TCP와 네트워크 시뮬레이션: NS2/NS3를 이용한 TCP 시뮬레이션

인터넷의 핵심 전송 프로토콜인 TCP(Transmission Control Protocol)는 신뢰성 있는 데이터 전송을 보장하는 중요한 역할을 수행합니다. 하지만, TCP의 다양한 동작 방식과 성능을 이해하는 것은 결코 단순하지 않습니다.

특히, 실제 네트워크 환경에서는 변수와 장애 요소가 많아 TCP의 성능을 직접 분석하는 것이 어렵기 때문에 네트워크 시뮬레이션 도구를 활용하는 것이 필수적입니다.

본 문서에서는 NS2(네트워크 시뮬레이터 2) 및 NS3(네트워크 시뮬레이터 3)를 활용한 TCP 시뮬레이션 방법을 소개하고, 이를 통해 TCP의 성능을 분석하는 방법을 상세히 설명합니다.

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📌 1. 네트워크 시뮬레이션의 중요성

네트워크 시뮬레이션은 다양한 조건에서 TCP 프로토콜의 동작을 실험하고 분석할 수 있도록 해주는 강력한 도구입니다.

✔ 실제 환경에서는 테스트가 어려운 다양한 네트워크 상황을 가정하고 실험 가능
✔ 비용 효율적이며 대규모 네트워크 실험이 가능
✔ 새로운 TCP 혼잡 제어 알고리즘 및 프로토콜을 안전하게 테스트 가능

💡 네트워크 시뮬레이션이 중요한 이유

항목	설명
실험적 접근	실제 네트워크 환경에서는 트래픽을 정확하게 통제하는 것이 어렵지만, 시뮬레이션 환경에서는 다양한 변수를 통제하며 실험 가능
비용 절감	대규모 네트워크 장비 없이도 여러 가지 TCP 알고리즘을 테스트할 수 있어 연구 개발 비용 절감
미래 트래픽 예측	특정 네트워크 조건에서 TCP가 어떻게 동작하는지 예측하여 성능 최적화 및 개선 가능

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🚀 2. NS2와 NS3 개요

✅ 1) NS2(Network Simulator 2)

✔ 오래된 역사를 가진 네트워크 시뮬레이터
✔ C++ 및 OTcl(Object Tcl) 기반의 스크립팅 환경 제공
✔ 다양한 TCP 프로토콜 및 네트워크 트래픽 분석 가능
✔ 상대적으로 쉬운 학습 곡선과 널리 사용되는 자료 존재

📌 특징

• TCP 혼잡 제어 알고리즘(Tahoe, Reno, Vegas 등) 실험 가능
• 다양한 네트워크 토폴로지(Topology) 구축 및 테스트 가능
• 패킷 손실율, 대역폭, 지연 시간 등을 정밀하게 분석 가능

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✅ 2) NS3(Network Simulator 3)

✔ NS2의 후속 버전으로 더 강력한 기능과 성능 제공
✔ C++ 기반이며 Python 바인딩 지원
✔ 멀티코어 및 분산 시뮬레이션 가능
✔ 현대적인 TCP 프로토콜 및 네트워크 모델 포함

📌 특징

• 보다 정확한 모델링 및 성능 테스트 가능
• 기존 네트워크 시뮬레이션보다 높은 확장성과 효율성 제공
• 최신 TCP 알고리즘 (BBR, CUBIC 등) 테스트 가능

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🎯 3. TCP 모델링 및 분석 방법

네트워크 시뮬레이터를 활용하면 다양한 TCP 환경을 설정하고 실험할 수 있습니다.
아래와 같은 요소를 모델링하고 분석할 수 있습니다.

🔹 1) TCP 연결 설정 및 해제 실험

📌 목표: TCP가 데이터를 전송할 때 발생하는 지연 시간, 핸드셰이크 과정, 종료 프로세스를 분석

✔ TCP 3-way 핸드셰이크 과정 시뮬레이션
✔ SYN, SYN-ACK, ACK 패킷을 확인하고 RTT(Round Trip Time) 측정
✔ TCP 연결 종료 시 4-way 핸드셰이크 과정 테스트

예제 코드 (NS2 스크립트 예시)

set ns [new Simulator]

set tcp1 [new Agent/TCP]
set sink [new Agent/TCPSink]

$ns attach-agent $node1 $tcp1
$ns attach-agent $node2 $sink
$ns connect $tcp1 $sink

📌 위 코드에서 TCP 연결이 설정되며, RTT 측정 및 데이터 전송 분석 가능

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🔹 2) TCP 흐름 제어 및 혼잡 제어 비교 실험

📌 목표: 서로 다른 혼잡 제어 알고리즘이 네트워크에서 어떻게 동작하는지 비교

✔ TCP Tahoe vs TCP Reno vs TCP Vegas 비교 실험
✔ 각 알고리즘의 혼잡 윈도우 크기 변화 패턴 분석
✔ 혼잡 발생 시 데이터 전송 속도의 변화 기록

실험 예제

1. NS3 환경에서 TCP 혼잡 제어 알고리즘을 설정
2. 네트워크 트래픽을 일정량 증가시키면서 각 알고리즘별 성능 비교
3. 평균 RTT, 패킷 손실율, 처리량 분석

Config::SetDefault (""ns3::TcpL4Protocol::SocketType"", StringValue (""ns3::TcpNewReno""));

📌 위 코드를 통해 TCP Reno 알고리즘을 설정하고 성능 비교 실험 가능

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🔹 3) 네트워크 트래픽 모델링 및 성능 분석

📌 목표: 특정 네트워크 환경에서 TCP 성능 최적화

✔ 대역폭 변화에 따른 TCP 처리량 변화 분석
✔ 지연 시간 및 패킷 손실이 TCP 성능에 미치는 영향 평가
✔ 특정 환경에서 최적의 TCP 알고리즘 도출

실제 활용 예제

• 100Mbps 네트워크에서 TCP BBR과 CUBIC의 성능 비교
• 패킷 손실이 있는 환경에서 TCP Vegas와 Reno의 효과 분석

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🏆 4. NS2/NS3를 활용한 실전 연구 예제

📌 1) 대역폭 및 혼잡 제어 알고리즘 비교 실험

시나리오: 대역폭이 10Mbps, 100ms의 RTT를 가진 네트워크에서 TCP Tahoe와 Reno의 성능 비교

✔ 실험 방법

• 두 개의 TCP 연결을 생성
• 동일한 트래픽 부하를 가한 뒤, 처리량과 혼잡 윈도우 변화를 비교

✔ 실험 결과 분석

• Tahoe는 패킷 손실 시 윈도우 크기를 1로 감소 → 급격한 속도 저하
• Reno는 패킷 손실 발생 시 빠른 회복(Fast Recovery) 적용 → 더 나은 성능 제공

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📌 5. 결론

🔹 NS2와 NS3는 TCP의 동작을 분석하는 데 매우 유용한 도구
🔹 TCP의 흐름 제어, 혼잡 제어, 오류 복구 성능을 다양한 환경에서 테스트 가능
🔹 비용 효율적이며, 실험 조건을 자유롭게 조정할 수 있어 연구 및 개발에 필수적인 도구

💡 TCP 연구 및 최적화를 위해 네트워크 시뮬레이션을 적극 활용하는 것이 중요합니다! 🚀