3.7 TCP 혼잡 제어 - Computer Network

3.7 TCP 혼잡 제어

3.7.1 전통적인 TCP의 혼잡 제어

네트워크의 혼잡에 따라 연결에 트래픽을 보내는 전송률을 각 송신자가 제한하도록 한다.

1. TCP 송신자가 자신과 목적지 간의 경로에서 혼잡이 없음을 감지 → 송신율을 높인다.

2. TCP 송신자가 경로 사이에 혼잡을 감지 → 송신율을 줄인다.

1. TCP 송신자는 자신의 연결에 송신자 전송 트래픽 전송률을 어떻게 제한하는가?

💡 송신 측에서 동작하는 TCP 혼잡 제어 메커니즘은 추가적인 변수인 혼잡 윈도(congestion window)를 추적한다.

• cwnd로 표시

• TCP 송신자가 네트워크로 트래픽을 전송할 수 있는 속도에 제약을 가한다.

LastByteSent - LastByteAcked ≤ min{cwnd, rwnd}

2. TCP 송신자는 자신과 목적지 사이 경로의 혼잡을 어떻게 감지하는가?

1️⃣ 손실 이벤트(loss event)가 발생한 경우

1. 경로에 있는 하나 이상의 라우터 버퍼들이 오버플로되고

2. 그 결과 데이터그램이 버려진다.

3. 버려진 데이터그램은 송신 측에서 손실 이벤트를 발생시킨다.
(e.g., 타임아웃 또는 3개의 중복된 ACK의 수신)

2️⃣ 손실 이벤트가 발생하지 않은 경우

💡 자체 클로킹(self-clocking)

TCP는 확인응답을 혼잡 윈도 크기의 증가를 유발하는 트리거(trigger)또는 클록(clock)으로 사용한다.

• 확인응답이 늦은 속도로 도착한다면 → 혼잡 윈도는 상대적으로 낮은 속도로 증가

• 확인응답이 높은 속도로 도착한다면 → 혼잡 윈도는 더 빨리 증가

3. TCP 송신자는 송신율을 변화시키기 위해 어떤 알고리즘을 사용해야 하는가?

• TCP 송신자들이 너무 빠르게 송신하면 → 혼잡 붕괴가 나타날 것이다.

• TCP 송신자들이 너무 천천히 송신한다면 → 네트워크 내의 대역폭을 충분히 활용하지 못할 것이다.

1️⃣ TCP 전송률은 한 세그먼트를 손실했을 때 줄여야 한다.

• 타임아웃 이벤트

• 4개의 확인응답 수신 (하나의 원래의 ACK + 3개의 중복된 ACK)

2️⃣ 확인응답되지 않은 세그먼트에 대해 ACK가 도착하면 송신자의 전송률은 증가할 수 있다.

3️⃣ 대역폭 탐색

1. TCP 송신자로 하여금 손실 이벤트가 발생할 때까지는 ACK가 도착함에 따라 전송률을 증가시킨다.

2. 손실 이벤트가 발생한 시점에서 전송률을 줄인다.

1. TCP 송신자는 혼잡이 발생하는 시점까지 전송률을 증가시키고

2. 그 시점 이후로부터는 줄인 후,

3. 다시 혼잡 시작이 발생했는지를 보기 위한 탐색을 시작한다.

TCP 혼잡 제어 알고리즘(TCP congestion-control algorithm)

1. 슬로 스타트(slow start)

2. 혼잡 회피(congestion avoidance)

3. 빠른 회복(fast recovery) → 권고, 필수사항은 아니다.

TCP 혼잡 제어의 FSM

슬로 스타트(slow start)

1. TCP 연결 시작 시, cwnd의 값은 일반적으로 1 MSS로 초기화된다.
→ 초기 전송률은 대략 MSS/RTT

2. TCP 송신자에게 가용 대역폭은 MSS/RTT보다 훨씬 크기 때문에 TCP 송신자는 가용 대역폭 양을 조속히 찾고자 한다.

슬로 스타트 상태에서는 cwnd 값을 1 MSS에서 시작하여,

한 전송 세그먼트가 첫 번째로 확인응답을 받을 때마다 1 MSS 씩 증가한다.

슬로스타트의 종료 조건

1️⃣ 타임아웃으로 표시되는 손실 이벤트(혼잡)가 있을 경우

1. TCP 송신자는 cwnd 값을 1로 설정

2. 새로운 슬로 스타트를 시작한다.

2️⃣ cwnd 값이 ssthreah 값과 같을 경우

1. 슬로 스타트는 종료되고

2. TCP는 혼잡 회피 모드로 전환한다.

• ssthreah(slow start threshold, 슬로 스타트 임곗값)는 두 번째 상태 변수로, cwnd/2로 정한다.
(= 혼잡이 검출되었을 시점에서의 혼잡 윈도 값의 반)

• TCP는 혼잡 회피 모드에서는 cwnd를 좀 더 조심스럽게 증가시킨다.

3️⃣ 중복 ACK가 검출되는 경우

• TCP는 빠른 재전송을 수행하여 빠른 회복 상태로 들어간다.

혼잡 회피

혼잡 회피 상태에서 일반적으로 TCP는 RTT마다 하나의 MSS만큼 cwnd를 증가시킨다.

혼잡 회피 상태의 종료 조건

cwnd의 값은 1 MSS로 설정하고, ssthreash의 값은 손실 이벤트가 발생할 때의 cwnd 값의 반으로 설정한다.

1. 3개의 중복 ACK를 수신한 시점에서 cwnd의 값을 반으로 줄이고

2. ssthresh 값을 cwnd 값의 반으로 기록한다.

3. 이후 빠른 회복 상태로 들어간다.

빠른 회복

빠른 회복 상태에서는 cwnd 값을 손실된 세그먼트에 대해 수신된 모든 중복된 ACK에 대해 1 MSS 만큼씩 증가시킨다.

1. 손실된 세그먼트에 대한 ACK가 도착하면 TCP는 cwnd 혼잡 회피 상태로 들어간다.

2. 만약 타임아웃 이벤트가 발생한다면 빠른 회복은 슬로 스타트 및 혼잡 회피에서와 같은 동작을 수행한 후 슬로 스타트로 전이한다.

즉, cwnd 값은 1 MSS로 하고, ssthresh 값은 손실 이벤트가 발생할 때의 cwnd 값의 반으로 한다.

• TCP 타호(TCP Tahoe, 초기 TCP 버전)
: 타임아웃으로 표시되거나 3개의 중복 ACK로 표시되는 손실이 발생하면
1. 무조건 혼잡 윈도를 1 MSS로 줄이고
2. 슬로 스타드 단계로 들어간다.

• TCP 리노(TCP Reno, 새로운 TCP 버전)는 빠른 회복을 채택했다.

• TCP 리노
1. 혼잡 윈도가 9•MSS로 설정되고
2. 선형적으로 증가한다.

• TCP 타호
1. 혼잡 윈도는 1 MSS로 설정되고
2. ssthreash에 도달할 때까지 지수적으로 증가하며
3. 그 이후에는 선형적으로 증가한다.

TCP 혼잡 제어: 복습

• 연결이 시작되고 초기 슬로 스타트 기간을 무시하고,

• 손실이 타임아웃이 아니라 3개의 중복 ACK로 표신된다고 가정한다면,

💡 TCP의 혼잡 제어는

RTT마다 1 MSS씩 cwnd의 선형(가법적인) 증가와

3개의 중복 ACK 이벤트에서 cwnd의 절반화(승법적 감소)로 구성된다.

1. TCP는 3개의 중복 ACK 이벤트가 발생할 때까지 선형으로 그 혼잡 윈도 크기(결국 전송률)를 증가시킨다.

2. 그러고 나서는 혼잡 윈도 크기를 감소시키지만,

3. 다시 추가적인 가용 대역폭이 있는지를 탐색하기 위해 선형으로 증가시키기 시작한다.

TCP 큐빅(CUBIC)

패킷 손실이 발생한 혼잡한 링크의 상태가 많이 변경되지 않은 경우

전송 속도를 더 빠르게 높여 손실 전 전송 속도에 근접한 다음 대역폭을 신중하게 조사한다.

✅ 몇 가지 조율 가능한 큐빅 매개변수들이 프로토콜의 혼잡 윈도 크기가 얼마나 빨리 Wmax에 도달하는가(K)를 결정한다.

• Wmax : 손실이 마지막으로 감지되었을 때 TCP의 혼잡 제어 윈도 크기

• K 시각 : 손실이 없다고 가정할 때 TCP 큐빅의 윈도 크기가 다시 Wmax에 도달하는 미래 시점

✅ 큐빅은 혼잡 윈도를 현재 시각 t와 K 시각 사이 거리의 세제곱 함수로 증가시킨다.

1. 큐빅은 손실 전 속도인 Wmax에 가까워지도록 TCP의 전송 속도를 빠르게 증가시킨 다음,

2. Wmax에 가까워지면 대역폭을 조심스럽게 탐지한다.

✅ 손실을 유발한 링크의 수준이 크게 변경된 경우 큐빅이 새 작동 지점을 더 빨리 찾을 수 있다.

• t가 K에 가까울 때는 큐빅의 혼잡 윈도 증가가 작다.(이는 손실을 유발하는 링크의 혼잡 수준이 많이 변경되지 않은 경우 좋음)

• t가 K를 크게 초과함에 따라 혼잡 윈도가 급격히 증가한다.

3.7.2 네트워크 지원 명시적 혼잡 알림과 지연 기반 혼잡 제어

명시적 혼잡 알림(Explicit Congestion Notification, ECN)

💡 손실이 발생하기 전에 혼잡 시작을 송신자에게 알리기 위해 혼잡 알림 비트를 설정한다.

ECN 비트의 설정

• 송신자와 수신자가 ECN을 사용할 수 있다.

• 이에 따라 ECN으로 표시된 네트워크 혼잡에 대한 응답으로 조취할 수 있다.

과정

💡 혼잡해지는 라우터는 그 라우터에서 버퍼가 가득 차서 패킷들이 삭제되기 전에

송신자에게 혼잡 시작을 알리는 혼잡 알림 비트를 설정할 수 있다.

1. 수신 호스트의 TCP가 수신 데이터그램을 통해 ECN 혼잡 알림 표시를 수신하면,

2. 수신 호스트의 TCP는 수신자-송신자 TCP ACK 세그먼트의
ECE(Explicit Congestion Notification Echo, 명시적 혼잡 알림 에코) 비트를 설정하여
송신 호스트의 TCP에 혼잡 표시를 알린다.

3. TCP 송신자는 혼잡 윈도를 절반으로 줄여 혼잡 알림 표시가 있는 ACK에 반응하고,

4. 다음 전송되는 TCP 수신자 세그먼트 헤더에 CWR(Congestion Window Reduced) 비트를 1로 설정한다.

지연 기반 혼잡 제어

패킷 손실이 발생하기 전에 혼잡 시작을 사전에 감지

TCP 베가스(Vegas)는 TCP 송신자가 파이프를 가득 채우되 그 이상으로 채우지 않도록 해야 한다는 원칙하에 동작한다.

• TCP 베가스는 모든 확인응답된 패킷에 대한 출발지에서 목적지까지 경로의 RTT를 측정한다.

• RTTmin : 송신자에서 측정한 RTT 값 중 최솟값

• 실제 송신자가 측정한 처리량이 cwnd/RTTmin에 가깝다면
• 경로가 아직 정체되지 않았고,
• 따라서 TCP 전송 속도가 증가할 수 있다는 것이다.

• 실제 송신자가 측정한 처리량이 혼잡하지 않을 때의 처리율보다 현저히 낮다면
• 경로가 혼잡하고
• TCP 베가스 송신자는 전송 속도를 낮추게 된다.

3.7.3 공평성

각 연결의 평균 전송률이 R/K에 가깝다면 혼잡 제어는 메커니즘이 공평하다고 한다.

즉, 각 연결은 링크 대역폭을 동등하게 공유한다.

• 두 연결이 같은 MSS와 RTT를 가진다.→ 그들이 같은 혼잡 윈도우 크기를 갖는다면 같은 처리율을 가질 것이다.

• 송신할 많은 양의 데이터가 있다.

• TCP의 슬로 스타트 현상을 무시한다.

• TCP 연결이 언제나 혼잡 회피 방식으로 동작한다.

• 만약 TCP가 두 연결 사이에서 링크 대역폭을 똑같이 공유한다면,실제 처리율은 원점에서부터 발산하면서 45º 각도의 화살표(동등한 대역폭 공유)를 따라야 한다.

• 이상적으로는 두 처리율의 합이 R과 같아야 한다.

• 두 연결에 의해 공동으로 소비되는 링크 대역폭의 양이 R보다 적기 때문에
어떠한 손실도 발생하지 않을 것이다.

• 양 연결은 TCP 혼잡 회피 알고리즘의 결과로서 RTT당 1 MSS씩 이들의 윈도우를 증가시킬 것이다.

즉, 두 연결에 의해 실현되는 대역폭은 동등한 대역폭 공유선을 따라서 결국에는 변동하며

2차원 공간 어디에 있든지 간에 상관없이 수렴한다.

• 더 작은 RTT를 갖는 세션은 대역폭이 좀 더 빠르게 비워지므로 링크에서 가용한 대역폭을 점유할 수 있고,

• 그래서 큰 RTT를 갖는 연결보다 더 높은 처리율을 갖는다.

공평성과 UDP

공평성과 병렬 TCP 연결