이동통신망 지연(Latency), 최저로 줄이는 기술
이동통신망 지연(Latency), 최저로 줄이는 기술
  • 함예솔
  • 승인 2018.12.07 08:15
  • 조회수 1025
  • 댓글 0
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좁은 도로에 한꺼번에 많은 자동차가 몰리면 교통이 마비됩니다. 통신 네트워크도 마찬가지인데요. 허용된 데이터 용량보다 많은 데이터가 몰리면 통신 지연(Latency)이 나타납니다. 이는 자율주행 자동차나 원격로봇, 원격 수술 등 5G 기반 인터넷 서비스에 치명적인 영향을 미치는데요. 이런 지연 현상을 최저로 줄일 수 있는 기술이 개발됐습니다. 

 

이동통신망, 지연 현상 사라지나. 출처: pixabay
이동통신망, 지연 현상 사라지나. 출처: pixabay

UNIST 전기전자컴퓨터공학부의 이경한 교수팀은 'ACM 코넥스트(CoNEXT)2018'에서 초저지연 전송 프로토콜, '엑셀(ExLL)'을 발표했습니다. 최고의 저지연 전송 프로토콜로 알려진 구글의 비비알(BBR)보다 뛰어난 성능으로 주목받았습니다. 프로토콜 성능 검증은 이동통신망 실험 설비를 보유한 미국 콜로라도대 하상태 교수팀과 협력해 국내외에서 진행했습니다. 

 

통신 지역은 네트워크에서 처리 가능한 양보다 많은 데이터가 주어질 때, 네트워크 내부에 처리되지 못한 데이터가 쌓이면서 데이터 전달이 늦어지는 현상입니다. 이를 '버퍼블로트(Bufferbloat)'라고도 부릅니다. 데이터 센터나 이동통신망에 버퍼블로트가 관찰되면, 패킷(Packet)들의 전송이 지연돼 데이터 교환의 효율성과 서비스 품질을 낮추게 됩니다. 

 

기존 인터넷 서버(TCP Cubic 구동)와 연동 가능한 무선 단말용 ExLL 설계도 . 출처: UNIST
기존 인터넷 서버(TCP Cubic 구동)와 연동 가능한 무선 단말용 ExLL 설계도. 출처: UNIST

이 문제를 해결하기 위한 기술이 '저지연 전송 프로토콜'입니다. 네트워크 상황을 파악해 데이터 전송량을 조절하면서 지연을 줄이는 방식입니다. 기존에는 주로 네트워크에서 처리 가능한 데이터 전송량(네트워크 대역폭)을 파악하기 위해 단위 시간마다 전송량을 증감시킴으로써 네트워크 상태를 탐색(Probing)하는 기법을 써왔습니다. 전송량 증감에 따라 지연 성능의 변화를 살피면서 데이터 전송량을 조절하는 것입니다. 하지만 구글의 BBR 마저도 네트워크가 허용하는 최대치 데이터를 보내면서(최대 전송률), 가장 덜 지연되는(최저 지연 선능) 이상적인 수준에는 접근하지 못했습니다. 

 

이번 연구의 1저자인 박신익 UNIST 컴퓨터공학과 석사 과정 연구원은 "기존 기법에서는 탐색 자체가 일으키는 비효율성 때문에 이상적인 성능을 달성하기 어려웠다"며 "이번 기술은 전송 프로토콜 변경이 쉽지 않은 서버들은 그대로 둔 채 스마트폰을 비롯한 이동통신 단말기의 전송 프로토콜만 바꿔서 문제를 해결했다"고 설명했습니다.

 

연구진은 효율적인 저지연 전송 프로토콜을 위해 '허용된 네트워크 용량'을 정교하게 파악하는 것에 집중했습니다. 이동통신 단말기에 허락된 네트워크 대역폭만큼만 데이터를 보내면 불필요하게 데이터가 쌓이지 않을 것으로 본 것입니다. 이를 위해 이동통신 단말기가 수신하는 패킷들의 패턴을 관찰해 이동통신망의 대역폭을 직접 추론하게 만들었습니다. 

(좌) 고정 단말로부터, (우)이동 단말로부터 측정된 지연 성능과 전송률 성능 (ExLL과 기존 프로토콜인 BBR, VERUS, Sprout, PropRate 비교). 출처: UNIST
(좌) 고정 단말로부터, (우)이동 단말로부터 측정된 지연 성능과 전송률 성능 (ExLL과 기존 프로토콜인 BBR, VERUS, Sprout, PropRate 비교). 출처: UNIST

또 다른 저자인 김준선 UNIST 컴퓨터공학과 박사과정 연구원은 "LTE 네트워크의 경우 1밀리초(ms) 당 전송받는 데이터 용량과 이 시간 동안 패킷이 도착하는 간격 등의 패턴이 다르다"며 "이는 기지국에서 할당해주는 자원과 채널 상황에 따라 달라지므로, 이를 분석하면 허용된 네트워크 용량을 알 수 있고, 관찰 시간 등을 달리하면 5G 네트워크에도 적용할 수 있다"고 설명했습니다.

 

허용된 네트워크 용량(기준)만 파악하면, 다음 단계는 쉽습니다. 이동통신 단말기는 직접 계산한 기준을 서버에 전달하고, 서버는 이를 이용해 이동통신 단말기의 데이터 전송량을 직접 제어합니다. 만약 현재 전송량이 허용된 네트워크 용량에 크게 미치지 못하면, 전송량을 빠르게 늘리고, 네트워크 용량에 거의 도달했다면 세밀하게 늘리며, 이 과정에서 지연 시간이 늘어나면 전송량을 줄이는 형태로 작동하는 것입니다.

 

이경한 교수는 "엑셀은 탐색 과정에서 비효율을 없애 초저지연 네트워킹을 구현할 수 있게 됐다"며 "현존하는 최저지연 전송 프로토콜로써 원격 수술과 원격 드론 제어, 5G 기반 자율주행 등에서 큰 역할을 할 것"이라고 기대했습니다. 

 

한편, 저지연 전송 프로토콜 연구는 2011년 버퍼블로트 개념이 정의된 후 꾸준히 발전해 구글의 BBR까지 이어졌습니다. 구글은 2016년부터 BBR을 리눅스의 전송 프로토콜 중 하나로 포함시켰고, 최근에는 구글 클라우드 플랫폼(GCP)에도 BBR을 추가했습니다. 이는 구글이 웹 전송 기술인 HTTP/2와 HTTP3 표준에 자체 개발 프로토콜(SPDY, QUID)를 차례롤 채택시킨 행보를 연상시킵니다.


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