네트워크 혼잡제어의 원리

혼잡의 원인과 비용

네트워크에 혼잡이 발생하게되면 어떤 일이 벌어지는 지를 시나리오 별로 살펴본다.

 

시나리오 1

• 단일 라우터
• 라우터 버퍼 크기는 무한 (패킷이 버려지지 않음)
• 재전송, 흐름 제어, 혼잡 제어를 수행하지 않는다.
• 2개의 송신자 2개의 수신자

 

 

단일 라우터를 공유하는 4개의 호스트가 존재한다.

 

이 때 송신자(Host A,B)는 링크 용량의 절반인 R/2 아래로 전송하면 수신률은 좌측 그림처럼 선형 증가한다.

 

R/2를 초과하게되면 라우터의 버퍼는 무한하기에 패킷은 버려지지 않고 딱 R/2만큼 전송된다.

 

하지만 전송률이 아닌 지연의 관점에선 R/2에 근접할 수록 지연은 무한대가 된다.

 

여기서 지연은 큐잉 지연을 뜻한다. 예를 들어 버퍼에 10개의 패킷이 도착한 경우 첫 패킷은 지연없이 바로 전송되지만 뒤 이은 패킷들은 자신의 순서를 기다려야한다.

 

시나리오 2

• 단일 라우터
• 라우터 버퍼크기는 유한 (버퍼가 가득 차면 패킷은 버려진다)
• 송신자는 재선송 한다

이제 버퍼가 유한하기에 패킷은 버려질 수 있고 그에 따라서 송신자는 재전송을 하게 된다.

 

이런 경우 송신 이라는 의미를 잘 정의해야한다. 첫 째로 재전송이 아닌 처음 보내는 데이터, 둘 째로 재전송을 포함하는 데이터 둘로 나눠 생각해야한다.

 

송신자가 라우터 버퍼의 상태를 알 수 있는 경우

비현실적이지만 송신자가 버퍼 상태를 알 수 있다면 패킷이 버려질 상태에 놓여있다면 아예 전송을 하지 않을 수 있다.

 

이 경우 위 그래프와 같이 전송률이 정해진다. 송신측은 R/2를 초과해서 보내지 않는다. (시나리오1과 다른 점임)

 

송신자가 패킷이 손실된 것을 알았을 경우에 재전송

이제 좀 더 현실적으로 패킷은 손실 될 수 있고 그 손실을 알았을 경우 재전송하는 경우다.

 

 

패킷이 손실된다면 송신자는 재전송하게 되므로 사실상 중복된 전송에 속한다.

 

예를 들어 10개의 패킷(람다 in)을 보내야하는데 4개의 패킷이 손실 됐다면 총 14개의 패킷(람다 다시 in)을 전송해야하는 것이고 이는 네트워크를 10번 탈 일을 14번 타게 만든다는 것이고 4번의 추가적인 재전송이 바로 손실이라 보는 것이다.

 

즉 재전송은 네트워크 혼잡의 비용이다.

 

타임아웃 이후에 패킷이 도달한 경우

 

 

네트워크 상에서 패킷이 유실되진 않았지만 수신자 측에 너무 늦게 도달해 송신자가 재전송해야하는 경우다.

 

바로 위 단락에서 설명한 재전송은 네트워크 혼잡 비용이긴 하나 사실상 신뢰성 있는 전송을 위한 필요한 재전송이다.

 

하지만 위 그림의 경우엔 패킷이 정상적으로 도착했으나 너무 늦게 도착해서 송신자가 재전송 해야하기 때문에 네트워크 링크를 불필요하게 한 번 더 이용해야하는 셈이다.

 

이것 또한 네트워크 혼잡의 비용에 해당한다.

 

시나리오 3

조금 더 복잡한 예시이나 어렵지 않다.

 

A->C로 가는 트래픽과 B->D로 가는 트래픽은 하나의 라우터를 공유하게 된다.

 

즉 A->C, B->D의 트래픽은 하나의 라우터를 놓고 경쟁상태에 놓이게 되는데 B->D 트래픽이 급증했다고 가정해보자.

 

공유하는 라우터의 링크 용량이 R일때 B->D가 대부분의 용량을 점유한다면 그만큼 A->C 트래픽은 처리율이 낮아 질 것이다.

 

극단적으론 A->C 트래픽 처리율은 0에 가까워진다.

 

위와 같은 그래프가 나오게 되는데, 이때 A->C로 가는 트래픽이 두번째 라우터에서 혼잡으로 인해 패킷이 버려질 경우 첫 번째 라우터는 헛된 일을 하게 된다.

 

어차피 두 번째 가서 버려질 패킷을 위해 첫 번째 라우터가 링크 용량을 낭비하는 것이다.

 

이것이 세 번째 시나리오의 네트워크 혼잡 비용이다.

 

혼잡 제어의 접근법

크게 두 가지로 나뉜다.

 

종단 간의 혼잡 제어

TCP 아래에 존재하는 IP 계층은 혼잡에대해 어떠한 정보도 제어도 하지 않고 TCP가 처리하도록 한다.

 

즉 네트워크 상에서 발생하는 혼잡은 TCP가 감지해야하고 제어해야한다는 것이다.

 

TCP 크게 두 가지로 혼잡을 인지할 수 있다.

• 타임아웃 : 송신자의 경우 송신한 패킷에 대한 응답이 지정된 시간까지 도달하지 않아 재전송하는 경우를 혼잡의 징후로 파악
• 3-Duplicated ACK : 연달아 나타나는 3번의 ACK는 TCP에게 특정 패킷이 손실됐음을 알리고 이를 혼잡의 징후로 파악

이런 징후를 TCP가 파악하여 송신 윈도우 크기를 줄인다.

 

네트워크 지원 혼잡 제어

네트워크 상태를 가장 잘 알고있는 것은 당연히도 네트워크를 구성하는 장비들이다.(ex. 라우터)

 

라우터들이 직접 송신자 측에 네트워크 상태를 알리거나 지나가는 패킷에 마킹(RM 셀 이용)하여 수신자 측에 도착시키고 수신자의 ACK 응답에 포함시켜 수신자가 네트워크 상태를 알릴 수도 있다.

 

참고

Computer Networking: a Top Down Approach