다중경로 라우팅(6) - Packet Reordering

"다중경로 라우팅(4) - 동일 목적지 예제"와 "다중경로 라우팅(5) - 다수 목적지 예제"에서 살펴본 것처럼, 트래픽 로드 밸런싱 효과는 Packet-Based 방식이 더 좋다. 하지만, 실제 통신망에서 Packet-Based 방식은 거의 사용되는지 않는데, 그 주된 이유는 Packet Reordering으로 인한 부작용 때문이다.
다음 그림은 Packet-Based 방식의 로드 밸런싱에서 발생하는 Packet Reordering 현상을 확인하기 위하여, "다중경로 라우팅(1) - ECMP"에서 사용한 시나리오를 수정하여 작성한 시험망의 구조를 나타낸 것이다. R1 <-> R2 링크의 delay는 50ms, R1 <-> R3 링크의 delay는 40ms로 설정하였으며, TCP 트래픽을 발생시키기
위하여 FTP를 사용하여 20MBytes 크기의 파일이 Client 노드에서 Server 노드로 전송되도록 설정해주었다.

 

다음 그림은 Destination-Based와 Packet-Based 방식을 적용하였을 때, Server 노드에 수신된 IP 패킷의 종단간 지연을 비교한 것이다. Destination-Based 방식에서는 약 51ms로 일정한 종단간 지연을 가지지만, Packet-Based 방식에서는 약 46ms ~ 47ms로 유동적인 지연을 가진다. 이러한 차이가 발생하는 이유는 Destination-Based 방식에서는 하나의 링크(R1 -> R3)로 모든 트래픽이 전달되지만, Packet-Based 방식에서는 지연이 다른 두 개의 링크(R1 -> R2, R1 -> R3)로 트래픽이 전달되기 때문이다.

 

Packet-Based 방식을 사용했을 때 상대적으로 작은 종단간 지연을 가지므로 성능면에서 더 유리할 것으로 생각할 수도 있지만, 다중 경로로 인해 종단간 지연이 유동적이라는 것은 실제로는 심각한 문제를 야기한다. 다중 경로로 인해 종단간 지연이 유동적이게 되면, 송신된 패킷의 순서가 뒤바껴서 수신(Packet Reordering)되는 현상이 발생한다. 이는 TCP 재전송을 유발시키며, 전체적인 TCP 전송 성능을 크게 떨어뜨리게 된다. 다음 그림은 Destination-Based와 Packet-Based 방식을 적용하였을 때, TCP 계층에서의 트래픽 전달 성능을 비교한 것이다. Destination-Based 방식에서의 전송 속도는 약 5.1Mbps(= 630 Kbytes/sec)인데 비해, Packet-Based 방식에서의 전송속도는 약 1Mbps(=125Kbytes/sec)로 Destination-Based 방식에서의 20% 수준밖에 되지 않는다.

 

Packet-Based 방식에서의 이렇게 낮은 전송 속도는 TCP 재전송에 의한 것임은 다음 그림처럼 송신측(이 예제에서는 Client 노드)의 TCP 재전송 횟수를 통해 확인할 수 있다. Destination-Based 방식에서는 재전송이 발생하지 않으므로 해당 결과가 관찰되지 않는다.

 

다음 그림은 FTP 계층에서 파일 전달을 수행하는데 걸린 시간을 비교한 것이다. Destination-Based 방식에서는 약 52초가 걸린데 비해, Packet-Based 방식에서는 약 181초로 훨씬 많은 시간이 소요되었음을 알 수 있다.