실시간 시스템에서 네트워크 프로토콜을 선택하는 것은 중요한 결정이다. 이 선택은 애플리케이션의 성능, 안정성, 지연 시간 등에 큰 영향을 미친다. 실시간 시스템에서 주로 사용되는 두 가지 주요 전송 계층 프로토콜은 UDP(User Datagram Protocol)와 TCP(Transmission Control Protocol)이다. 이 두 프로토콜은 각각의 특징과 장단점이 있으며, 실시간 처리가 필요한 시스템에서 어떻게 다른지 알아보겠다.

UDP (User Datagram Protocol)

UDP는 비연결성(Connectionless) 프로토콜로, 데이터그램이라고 불리는 개별 패킷을 독립적으로 전송한다. UDP의 주요 특징은 다음과 같다:

  1. 비연결성: UDP는 송신자와 수신자 간의 연결을 설정하지 않는다. 즉, 데이터를 전송하기 전에 핸드셰이크(handshake) 과정이 없다. 이는 연결 설정에 필요한 시간을 절약하게 해준다.

  2. 헤더 오버헤드가 적음: UDP 헤더는 8바이트로 고정되어 있으며, TCP보다 훨씬 적은 오버헤드를 가지고 있다. 이는 실시간 시스템에서 필요한 최소한의 지연을 제공하는 데 유리한다.

  3. 신뢰성 보장 없음: UDP는 패킷 전달의 신뢰성을 보장하지 않는다. 즉, 패킷이 유실되거나 순서가 뒤바뀌어 도착해도 이를 복구하기 위한 메커니즘이 없다.

  4. 빠른 전송 속도: 신뢰성 메커니즘이 없기 때문에, 데이터 전송이 빠르고 지연 시간이 적다. 이는 지연이 중요한 실시간 애플리케이션에서 매우 유리할 수 있다.

수식으로 표현하면, UDP를 통한 데이터 전송의 총 지연 시간 T_{\text{UDP}}는 다음과 같이 나타낼 수 있다:

T_{\text{UDP}} = T_{\text{transmission}} + T_{\text{propagation}} + T_{\text{processing}}

여기서: - T_{\text{transmission}}은 전송 지연이다. - T_{\text{propagation}}은 전파 지연이다. - T_{\text{processing}}은 수신 측에서의 처리 지연이다.

UDP에서는 T_{\text{retransmission}}이라는 재전송 지연이 없으므로, 전송 속도가 매우 빠를 수 있다.

TCP (Transmission Control Protocol)

TCP는 연결지향(Connection-oriented) 프로토콜로, 데이터 전송 전에 송신자와 수신자 간의 연결을 설정한다. TCP의 주요 특징은 다음과 같다:

  1. 연결 설정: TCP는 데이터 전송 전에 삼중 핸드셰이크(Three-way Handshake)를 통해 연결을 설정한다. 이 과정은 신뢰성을 제공하지만 초기 지연을 증가시킨다.

  2. 신뢰성 보장: TCP는 패킷이 손실되거나 순서가 뒤바뀌는 것을 방지한다. 각 패킷은 송신자가 확인 응답(ACK)을 받을 때까지 전송을 계속한다. 손실된 패킷은 재전송된다.

  3. 흐름 제어 및 혼잡 제어: TCP는 네트워크의 상태에 따라 데이터 전송 속도를 조절한다. 이는 네트워크 혼잡을 방지하는 데 유리하지만, 실시간 애플리케이션에서는 가변적인 지연을 초래할 수 있다.

  4. 오버헤드가 큼: TCP는 신뢰성과 흐름 제어를 위해 추가적인 오버헤드를 필요로 한다. 이로 인해 헤더 크기가 증가하고, 지연 시간이 더 길어질 수 있다.

TCP를 통한 데이터 전송의 총 지연 시간 T_{\text{TCP}}는 다음과 같이 나타낼 수 있다:

T_{\text{TCP}} = T_{\text{transmission}} + T_{\text{propagation}} + T_{\text{processing}} + T_{\text{retransmission}} + T_{\text{ack}}

여기서: - T_{\text{retransmission}}은 손실된 패킷의 재전송 지연이다. - T_{\text{ack}}은 확인 응답(ACK)을 기다리는 지연 시간이다.

이 식에서 T_{\text{retransmission}}과 T_{\text{ack}}이 추가되므로, TCP는 UDP보다 지연 시간이 길어질 수 있다.

우선순위 큐잉(priority queuing)은 트래픽의 우선순위에 따라 큐에서 처리되는 순서를 결정한다. 일반적으로 실시간 트래픽은 가장 높은 우선순위를 부여받아 즉시 처리되며, 다른 트래픽은 낮은 우선순위 큐에 할당된다.

\text{Total Latency} = \text{Processing Delay} + \sum_{i=1}^{n} \text{Queue Delay}_i

여기서 \text{Queue Delay}_i는 각 우선순위 큐에서 발생하는 지연을 나타낸다.

5.3 트래픽 셰이핑과 폴리싱

QoS 설정에서 트래픽 셰이핑과 폴리싱은 네트워크 성능을 최적화하는 데 중요한 역할을 한다.

6. 실시간 네트워크 모니터링

실시간 네트워크에서는 지속적인 모니터링이 필수적이다. 모니터링 도구는 네트워크 성능을 분석하고, 지연이나 패킷 손실과 같은 문제를 조기에 감지하여 해결할 수 있도록 도와준다.

6.1 네트워크 성능 모니터링 도구

다양한 도구가 실시간 네트워크 성능 모니터링을 위해 사용된다. 대표적인 도구는 다음과 같다.

6.2 네트워크 성능 분석

네트워크 성능 분석은 주기적인 트래픽 패턴을 파악하고, 네트워크 대역폭, 지연, 지터, 패킷 손실률 등을 평가하는 데 중점을 둔다. 실시간 애플리케이션의 특성을 고려하여 이 지표들이 요구 사항을 충족하는지 지속적으로 검토해야 한다.

7. 실시간 네트워크 설정의 예

실시간 네트워크 설정은 다양한 시나리오에 따라 달라질 수 있다. 아래는 몇 가지 대표적인 실시간 네트워크 설정 예이다.

7.1 산업 자동화 네트워크

산업 자동화에서는 EtherCAT과 같은 실시간 이더넷 프로토콜을 사용하는 네트워크 설정이 일반적이다. 이 설정에서는 각 노드가 고정된 시간에 데이터를 전송하며, 지연과 지터가 최소화된다.

7.2 미디어 스트리밍 네트워크

미디어 스트리밍에서는 QoS를 통해 오디오 및 비디오 스트림에 높은 우선순위를 부여하고, UDP 프로토콜을 사용하여 낮은 지연과 높은 전송 속도를 보장한다.

이와 같은 설정을 통해 실시간 네트워크에서의 효율적이고 안정적인 통신이 가능해진다.