TCP 혼잡 제어: 혼잡 회피 (Congestion Avoidance)

TCP(Transmission Control Protocol)는 신뢰성과 안정성을 갖춘 데이터 통신을 보장하기 위해 설계된 프로토콜이며, 그 핵심 기능 중 하나가 바로 혼잡 제어(Congestion Control) 입니다.

혼잡 제어는 네트워크 상의 패킷 손실, 대기 시간 증가, 성능 저하 등의 문제를 해결하기 위해 데이터 전송 속도를 동적으로 조절하는 역할을 합니다. 혼잡 회피(Congestion Avoidance) 는 이러한 혼잡을 미연에 방지하기 위한 전략으로, 네트워크가 과부하 상태에 도달하기 전에 전송 속도를 조정하여 최적의 성능을 유지하도록 합니다.

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1. 혼잡 회피의 필요성

혼잡 회피는 네트워크에서 다수의 사용자나 장치가 동시에 데이터를 전송할 때 발생하는 과부하를 방지하고, 효율적인 대역폭 활용 및 패킷 손실 최소화를 목표로 합니다.

혼잡이 발생하는 주요 원인

✅ 네트워크 트래픽 증가

• 많은 사용자가 동시에 인터넷을 사용하거나 대용량 데이터를 전송할 때 네트워크가 과부하될 가능성이 높아집니다.

✅ 라우터 및 스위치의 처리 한계

• 네트워크 장비(예: 라우터, 스위치)는 한 번에 처리할 수 있는 패킷 수가 제한적이며, 과부하가 발생하면 일부 패킷이 버려질 수 있습니다.

✅ 패킷 재전송 증가

• 네트워크가 혼잡하면 패킷 손실이 증가하고, 이를 복구하기 위한 재전송이 추가로 발생하여 더욱 혼잡을 가중시킵니다.

✅ 지연(latency) 증가

• 혼잡 상태에서는 패킷이 도착하는 시간이 지연되며, 사용자 경험이 저하됩니다. 예를 들어 웹페이지 로딩 속도가 느려지거나 화상 통화에서 끊김 현상이 발생할 수 있습니다.

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2. TCP 혼잡 회피 알고리즘 및 방법론

혼잡 회피는 네트워크의 상태를 실시간으로 모니터링하며, 패킷 손실을 감지하기 전에 미리 전송 속도를 조절하는 방식을 사용합니다. 이를 위해 여러 알고리즘이 활용됩니다.

📌 주요 혼잡 회피 알고리즘

1️⃣ AIMD (Additive Increase Multiplicative Decrease) 알고리즘

• TCP 혼잡 회피의 기본 원리로, 혼잡이 발생하지 않을 때는 전송 속도를 점진적으로 증가(Additive Increase)시키고, 혼잡이 감지되면 급격히 감소(Multiplicative Decrease)시키는 방식입니다.
• 작동 방식:
  • 혼잡이 발생하지 않으면 윈도우 크기를 1씩 증가시킵니다.
  • 패킷 손실이 감지되면 윈도우 크기를 절반으로 감소시킵니다.
• 예시:
  • 네트워크가 원활할 때 데이터 전송 속도를 점진적으로 늘리다가, 혼잡이 발생하면 속도를 급격히 낮춰 네트워크에 부담을 주지 않도록 조절합니다.

2️⃣ Slow Start (느린 시작) 알고리즘

• TCP 연결 초기에는 네트워크 상태를 알 수 없으므로, 작은 윈도우 크기부터 시작하여 지수적으로 증가시키는 방식입니다.
• 작동 방식:
  • 초기에 윈도우 크기를 1로 설정하고, 매번 ACK를 받을 때마다 윈도우 크기를 2배씩 증가시킵니다.
  • 혼잡 임계값에 도달하면 AIMD 방식으로 전환됩니다.
• 예시:
  • 웹사이트 접속 시 처음에는 적은 데이터만 전송하다가, 네트워크 상태가 양호하면 빠르게 전송량을 증가시킵니다.

3️⃣ Congestion Avoidance Phase (혼잡 회피 단계)

• Slow Start 이후에는 AIMD 방식을 적용하여, 윈도우 크기를 더 이상 급격히 증가시키지 않고 서서히 증가시킵니다.
• 네트워크가 안정적인 상태를 유지하도록 도와줍니다.

4️⃣ Fast Retransmit & Fast Recovery (빠른 재전송 및 빠른 복구)

• TCP는 패킷 손실을 감지하면 타임아웃을 기다리지 않고 즉시 재전송하는 방식으로 성능을 향상시킵니다.
• 작동 방식:
  • 동일한 ACK(중복 ACK)를 세 번 연속으로 수신하면, 손실된 패킷이 있다고 판단하고 즉시 해당 패킷을 재전송합니다.
  • 이후 혼잡 회피 알고리즘을 적용하여 윈도우 크기를 줄이고 천천히 회복합니다.
• 예시:
  • 온라인 게임 중 네트워크가 불안정해 일부 데이터가 손실되었을 때, 타임아웃을 기다리지 않고 빠르게 복구하여 끊김을 최소화합니다.

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3. 실생활에서의 혼잡 회피 적용 사례

📌 기업 환경에서의 네트워크 관리

기업 A에서는 수백 명의 직원이 동시에 클라우드 서버에 접속하여 파일을 다운로드합니다.

• 초기 단계: 처음 몇 명이 접속하면 서버는 충분한 속도로 데이터를 전송합니다 (Slow Start).
• 혼잡 발생: 동시에 다운로드 요청이 많아지면서 네트워크가 혼잡해지고 패킷 손실이 증가합니다.
• 혼잡 회피 적용: AIMD 알고리즘이 작동하여 각 직원의 다운로드 속도가 조정되고, 대역폭이 균등하게 분배됩니다.
• 결과: 모든 직원이 원활하게 파일을 받을 수 있으며, 과부하 없이 네트워크가 운영됩니다.

📌 동영상 스트리밍 서비스 (Netflix, YouTube)

• 사용자가 비디오를 재생하면 초기에는 작은 버퍼를 채우고 점진적으로 데이터 전송량을 증가시킵니다.
• 네트워크 상태가 불안정해지면 혼잡 회피 알고리즘이 작동하여 품질을 조정하며, 화질이 낮아지는 대신 끊김 없이 동영상을 재생할 수 있도록 합니다.

📌 온라인 게임에서의 실시간 데이터 처리

• 실시간 게임에서는 초당 수십 개의 패킷이 교환됩니다.
• 게임 서버는 혼잡 회피 알고리즘을 활용해 끊김 없이 부드러운 게임 플레이를 제공합니다.

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4. 요약 및 결론

✅ 혼잡 회피(Congestion Avoidance)는 TCP의 중요한 기능으로, 네트워크가 과부하 상태에 도달하기 전에 전송 속도를 조절하는 기법입니다.
✅ Slow Start, AIMD, Fast Retransmit 등의 알고리즘을 활용하여 패킷 손실을 방지하고 네트워크 성능을 최적화합니다.
✅ Netflix, 기업 네트워크, 온라인 게임 등 실생활에서도 다양한 환경에서 적용되며, 안정적인 데이터 전송을 가능하게 합니다.