통과하는 전파 지연(Propagation Delay)이 합쳐진다. 큐잉을 최적화하는 방식이 지연 제어에 사용된다.

지터는 전달 과정에서 원래 신호와 달라지는 정도이며, 지연 변동(Delay Variation)에서 비롯된다. 버퍼링과 큐잉 최적화가 제어 수단이다.

패킷 손실은 전달 중 패킷이 사라지는 정도를 뜻한다. 큐잉과 RED(Random Early Detection), WRED(Weighted RED)를 활용해 관리한다.

트래픽을 처리하는 QoS 메커니즘

큐잉 방식은 패킷을 어떤 순서와 비중으로 내보낼지 정한다. FIFO(First In First Out)는 선입선출 방식으로 단순하지만 우선순위를 구분하지 않는다. PQ(Priority Queuing)는 고우선순위 트래픽을 먼저 처리한다.

WRR(Weighted Round Robin)은 가중치를 둔 라운드 로빈 방식이며, WFQ(Weighted Fair Queuing)는 가중치 기반의 공정 큐잉이다. DRR(Deficit Round Robin)은 Deficit Counter와 Quantum을 사용해 라운드 로빈을 개선한 방식이고, CBQ(Class-Based Queuing)는 클래스를 기준으로 큐를 나눈다.

혼잡 제어에서는 RED가 혼잡이 생기기 전에 패킷을 임의로 폐기한다. WRED는 트래픽 우선순위에 따라 가중치를 적용한 RED 방식이다.

흐름 제어는 트래픽의 양과 속도를 조절한다. Leaky Bucket은 패킷 보관(Packet Hold) 방식이고, Token Bucket은 토큰 보관(Token Hold) 방식이다. 두 방식을 혼합한 Hybrid 구현도 가능하다.

수락 제어(Admission Control)는 전송할 트래픽의 종류를 선택해 네트워크 자원을 효율적으로 배분한다.

데이터 경로에서는 패킷 분류기(Classifier)가 트래픽을 구분하고, 표시기(Marker)가 QoS 정보를 표시한다. 미터(Meter)는 트래픽을 측정하며, 폐기 처리기(Dropper)는 패킷 폐기를 결정한다. 쉐이퍼(Shaper)는 트래픽 흐름을 조절한다.

자원 예약과 차등 처리를 선택하는 방식

IntServ(Integrated Services)는 서비스 클래스별 트래픽 플로우에 대해 사전 자원 예약을 수행해 품질을 보장한다. 서비스 클래스(Service Class)는 서비스 유형을 정의하고, 트래픽 디스크립터(Traffic Descriptor)는 트래픽 특성과 QoS 요구사항을 기술한다.

RSVP(Resource Reservation Protocol)는 자원 예약 시그널링을 담당한다. 수락 제어는 자원 예약 요청을 수락하거나 거절하고, 분류기는 패킷을 분류한다. 트래픽 제어는 계약 기준에 따라 policing, dropping, shaping을 수행하며, 스케줄러(Scheduler)는 요청된 서비스와 QoS에 맞춰 송출 순서를 결정한다. 다만 확장성 문제 때문에 대규모 네트워크에 적용하기 어렵다.

DiffServ(Differentiated Services)는 PHB(Per-Hop Behavior)와 Traffic Conditioning을 결합해 서비스 수준을 나눈다. IP 헤더의 DSCP(Differentiated Service Code Point) 값은 6비트이며, 입구 라우터(IR)에서 같은 DS를 부착한 패킷에는 동일한 전달 방식을 적용한다. 패킷 플로우를 군집화할 수 있고, 확장성이 높아 대규모 백본 네트워크에 적합하다.

MPLS(Multi Protocol Label Switching)는 라벨 기반 패킷 전달로 트래픽 엔지니어링을 수행한다. 패킷 분류와 전달을 분리하고 효율적인 경로 설정을 지원한다.

CDN(Content Delivery Network)은 콘텐츠를 사용자와 가까운 위치에 분산 배치해 지연을 줄인다. 대용량 미디어 콘텐츠 전송에 효과적이다.

백본과 소규모 망에서 IntServ·DiffServ를 연결하는 구조

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트래픽이 집중되는 백본에는 DiffServ를 주로 적용하고, 주변의 소규모 망에는 IntServ를 배치한 뒤 연동할 수 있다. ER(Edge Router)은 IntServ와 DiffServ 기능을 모두 수행할 수 있는 경계 라우터다.

품질 보장 외에 수행하는 일

QoS는 트래픽 분산과 처리 분석을 통해 서비스 품질을 개선하고, 실시간 트래픽과 비실시간 트래픽을 분리해 처리한다. 악성 트래픽 유형을 분석·식별하고 비정상 트래픽을 차단하거나 격리하는 보안 기능도 맡는다.

트래픽을 모니터링하고 분석해 네트워크 정책을 수립하며, 패턴 예측과 대응 전략 마련에도 활용한다. 대역폭 사용을 최적화하고 SLA(Service Level Agreement)를 보장하기 위한 품질 확보 메커니즘도 QoS 운용 범위에 속한다.

DSCP로 PHB를 선택하는 과정

PHB(Per-Hop Behavior)는 각 홉, 즉 라우터에서 패킷을 어떻게 처리할지 정하는 행동 양식이다. EF(Expedited Forwarding)는 낮은 손실, 지연, 지터를 보장한다. AF(Assured Forwarding)는 클래스별 차등 서비스를 제공하고, BE(Best Effort)는 기본 서비스 수준이다.

DSCP(Differentiated Service Code Point)는 IP 헤더 안의 6비트 필드로 QoS 클래스를 식별한다. 최대 64개(2^6)의 서비스 클래스를 정의할 수 있으며, 라우터는 패킷의 DSCP 값을 읽어 해당 PHB를 적용한다.

기업망에서 우선순위를 분류하는 예

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Voice Traffic은 EF PHB로 최고 우선순위를 적용한다. Video Traffic은 AF41 PHB로 두 번째 우선순위, Critical Data는 AF21 PHB로 세 번째 우선순위, Normal Data는 BE PHB로 최저 우선순위를 적용한다.

통신사 네트워크에서는 프리미엄 고객에게 전용 대역폭을 할당하고 우선 처리할 수 있으며, 일반 고객은 표준 SLA에 따라 처리한다. Edge 라우터에서 고객별 트래픽을 식별하고 DSCP를 마킹한 뒤, Core 라우터가 DSCP에 따른 PHB를 적용한다. 정체가 발생하면 저우선순위 트래픽을 먼저 제한한다.

QoS 설계에서 조합할 수 있는 기술

QoS는 제한된 네트워크 자원을 서비스 요구에 맞게 배분하는 기술이다. IntServ, DiffServ, MPLS 같은 메커니즘을 조합해 환경에 맞는 품질 보장 체계를 구성할 수 있다. 5G와 IoT처럼 새로운 네트워크 패러다임에서는 더 정교한 QoS 설계와 구현이 요구된다.