congestion
링크나 노드가 너무 많은 데이터를 처리하여 서비스 품질이 저하되는 경우이다.
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packet switching network 에서는 shared link에 있는 버퍼를 사용해서 paket을 저장하고 전달한다.
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라우터가 처리하기에 소스들이 많은 데이터를 빠르게 보낸다. 당연히 라우터가 overflow된다.
congestion으로 생기는 현상
- router에서 버퍼가 overflow 되어서 패킷이 손실됨.
- 딜레이가 길어짐
- call blocking
congestion control의 목적
- 성능이 급격하게 떨어지지 않도록 일정 수준 이하로 네트워크 성능을 유지하기 위함이다.
network 성능 측정
- (network)throughput
- 네트워크에서 혹은 채널에서 성공적으로 메세지를 전달하는 속도
- (end-to-end)delay
- source 에서 도착지까지 패킷 전달 지연 + 각 노드에서 처리와 대기 지연
congestion control이 없을때
- ideal case
- buffer infinite
- congestion control과 관련해 오버헤드가 없다.
- throughput의 최대까지 올라가고 계속 유지됨.
- bound가 없어서 network capcity를 초과하면 delay는 exponential 하게 올라간다.
- practical case
congestion collapse & avoidance
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congestion collapse
traffic 증가 ->congestion->timeout->retransmission->congestion 증가
-> more timeout -> more retransmission -
congestion avoidance
congestion이 일어나기전에 control 한다.
congestion control을 통해 ideal한 상황근처까지 throuput을 유지한다.
congestion control
Implicit congestion control
- packet이 loss나 delay가 나면 network layer에서 congestion이 발생했다고 생각하고 해결하려고 하는것.
- TCP에서는 packet 손실이 congestion이 일어났다고 본다.
Explicit Congestion Control
- router가 현재 congestion이 발생했는지 판단하고, end-system에 알려주게 된다.(feedback) feedback은 두가지 방향으로 갈 수 있게 만든다.
- BECN: 기존에 없던 패킷 만들어서 sender에게 congestion 발생 알려준다.
- FECN: sender에게서 온 패킷에 congestion이 발생했음을 알려주는 표시를 하고 receiver 쪽으로 흘린다. receiver가 sender에게 congestion 발생했음을 알린다.
(ACK에 congestion 발생했음을 알린다.)
rwnd(receive window)
- receiver buffer가 overloading 되는것을 막기위해 사용한다.
- receiver buffer에서 남은 공간의 양이다.
- 동적이다.
- TCP flow control에 사용된다.
cwnd(congestion window)
- TCP에서 데이터를 전송할 수 있는 최대 양을 제어하는 변수입니다. 네트워크 혼잡 상황에 따라 동적으로 조정된다.
- TCP congestion control로 사용된다.
TCP flow control
- host 기반이다.
- receiver가 free buffer space(rwnd)를 알려주면 sender는 window size를 제한한다.
(당연히 마지막으로 보낸 LastByteSent - 마지막으로 받은 LastByteAcked) window size의 크기가 rwnd 크기보다 작거나 같아야한다.
TCP congestion Control
- host 기반
- sender가 cwnd를 사용해서 자신의 전송속도를 제한한다.
그러기 위해서 receiver의 상태를 확인하고 인지된 네트워크 congestion status를 확인한다. - window size is limited:
AIMD(additive increase multiplicative decrease)
- cwnd는 동적이고, 네트워크 congestion을 인지하는 기능을 한다.
- additive increase
손실이 감지될때까지 모든 RTT마다 1 MSS씩 cwnd를 증가시킨다.
*MSS : maximum segment size - multiplicative decrease
손실 이후에는 cwnd를 반으로 자른다.
slow start
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AIMD의 한계
✍️ linear한 additive increase는 맨처음 시작부터 최대로 확장시키기가 너무 오래걸린다. -
4개의 main TCP congestion control functions
✍️slow start(SS)
✍️Congestion Avoidance(CA)
✍️Fast Restransmit
✍️Fast Recovery
- connection이 시작되면, 첫번째 loss가 일어날때까지 기하급수적으로 속도가 증가한다. RTT마다 cwnd가 두배로 증가
slow start vs AIMD
cwnd가 증가하는 속도가 다르다.
AIMD는 1씩 증가 , slow start는 두배씩 증가
Congestion Avoidance(Tahoe)
- ssThresh
✍️TCP에서 cwnd를 제어하기 위해 사용되는 값으로, 네트워크 혼잡 상황을 감지하면 cwnd를 줄이고 ssthresh로 설정합니다. 그 후, slow start 알고리즘 대신 congestion avoidance 알고리즘을 사용하여 cwnd를 증가시킵니다.
Fast Recovery(Reno)
TCP Tahoe vs TCP Reno
- TCP Tahoe는 모든 전송을 중지하고 재전송하며, slow start 알고리즘으로 다시 시작합니다.
- TCP Reno는 3개의 duplicate ACK를 수신했을 때만 전송을 중지하고, fast retransmit 알고리즘으로 재전송합니다.
- TCP Reno는 fast recovery 알고리즘을 사용하여, 데이터 손실 후 slow start 알고리즘 대신에 congestion avoidance 알고리즘으로 cwnd를 증가시킵니다. 이를 통해 더 빠르고 안정적인 데이터 전송이 가능합니다.
따라서, TCP Reno는 TCP Tahoe보다 더 효율적이고 빠른 데이터 전송을 할 수 있습니다.
TCP fast retransmit
3 duplicated ack를 받는상황
sequence를 보내다가 loss로 인해 delay가 되었고, seq4가 hostB(Receiver)로 이동하지못했다. host B는 seq4가 빠졌기 때문에 seq 5,6,7을 받아도 다시 ack4를 보낸다. 이렇게 똑같은 ack가 3번 쌓이면
- TCP Tahoe는 cwnd를 1로하고 slow start를 시작한다.
- TCP Reno는 cwnd를 cwnd/2+3으로 하고 fast recovery를 한다.
TCP Fairness
- fairness goal
만약 k개의 TCP session이 bandwith가 R인 하나의 bottleneck을 공유하고 있다면 각각의 TCP session은 R/k의 평균속도를 가진다.
