# Priority Queuing (우선순위 큐잉)

## 1. 개요
**Priority Queuing(PQ, 우선순위 큐잉)**은 네트워크 장비의 출력 인터페이스에서 패킷을 전송할 때, 트래픽의 중요도에 따라 우선순위를 부여하고 높은 순위의 패킷을 먼저 처리하는 QoS(Quality of Service, 서비스 품질) 스케줄링 메커니즘이다.

일반적인 **FIFO(First-In, First-Out)** 방식은 도착한 순서대로 패킷을 처리하므로, 대용량 데이터 전송(FTP 등)이 발생할 경우 실시간성이 중요한 음성이나 영상 패킷이 뒤로 밀려 지연(Latency) 및 지터(Jitter)가 발생하는 문제가 있다. PQ는 이를 해결하기 위해 트래픽을 여러 개의 논리적 큐로 분리하여 관리한다.

## 2. 동작 원리

### 2.1 패킷 분류 (Classification)
패킷이 큐에 진입하기 전, 장비는 패킷 헤더의 특정 필드를 확인하여 어떤 우선순위 큐에 배치할지 결정한다. 주요 분류 기준은 다음과 같다.

*   **CoS (Class of Service):** OSI 2계층(데이터 링크 계층)의 802.1p 표준에서 정의하며, VLAN 태그 내의 3비트 필드를 사용하여 0~7단계의 우선순위를 부여한다. 주로 스위치 환경에서 사용된다.
*   **DSCP (Differentiated Services Code Point):** OSI 3계층(네트워크 계층) IP 헤더의 ToS(Type of Service) 필드 중 6비트를 사용하여 총 64단계의 세분화된 우선순위를 부여한다. 라우터 간 홉-바이-홉(Hop-by-Hop) 전송 시 유지되므로 더 정밀한 제어가 가능하다.

### 2.2 스케줄링 메커니즘
PQ는 엄격한 우선순위(Strict Priority) 방식을 따른다. 스케줄러는 항상 가장 높은 우선순위의 큐부터 확인하며, 해당 큐에 패킷이 하나라도 남아 있다면 하위 큐의 패킷은 절대 처리되지 않는다.

이때 PQ는 **비선점형(Non-preemptive)** 특성을 가진다. 즉, 현재 인터페이스를 통해 전송 중인 패킷을 중간에 강제로 중단시키고 새 패킷을 보내는 것이 아니라, 현재 전송 중인 패킷의 전송이 완전히 끝난 후 다음으로 전송할 패킷을 선택하는 시점에 최상위 큐를 확인하여 결정한다.

**[우선순위 등급별 처리 예시]**

| 큐 등급 | 트래픽 유형 | 매칭 기준 (예시) | 처리 우선순위 | 비고 |
| :--- | :--- | :--- | :--- | :--- |
| High | VoIP, 제어 신호 | DSCP EF (Expedited Forwarding) | 1순위 | 최우선 처리 |
| Medium | 화상 회의, 스트리밍 | DSCP AF (Assured Forwarding) | 2순위 | High 큐가 비었을 때 처리 |
| Normal | 일반 웹 트래픽 (HTTP) | DSCP Default | 3순위 | Medium 큐가 비었을 때 처리 |
| Low | 백업, FTP, 이메일 | DSCP CS1 (Bulk) | 4순위 | 모든 상위 큐가 비었을 때 처리 |

### 2.3 큐잉 동작 과정 (Sequence)
```mermaid
sequenceDiagram
    participant P as Incoming Packet
    participant C as Classifier (분류기)
    participant Q as Priority Queues (High/Med/Low)
    participant S as Scheduler (스케줄러)
    participant I as Output Interface

    P->>C: 패킷 도착 (DSCP/CoS 확인)
    C->>Q: 우선순위에 맞는 큐에 할당
    loop Scheduling Cycle
        S->>Q: High 큐에 패킷이 있는가?
        alt Yes
            Q->>S: High 패킷 전달
            S->>I: 패킷 전송
        else No
            S->>Q: Medium 큐에 패킷이 있는가?
            alt Yes
                Q->>S: Medium 패킷 전달
                S->>I: 패킷 전송
            else No
                S->>Q: Low 큐 확인 및 전송
            end
        end
    end
```

## 3. 주요 특징 및 장단점

### 3.1 장점
*   **지연 시간 최소화:** 실시간 트래픽(Voice, Video)에 대해 최단 경로의 처리 시간을 보장하여 끊김 없는 통신을 가능하게 한다.
*   **설정의 단순성:** 우선순위 계층만 정의하면 되므로 구현 및 관리가 직관적이다.

### 3.2 단점 및 위험성
*   **기아 현상 (Starvation):** 상위 우선순위 큐에 트래픽이 지속적으로 유입될 경우, 하위 큐의 패킷은 전송 기회를 얻지 못하고 큐에 쌓이다가 결국 버려지는(Drop) 현상이 발생한다.
*   **대역폭 불균형:** 특정 서비스가 전체 대역폭을 독점할 수 있어 네트워크 자원의 효율적 분배가 어렵다.

**[기아 현상(Starvation) 묘사]**
```mermaid
graph TD
    subgraph Traffic_Input [Traffic Inflow]
        H_In[High Priority Traffic: Continuous] --> H_Queue
        M_In[Medium Priority Traffic] --> M_Queue
        L_In[Low Priority Traffic] --> L_Queue
    end

    subgraph Scheduler [Strict Priority Scheduler]
        H_Queue -->|Always Checked First| Out[Output Interface]
        M_Queue -.->|Wait until High is Empty| Out
        L_Queue -.->|Wait until High & Med are Empty| Out
    end

    H_Queue -->|Processed| Out
    M_Queue -->|Accumulated/Dropped| Drop[Packet Drop]
    L_Queue -->|Accumulated/Dropped| Drop
    
    style H_Queue fill:#f96,stroke:#333
    style M_Queue fill:#fff,stroke:#333
    style L_Queue fill:#fff,stroke:#333
    style Drop fill:#ffcccc,stroke:#f00
```

## 4. 기아 현상 해결을 위한 보완책
PQ의 치명적인 단점인 기아 현상을 방지하기 위해 실제 환경에서는 다음과 같은 보완 기법을 함께 사용한다.

1.  **폴리싱 (Policing):** 고우선순위 큐에 진입하는 트래픽의 양을 제한(Rate Limit)한다. 예를 들어, VoIP 트래픽이 전체 대역폭의 30%를 초과하면 강제로 드롭하거나 우선순위를 낮추어 하위 큐의 전송 기회를 보장한다.
2.  **쉐이핑 (Shaping):** 트래픽의 전송 속도를 일정하게 유지하여 일시적인 버스트(Burst) 트래픽이 하위 큐를 완전히 차단하는 것을 방지한다.
3.  **LLQ (Low Latency Queuing) 도입:** $\text{LLQ} = \text{PQ} + \text{CBWFQ}$ 형태로 정의된다. 특정 큐(Priority Queue)에만 PQ를 적용하고 나머지는 가중치 기반(CBWFQ)으로 처리한다. 특히 LLQ의 Priority Queue에는 **'Implicit Policing(암묵적 폴리싱)'**이 포함되어 있어, 우선순위 트래픽이 설정된 대역폭 상한선을 초과할 경우 이를 제한함으로써 하위 큐의 기아 현상을 원천적으로 방지한다.

## 5. 설정 및 구현 예시 (Cisco IOS 기준)

네트워크 장비에서 PQ를 구현하기 위해서는 `Class-Map`으로 트래픽을 분류하고, `Policy-Map`에서 우선순위를 지정하는 논리적 단계를 거친다.

**[설정 단계]**
1. 트래픽 분류: `Class-Map` 생성
2. 정책 정의: `Policy-Map` 생성 및 `priority` 지정
3. 인터페이스 적용: `Service-policy` 적용

**[CLI 설정 스크립트 예시]**
```bash
# 1. 트래픽 분류: DSCP EF(음성)와 AF41(비디오) 분류
class-map match-all VOICE-TRAFFIC
 match dscp ef
class-map match-all VIDEO-TRAFFIC
 match dscp af41

# 2. 정책 정의: 우선순위 및 대역폭 할당
policy-map QOS-POLICY
 class VOICE-TRAFFIC
  priority 256  # PQ 적용, 최대 256kbps까지 우선 처리 및 폴리싱
 class VIDEO-TRAFFIC
  bandwidth 512 # 최소 대역폭 보장 (CBWFQ 방식)
 class class-default
  fair-queue    # 나머지 트래픽은 공평하게 분배

# 3. 인터페이스 적용
interface GigabitEthernet0/1
 service-policy output QOS-POLICY
```

## 6. 다른 큐잉 알고리즘과의 비교

### 6.1 일반 큐잉 알고리즘 비교
| 비교 항목 | Priority Queuing (PQ) | Weighted Fair Queuing (WFQ) | Class-Based WFQ (CBWFQ) |
| :--- | :--- | :--- | :--- |
| **처리 방식** | 엄격한 우선순위 기반 | 흐름(Flow)별 가중치 기반 | 클래스별 대역폭 할당 기반 |
| **지연 시간** | 최상위 큐에 대해 매우 낮음 | 평균적으로 낮음 | 클래스 설정에 따라 다름 |
| **기아 현상** | 발생 가능성 매우 높음 | 거의 발생하지 않음 | 발생하지 않음 |
| **주요 목적** | 실시간 트래픽 절대 보장 | 일반 트래픽의 공평한 분배 | 서비스별 대역폭 차등 보장 |
| **복잡도** | 낮음 | 낮음 (자동 설정) | 중간 (클래스 정의 필요) |

### 6.2 LLQ vs CBWFQ 비교
| 비교 항목 | CBWFQ | LLQ (Low Latency Queuing) |
| :--- | :--- | :--- |
| **핵심 메커니즘** | 가중치 기반 대역폭 보장 | PQ(Strict Priority) + CBWFQ |
| **실시간성 보장** | 보장하지 않음 (지연 발생 가능) | 최우선 큐를 통해 지연 최소화 보장 |
| **트래픽 제어** | 설정된 대역폭 내에서 처리 | Priority 큐에 대해 암묵적 폴리싱 수행 |
| **적합한 트래픽** | HTTP, FTP, 일반 데이터 | VoIP, 화상회의 등 실시간 트래픽 |

## 7. 활용 사례

*   **VoIP (Internet Protocol Telephony):** 음성 패킷은 매우 작은 크기지만 지연에 극도로 민감하다. PQ를 통해 음성 패킷을 최우선 처리함으로써 통화 품질 저하(끊김, 밀림)를 방지한다.
*   **화상 회의 (Video Conferencing):** 실시간 영상 스트리밍은 대역폭 요구량이 많으면서도 지연 시간이 짧아야 한다. PQ 또는 LLQ를 통해 고우선순위를 부여하여 끊김 없는 화면을 제공한다.
*   **기업 핵심 업무 시스템 (Mission-Critical Apps):** ERP, 금융 거래 시스템 등 비즈니스에 치명적인 영향을 주는 트래픽을 일반 인터넷 서핑 트래픽보다 우선 처리하여 업무 연속성을 보장한다.