오래된 SW 엔지니어의 평생 공부

TCP와 IP의 개요

• 인터넷의 중심은 TCP(전송 제어 프로토콜)와 IP(인터넷 프로토콜)로 이루어진다.
• TCP는 신뢰성을 보장하며, 데이터 전송 순서 확인, 데이터 재전송 등을 처리한다.
• TCP는 HTTP 표준의 기본 전송 프로토콜로 활용된다.

TCP의 핵심 메커니즘

3-Way 핸드셰이크:

• 연결 성립 전 클라이언트와 서버 간 초기화 절차.
• 왕복 레이턴시가 연결 성능에 영향을 미친다

느린 시작(Slow-Start):

• 새로운 연결에서 데이터 전송 속도를 점진적으로 증가시킨다.
• 초기 처리량이 제한되며, 대규모 데이터를 처리하는 경우 더 큰 영향을 미친다.

TCP Fast Open:

• 구글이 개발한 최적화 기법으로 초기 핸드셰이크 레이턴시를 줄인다.
• SYN 패킷에서 데이터 전송 가능
• HTTP 트랜잭션 속도를 약 10~40%까지 개선.

혼잡 제어(Congestion Control) vs 흐름 제어(Flow Control):

혼잡 회피(Congestion Avoidance) 

• 패킷 손실을 피드백으로 사용하여 혼잡 윈도를 패킷 손실이 발생할 때까지 증사 시킴
• 알고리즘 종류
  • TCP Tahoe and Reno (original implementations) (AIMD)
  • TCP Vegas
  • TCP New Reno
  • TCP BIC
  • TCP CUBIC (default on Linux) or Compound TCP (default on Windows)
    
    

웹 성능 최적화 방법

1. 서버 설정 최적화:
   • 최신 커널 업데이트 및 초기 혼잡 윈도 크기를 10으로 설정.
   • 느린 시작 재시작 기능 비활성화.
2. 네트워크 환경 개선:
   • 서버를 사용자와 가까운 위치에 배치.
   • 기존 TCP 연결을 최대한 재사용.
3. 데이터 전송 최적화:
   • 불필요한 데이터 전송 제거.
   • 전송 데이터를 압축하여 처리량 개선.

결론

TCP는 안정적이고 신뢰할 수 있는 프로토콜로 설계되었지만, 레이턴시가 주요 병목 요인이 될 수 있다. 이를 해결하기 위해 애플리케이션 설계와 서버 설정을 최적화하는 것이 중요하다.

참고 문헌

[1] 일리아 그리고릭, "구글 엔지니어에게 듣는 네트워킹과 웹 성능 최적화 기법", 정해권, 오현주 공역, 인사이트(insight)

[2] https://docs.google.com/presentation/d/1ZgF4MQ-7BBS92Zlz3mB52APRmyoSyaXprwltw5y3VJg/edit#slide=id.p9

[1]은 웹 성능 최적화에 이야기 하고 있지만, 네트워크를 사용한 성능과 관련된 이론적인 부분을 많이 다루고, 여러 프로토콜에 대해 설명도 잘 되어 있어, 살펴 보고자 한다. 네트워크 성능에 가장 기본적인 지연시간(Latency)와 대역폭(bandwidth, 혹은 troughput)에 대해 이야기 한다.

레이턴시와 대역폭:

레이턴시는 데이터가 출발지에서 도착지까지 이동하는 데 걸리는 시간이다. 대역폭은 네트워크 경로에서 전송 가능한 최대 데이터 용량을 나타낸다. 이 두 요소는 웹 성능 최적화의 핵심 요소로, 서로 상호작용하며 웹 애플리케이션의 속도에 영향을 미친다. 아래 그림에서 볼 수 있듯이 레이턴시는 송신단과 수신단의 거리, 대역폭은 가장 성능이 낮은 링크의 영향이 큰 것을 예상할 수 있다. 

레이턴시의 구성 요소:

• 전파 지연: 신호가 전송 매체를 통해 이동하는 데 걸리는 시간. 예를 들어 광섬유를 거치는 경우 빛의 속도.
• 전송 지연: 패킷이 링크를 통해 전송되는 시간. 전송할 데이터양과 연결하는 링크의 처리량에 따라 달라진다.
• 프로세싱 지연: 라우터 등이 패킷을 처리하는 데 걸리는 시간. 패킷 헤더의 정보를 처리하는데 필요한 시간.
• 큐잉 지연: 패킷이 처리 대기열에서 기다리는 시간. 

이러한 것들이 합쳐져 전체 지연 시간이 된다.

광섬유와 네트워크 속도:

광섬유는 네트워크의 핵심 전송 매체로, 높은 대역폭을 제공하며 장거리 데이터 전송에서 중요한 역할을 한다.
빛의 속도가 빠르지만, 현실적 제약으로 인해 이상적인 속도에 도달하기 어렵다. 네트워크는 기술 발전으로 대역폭은 점차 증가하고 있으나, 레이턴시는 물리적 한계로 인해 큰 개선이 어려운 상황이다. 이를 극복하기 위해 프로토콜 최적화 및 캐싱, 프리페칭 등의 기술을 활용해야 한다. 대표적으로 이러한 상황에서 최적화 전략으로 Content Delivery Network(CDN)와 같은 기술을 활용해 데이터 전송 거리와 레이턴시를 줄이는 방법을 사용하고 있다. 

라스트 마일

인터넷 트래픽의 대부분의 레이턴시는 대륙이나 바다를 건너는 메인 네트워크 구간이 아니라, 집이나 사무실에서 인터넷 서비스 프로바이더(ISP) 네트워크로 연결되는 마지막 구간(최종 몇 킬로미터)에서 발생한다. ISP의 연결 방식, 네트워크 토폴로지, 기술적 제한으로 인해 이 구간에서 지연이 크며, 네트워크 성능의 병목 현상이 자주 발생한다.

참고문서

[1] 일리아 그리고릭, "구글 엔지니어에게 듣는 네트워킹과 웹 성능 최적화 기법", 정해권, 오현주 공역, 인사이트(insight)

[2] https://docs.google.com/presentation/d/1ZgF4MQ-7BBS92Zlz3mB52APRmyoSyaXprwltw5y3VJg/edit#slide=id.p9