네트워크 성능과 최적화 (2) - TCP 혼잡 제어 심화 - soo:bak

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혼잡 제어 알고리즘은 어떻게 발전했는가

Part 1에서 지연의 구성 요소를 살펴보았습니다.

큐잉 지연은 네트워크 혼잡 시 급격히 증가하며, TCP의 혼잡 제어(Congestion Control)가 이 문제를 다룹니다.

혼잡 붕괴 (Congestion Collapse)

1986년 인터넷 위기

1986년, 인터넷에 심각한 문제가 발생했습니다.


LBL(Lawrence Berkeley Laboratory)과 UC Berkeley 사이의 링크:

  • 용량: 32 Kbps
  • 실제 처리량: 40 bps (1000배 감소!)


원인: 혼잡 붕괴(Congestion Collapse)


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혼잡 붕괴의 악순환:
1. 네트워크 혼잡 → 패킷 손실
2. 패킷 손실 → 재전송
3. 재전송 → 더 많은 트래픽
4. 더 많은 트래픽 → 더 심한 혼잡
5. 반복...


Jacobson의 해결책

Van Jacobson이 1988년 혼잡 제어 알고리즘을 발표했습니다.

“Congestion Avoidance and Control” 논문.


이 알고리즘이 현대 TCP 혼잡 제어의 토대입니다.

전통적 혼잡 제어

Slow Start

연결 시작 시 네트워크 용량을 탐색합니다.


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cwnd: 혼잡 윈도우 (Congestion Window)

시작: cwnd = 1 MSS (Maximum Segment Size)
ACK 수신마다: cwnd = cwnd + 1 MSS

RTT 1: 1 패킷 전송 → 1 ACK → cwnd = 2
RTT 2: 2 패킷 전송 → 2 ACK → cwnd = 4
RTT 3: 4 패킷 전송 → 4 ACK → cwnd = 8
...


지수적 증가입니다.

“Slow” Start라는 이름이지만 실제로는 빠르게 증가합니다.


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cwnd
 │              ssthresh
 │                 │
 │                 │    ┌─ Congestion Avoidance
 │                 │   /   (선형 증가)
 │                 │  /
 │                 │ /
 │            ┌───┼/
 │           /    │
 │          /     │
 │         /      │
 │        / Slow Start
 │       /  (지수적 증가)
 │______/
 └────────────────────── 시간


ssthresh(Slow Start Threshold)에 도달하면 Congestion Avoidance로 전환합니다.


Congestion Avoidance

ssthresh 이후에는 선형 증가합니다.


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RTT마다: cwnd = cwnd + 1/cwnd (약 1 MSS/RTT)


천천히 증가하면서 혼잡을 조심합니다.


AIMD (Additive Increase, Multiplicative Decrease)

  • Additive Increase: 혼잡이 없으면 선형 증가
  • Multiplicative Decrease: 패킷 손실 시 절반으로 감소


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cwnd
 │
 │    /\        /\        /\
 │   /  \      /  \      /  \
 │  /    \    /    \    /    \
 │ /      \  /      \  /      \
 │/        \/        \/        \
 └─────────────────────────────── 시간
          손실    손실    손실


톱니 모양의 패턴이 특징입니다.

손실 기반 알고리즘

TCP Reno

가장 전통적인 혼잡 제어입니다.


Fast Retransmit:

  • 3개의 중복 ACK 수신 시 즉시 재전송
  • 타임아웃을 기다리지 않음


Fast Recovery:

  • 3 중복 ACK: cwnd = cwnd/2, ssthresh = cwnd
  • Slow Start로 돌아가지 않고 Congestion Avoidance 유지


TCP NewReno

Reno의 개선 버전으로, 여러 패킷 손실 시 더 나은 복구 성능을 보여줍니다.


CUBIC (Linux 기본)

Linux의 기본 혼잡 제어 알고리즘입니다.


CUBIC의 아이디어:

  • 윈도우 크기를 3차 함수(cubic function)로 조절
  • 손실 직전 윈도우 크기를 목표로


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W(t) = C(t - K)³ + Wmax

Wmax: 손실 직전 윈도우
K: 원점으로부터의 시간
C: 상수



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cwnd
 │            Wmax
 │         ──────────────
 │        /              \
 │       /                \
 │      /                  \
 │     │                    │
 │     │                    │
 │    /                      \
 │   │                        │
 │  /                          \
 │_/                            \_
 └────────────────────────────────── 시간
             손실 발생


특징:

  • 손실 전 윈도우에 빠르게 접근
  • 그 근처에서 천천히 탐색
  • 고대역폭 환경에 적합

손실 기반의 한계

“손실 = 혼잡” 가정의 문제:


  1. 버퍼가 가득 찬 후에야 손실 발생
    • 이미 큰 지연이 발생한 상태


  1. 무선 환경에서 손실은 혼잡 때문이 아닐 수 있음
    • 전파 간섭, 신호 감쇠
    • 불필요한 속도 감소


  1. 버퍼블로트
    • 큰 버퍼 = 늦은 손실 감지 = 큰 지연

지연 기반 알고리즘

TCP Vegas

RTT 변화를 혼잡의 신호로 사용합니다.


아이디어:

  • 혼잡이 없으면 RTT가 일정 (BaseRTT)
  • 큐잉이 시작되면 RTT 증가
  • RTT 증가 = 혼잡 시작 (손실 전에 감지!)


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Expected = cwnd / BaseRTT
Actual = cwnd / RTT

Diff = Expected - Actual

Diff > β: cwnd 감소
Diff < α: cwnd 증가
α < Diff < β: 유지


Vegas의 문제

손실 기반 알고리즘과 공존하기 어렵습니다.


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Vegas vs CUBIC 경쟁:
- Vegas: RTT 증가 감지 → 속도 줄임
- CUBIC: 아직 손실 없음 → 속도 유지/증가
- 결과: CUBIC이 대역폭 대부분 차지


보수적인 Vegas가 손해를 봅니다.

BBR (Bottleneck Bandwidth and RTT)

Google이 2016년에 발표한 혼잡 제어 알고리즘입니다.


BBR의 접근

손실에 반응하지 않고, 대신 병목 대역폭과 최소 RTT를 직접 측정합니다.


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목표: BDP에 맞는 전송률 유지

Delivery Rate = 전송된 데이터 / ACK 간격
BtlBw = max(Delivery Rate)  # 병목 대역폭
RTprop = min(RTT)           # 최소 RTT (전파 지연)

최적 cwnd ≈ BtlBw × RTprop


BBR의 동작 단계

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┌─────────────────────────────────────────────────────────────┐
│                        BBR 상태 기계                        │
│                                                             │
│   ┌──────────┐      ┌──────────┐      ┌──────────┐         │
│   │ STARTUP  │ ───► │  DRAIN   │ ───► │ PROBE_BW │         │
│   │ (탐색)   │      │ (배수)   │      │ (유지)   │         │
│   └──────────┘      └──────────┘      └──────────┘         │
│                                              │              │
│                                              ▼              │
│                                        ┌──────────┐         │
│                                        │PROBE_RTT │         │
│                                        │(RTT 측정)│         │
│                                        └──────────┘         │
│                                                             │
└─────────────────────────────────────────────────────────────┘


  1. STARTUP: 대역폭 빠르게 탐색 (지수 증가)
  2. DRAIN: 쌓인 큐 비우기
  3. PROBE_BW: 대역폭 유지하며 작은 변동으로 탐색
  4. PROBE_RTT: 주기적으로 RTT 재측정


BBR의 장단점

장점:

  • 버퍼블로트 방지 (큐를 채우지 않음)
  • 손실에 덜 민감
  • 위성/장거리 링크에서 우수한 성능


단점:

  • CUBIC과 공존 시 불공정할 수 있음
  • 얕은 버퍼에서 문제 가능
  • 아직 발전 중 (BBRv2, BBRv3)

혼잡 제어 선택

시나리오별 추천

데이터센터 내부:

  • 낮은 RTT, 낮은 손실
  • CUBIC 또는 DCTCP


장거리/위성:

  • 높은 RTT, 큰 BDP
  • BBR 또는 Hybla


모바일/무선:

  • 가변 손실, 가변 대역폭
  • BBR (손실에 덜 민감)


일반 인터넷:

  • CUBIC (기본값으로 무난)
  • BBR (실험적)


Linux에서 확인/변경

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# 현재 알고리즘 확인
cat /proc/sys/net/ipv4/tcp_congestion_control
# cubic

# 사용 가능한 알고리즘
cat /proc/sys/net/ipv4/tcp_available_congestion_control
# reno cubic

# BBR 활성화
sudo modprobe tcp_bbr
echo "bbr" | sudo tee /proc/sys/net/ipv4/tcp_congestion_control

정리: 완벽한 알고리즘은 없다

혼잡 제어의 발전:


세대 알고리즘 접근 방식 특징
1세대 Tahoe, Reno 손실 기반 단순, 느린 복구
2세대 NewReno, CUBIC 개선된 손실 기반 빠른 복구, 고대역폭
3세대 Vegas 지연 기반 버퍼블로트 방지, 공존 문제
4세대 BBR 모델 기반 대역폭/RTT 측정, 실험적


각 알고리즘은 특정 가정과 트레이드오프를 갖고 있으며, 모든 상황에 완벽한 알고리즘은 없습니다.


Part 3에서는 애플리케이션 레벨에서의 네트워크 최적화를 다룹니다.

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Tags: BBR, CUBIC, TCP, 네트워크, 성능, 혼잡제어

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