네트워크 혼잡 제어

출퇴근 시간 도로가 막히는 것과 네트워크 혼잡은 원리가 똑같다 — 한 지점에 처리할 수 있는 양보다 많은 트래픽이 몰리면 지연이 커지고, 임계점을 넘으면 오히려 전체 처리량(Throughput)이 무너진다. 이 글은 혼잡이 왜 발생하고, 왜 방치하면 처리량이 “0”까지 떨어지는지, 그리고 네트워크가 이를 어떻게 감지하고 제어하는지를 정리한다.

13.1 혼잡의 효과

혼잡(Congestion)의 정의

• 혼잡: 네트워크를 통해 전송되는 패킷의 수가 네트워크의 처리 용량에 도달하기 시작하면 발생
• 혼잡 제어(congestion control)의 목적: Network 안의 packet의 수를 일정한 개수 이하로 유지하여 network의 성능이 급격히 떨어지지 않도록 하는 것

혼잡 제어를 하지 않을 경우의 문제점

경험적으로 queue의 길이가 80% 이상 차면:

• queue의 길이는 빠른 속도로 증가
• average packet delay가 무한대로 증가
• 처리양(Throughput)은 “0”으로 떨어진다

데이터 네트워크의 특징

• 기본적으로 큐(queue)로 이루어진 네트워크
• 노드에는 각각의 출력 채널에 대하여 패킷 큐가 있다
• node는 각 link마다:
  • 도착하는 packet을 위한 buffer (input buffer)
  • 출력을 기다리는 packet을 위한 buffer (output buffer)
  • 두 개의 합은 일정하다

패킷 처리 과정

1. packet이 도착하면 해당 link의 input buffer에 저장
2. 경로결정을 한 후 해당하는 output buffer로 옮겨짐
3. 버퍼 포화 조건:
   • input buffer에서 node가 경로결정하는 속도보다 더 빠르게 packet이 도착하거나
   • output buffer에서 packet이 떠나는 속도보다 더 빠르게 packet이 도착하면
   • node의 특정 link의 buffer는 포화될 수 있다

혼잡 제어의 두 가지 방법

1) Input packet을 버린다

• Output link에 사용되는 buffer의 수를 제한
• buffer가 차면, 그 output link로 나가야 될 packet을 버린다

2) Flow control을 행사

• node가 이웃 node에 대해 flow control을 행사해서 한 지점에서의 과잉밀집이 network 전체에 퍼지도록 한다
• 노드 6이 노드 5에 대해서 패킷 흐름을 제어하면 노드 6을 향하는 노드 5의 큐에는 패킷이 쌓일 것이다
• 네트워크 상의 한 지점의 혼잡(Congestion)은 전체 네트워크 또는 구역으로 전파될 것이다
• 흐름 제어는 강력한 수단으로서 전체 네트워크의 트래픽을 관리하는 수단으로 사용된다

13.1.1 이상적인 성능

첫 번째 그래프 (Throughput vs Load)

• 송신자(source end)가 전송한 네트워크 입력 로드(offered load)에 대해서 네트워크를 통하여 목적지(destination end)에 전달된 패킷의 수로서 Steady-state total throughput(정상 상태일 때)
• Maximum theoretical throughput에 대해서 정규화(normalized)했다
• 이론적으로: Offered load를 네트워크 용량의 최대치만큼 증가시키면 네트워크의 throughput은 증가한다
• Input load를 네트워크 용량의 최대치 이상 올려도 normalized throughput은 “1”로 남아 있다

두 번째 그래프 (Delay vs Load)

• 이상적인 경우의 평균적인 패킷의 end-to-end delay
• Load가 적을 경우: delay는 source에서 destination으로 가는 propagation delay와 노드에서의 processing delay의 합으로 구성
• Load가 증가하는 경우: 노드에서 queueing delay가 추가적으로 더해진다
• Load가 네트워크 용량을 넘어서면: 지연(delay)은 무한대로 늘어난다

이상적인 경우의 특징

• 버퍼가 infinite 사이즈로 가정해도 normalized throughput은 1.0으로 유지
• 네트워크를 떠나는 패킷의 비율은 “1”이다
• 네트워크로 들어가는 패킷이 “1”보다 크면 내부적인 큐의 크기가 증가
• 정상상태에서 입력이 출력보다 크면 queueing delay는 무한대로 늘어난다

세 번째 그래프 (Power)

• 파워(power): 지연에 대한 처리량의 비로 정의된다 (ratio of throughput to delay)
• Power = Normalized throughput/Delay

13.1.2 실제 성능

이상적 성능과의 차이점

그림 13-3은 다음을 고려하지 않았다:

• infinite buffer
• 패킷 전송이나 혼잡제어 같은 오버헤드

실제는:

• 버퍼는 제한되어 있어서 버퍼 오버플로우가 생김
• 혼잡 제어를 위한 제어 패킷이 교환하므로서 네트워크 용량이 낭비됨

세 지역으로 분류

1) No congestion (혼잡 없음)

• Load가 가벼울 때
• Offered load가 증가하면 throughput도 따라서 증가한다

2) Moderate Congestion (중간 혼잡)

• Load가 증가하면 moderate congestion에 도달
• 특징: Throughput 증가하는 속도가 offered load보다 늦다 (이상적인 경우에서 멀어짐)

그 이유들:

• load가 네트워크에 골고루 퍼지는 것이 아니다
• 어떤 노드는 moderate congestion을 경험하고 어떤 노드는 severe congestion을 경험하면서 패킷을 버리게 된다
• Load가 증가하면서 네트워크는 패킷을 혼잡이 없는 지역으로 보내서 네트워크의 균형을 잡으려 한다
• 노드 사이에 혼잡지역을 서로 알려주기 위해서 Routing message가 교환이 되면서 overhead가 발생하고, 이 overhead가 데이터 패킷에 사용되는 네트워크 용량(network capacity)을 사용하게 된다

3) Severe Congestion (심각한 혼잡)

• Load를 더 증가시키면 severe congestion에 도달
• 특징: Load를 증가시키면 Throughput이 오히려 감소한다

그 이유들:

• 노드의 버퍼 사이즈가 제한되어 있기 때문
• 노드의 버퍼가 차면 노드는 패킷을 버리기 시작한다
• 소스 노드는 새로운 패킷을 전송하는 도중에 버려진 패킷을 재전송해야 한다
• 이것이 상황을 악화시킨다: 많은 패킷이 재전송될수록 네트워크에 load가 증가하고 버퍼가 포화된다
• 재전송이 성공했다고 할지라도 higher layer에서 (예: Transport layer) ACK(Acknowledgement packet)를 늦게 응답해서 송신자는 재전송이 실패했다고 가정하고 또 다시 재전송을 해야한다
• 결과: 이 상태에서 시스템은 throughput이 “zero”가 된다

13.2 혼잡제어

13.2.1 후면 압박(Backpressure)

정의 및 동작

• 후면 압박은 링크나 논리적 연결상태(가상회선)에서 사용한다
• 노드 6이 버퍼가 차서 혼잡하면 노드 6은 노드5나 노드 3에서 오는 패킷을 천천히 오게 하거나 중단시킨다
• 그러면 노드 5나 노드 3도 자신에게 들어오는 트래픽을 줄이거나 정지시킨다
• 이런 흐름이 소스를 향하여 (데이터 트래픽의 흐름을 거슬러서) 역방향으로 전파되며 소스는 네트워크에 새로운 패킷을 보내는 것에 대하여 제약을 받게 된다

후면 압박의 제한점

유용성이 제한되어 있다:

• 홉 단위의 흐름 제어가 가능한 연결 위주의 네트워크에서 사용할 수 있으며 X.25 (X dot 25로 읽습니다) 기반의 패킷 교환 네트워크는 이런 방법을 지원한다
• 프레임 릴레이나 ATM 네트워크에서는 홉 단위의 흐름을 제어하는 능력이 없다
• IP를 기반으로 하는 인터넷의 경우에 경로를 따라서 라우터와 라우터 사이에서 데이터 흐름을 규제하는 기능이 없다

13.2.2 초크 패킷(Choke Packet)

정의 및 동작

• 초크 패킷(choke packet): 트래픽 흐름을 제한하기 위하여 “혼잡한 노드”에서 생성되어 “소스 노드”로 역으로 전송된다

예제: ICMP Source Quench

• 예제: ICMP(Internet Control Message Protocol)의 소스 제지(Source Quench) 패킷
• 라우터나 목적지 시스템이 ICMP Source Quench packet를 소스로 보낼 수 있고 소스 노드에게 목적지로 보내는 트래픽을 줄이도록 요구한다
• 소스 제지 패킷을 받은 소스는 다음의 소스 제지 패킷을 받을 때까지 트래픽 전송을 줄인다

사용 시점

• 버퍼가 차서 IP 데이터그램을 버려야 하는 라우터나 호스트가 소스 제지 패킷을 사용할 수 있다
• 또한 버퍼가 일정 이상 차오르게 되면 혼잡을 예상하여 소스 제지 패킷을 보낼 수도 있다

13.2.3 암시적인 혼잡 제어 신호(Implicit Congestion Signaling)

동작 원리

• 네트워크가 혼잡해지면:
  1. 소스에서 목적지까지 패킷의 전송 시간이 증가
  2. 패킷들이 버려진다
• 소스가 지연시간의 증가와 패킷이 버려지는 것을 알고 흐름을 줄인다면 혼잡은 줄어든다
• 특징: 암시적인 신호를 바탕으로 한 혼잡제어는 양 종단 시스템의 책임이며 노드는 상관하지 않는다

적용 분야

• 데이터그램 패킷 교환 네트워크나 IP 기반의 인터넷같은 비연결 또는 데이터그램 네트워크에서 효과적이다
• IP 레벨에서는 흐름을 규제하는 논리적 연결이 없다

TCP 레벨에서 혼잡 제어

• TCP의 세그멘트를 받았을 때에 송신측에 알려주는 메커니즘
• 지연시간의 증가와 세그멘트의 분실을 감지하는 능력에 근거
• TCP의 소스와 목적지 사이의 데이터 흐름을 규제하는 메커니즘
• 17장에서 다루어진다

13.2.4 명시적인 혼잡 제어 (Explicit Congestion Signaling)

기본 개념

• 네트워크의 혼잡이 증가할 때에 그것을 종단 시스템에 경보(alarm)하면 종단 시스템은 네트워크에 대한 부하를 줄이는 방법이다
• 연결 위주(connection oriented)의 네트워크에 적용될 수 있고 각 연결상의 패킷 흐름을 개별적으로 제어하게 된다

명시적 혼잡 시그널링의 두 가지 방법

1) 역방향(Backward)

• 소스에게 통보를 수신한 방향의 반대 방향 트래픽에 대해서 “혼잡 제어”할 것을 통보한다
• 방법:
  • 소스로 향하는 패킷의 헤더의 특정 비트를 변경하여 표시하거나
  • 소스로 별도의 패킷을 전송하여 통보한다

2) 순방향(Forward)

• 사용자에게 통보를 수신한 방향과 같은 방향 트래픽에 대해서 “혼잡 제어”할 것을 통보한다
• 방법:
  • 사용자로 향하는 패킷의 헤더의 특정 비트를 변경하여 표시하거나
  • 사용자로 별도의 패킷을 전송하여 통보한다
• 순방향 통보를 받은 종단 시스템의 대응:
  • 통보를 소스에게 다시 반복하여 전송하거나 (Echo Back)
  • 순방향 통보를 받은 종단 시스템은 소스에게 흐름 제어(Flow Control)를 행사할 수 있다 (TCP 레벨에서의 흐름 제어)

세 가지 분류 방법

1) 이진(Binary)

• 혼잡한 노드가 패킷을 전달(forward)할 때에 혼잡을 나타내는 비트를 설정(set)한다
• 소스가 논리적 연결상에서 “혼잡을 나타내는 비트”가 설정(Set)된 패킷을 받으면 트래픽 흐름을 줄일 수 있다

2) 크레딧 기반(Credit-based)

• 크레딧: 소스(노드)가 보낼 수 있는 패킷(또는 옥텟)의 양
• 크레딧을 다 사용한 소스는 남은 데이터를 보내기 위해 추가의 크레딧을 받아야 한다

3) 전송률 기반(Rate-based)

• 논리적인 연결에서 소스에게 명시적으로 데이터 전송률에 제한을 준다
• 혼잡이 생기면 논리적 연결상의 임의의 노드가 소스에게 데이터 전송률을 낮추도록 메시지를 보낼 수 있다

13.4 패킷 교환 네트워크의 혼잡제어

1) Choke packet 사용

• congested node가 모든 또는 일부의 source node로 choke packet을 보낸다
• choke packet을 받은 source node는 choke packet을 받은 이후 일정시간 동안 packet을 보내는 속도를 x% 감소시킨다
• 일정 시간이 지난 후 다시 choke packet을 받지 않으면 원래의 속도로 packet을 보낸다
• choke packet은 source node의 전송 속도를 느리게 하거나 멈추게 해서 network 안의 전체 packet의 수를 제한한다
• 단점: congestion이 있는 동안 추가의 traffic이 생긴다

2) 경로 배정에 의존

• node가 다른 node들에게 link의 지연 정보를 제공해서 routing 결정에 영향을 미칠 수 있다
• 이 정보는 새로운 packet의 생성율에도 영향을 미칠 수 있다
• 사용 예: ARPA Net에서 사용

3) End-to-end probe packet 사용 [Probe packet]

• sender는 packet을 destination node로 전송하는 도중에 불규칙한 간격으로 (예: 50 msec ~150 msec) probe packet을 보낸다
• Destination에 congestion이 없으면: ACK를 보내고 source는 packet을 보내는 속도를 증가시킨다
• Destination에 congestion이 있으면: probe packet을 무시하고 (ACK를 보내지 않고), source (sender)는 계속 같은 속도를 유지

4) 패킷에 혼잡에 관한 정보 추가

역방향 정보 추가

• Congestion의 반대 방향으로(source node 방향으로) 가는 packet에 정보를 추가하는 방법
• 앞에서 배운 ‘역방향’ 명시 혼잡 제어 시그널링
• 장점: 제어 정보가 노드에 빨리 도달한다
• 결과: source node에서 나오는 packet의 흐름을 줄인다

순방향 정보 추가

• Congestion과 같은 방향으로 가는 packet에 “혼잡에 관한 정보”를 추가
• 앞에서 배운 “순방향” 명시 혼잡 제어 시그널링
• 동작:
  • destination node가 source node에게 부하 조절을 요청하거나
  • Destination 노드가 소스 노드에 패킷을 보낼 때에 (또는 ACK)를 통해 정보를 소스 노드로 되돌아가게 한다
• 사용 예: SNA에서 사용

핵심 정리

• 혼잡 제어의 모든 기법은 결국 “누가 알아채고(암시적/명시적), 어느 방향으로 알리고(역방향/순방향), 어떻게 대응하는가(속도 감소/패킷 폐기)”라는 세 가지 축의 조합이다.
• Backpressure는 홉 단위로 전파되는 강력한 방식이지만 연결 지향 네트워크에서만 쓸 수 있고, IP 기반 인터넷처럼 비연결형 네트워크에서는 지연 증가·패킷 손실을 관찰하는 암시적 방식(TCP의 혼잡 제어가 대표적)에 의존할 수밖에 없다.
• Moderate Congestion과 Severe Congestion을 가르는 결정적 차이는 “재전송”이다 — 버퍼가 넘쳐 패킷이 버려지기 시작하면 재전송 트래픽이 혼잡을 더 심화시키는 악순환이 시작되고, 이 지점을 넘으면 처리량이 오히려 감소한다.