TCP 흐름 제어 & 혼잡 제어

TCP는 데이터를 "보낼 수 있는 만큼"만 보낸다. 받는 쪽이 감당할 양(흐름 제어)과 네트워크가 감당할 양(혼잡 제어)을 계속 재면서, 창(window) 크기를 늘렸다 줄였다 한다. 그 결과가 바로 유명한 톱니파(sawtooth) 그래프다.

1. 두 개의 창: rwnd 와 cwnd

송신자가 ACK를 받지 않고 미리 보낼 수 있는 바이트 수를 전송 윈도우라 한다. 이 값은 두 제한의 최솟값이다.

보낼 수 있는 양 = min(rwnd, cwnd)
사용 중(in-flight) = 마지막에 보낸 바이트 − 마지막으로 ACK된 바이트
남은 여유 = min(rwnd, cwnd) − 사용 중

아래 데모는 네트워크가 병목이라고 보고 cwnd에 집중한다. 단위는 편의상 MSS(세그먼트) 개수로 센다.

2. 슬라이딩 윈도우 — 창이 미끄러진다

세그먼트를 왼쪽부터 순서대로 보낸다. 왼쪽 끝 세그먼트가 ACK되면 창 전체가 오른쪽으로 미끄러지며 새 세그먼트를 보낼 자리가 생긴다. 창 크기(cwnd)만큼만 "날아다니는" 상태로 유지된다.

3. 혼잡 윈도우는 어떻게 변할까 Slow Start

TCP는 두 국면을 오간다.

• 느린 시작(Slow Start): RTT마다 cwnd를 2배로. 이름은 "느린"이지만 실제로는 지수적 증가다(작게 시작한다는 뜻). cwnd < ssthresh일 때.
• 혼잡 회피(Congestion Avoidance): RTT마다 cwnd를 +1만. 선형 증가로 조심스럽게 한계를 탐색. cwnd ≥ ssthresh일 때.

손실이 감지되면(AIMD의 MD: Multiplicative Decrease):

• 3중복 ACK(가벼운 손실) → ssthresh = cwnd/2, cwnd = ssthresh 로 절반만 줄이고 혼잡 회피로 (Fast Recovery, TCP Reno).
• 타임아웃(심각) → ssthresh = cwnd/2, cwnd = 1 로 바닥부터 느린 시작 다시.

4. AIMD 톱니파 그래프 직접 만들기

"1 RTT 진행"을 누를 때마다 규칙에 따라 cwnd가 자란다. 빨간 버튼으로 손실을 일으켜 창이 반토막 나는 걸 확인해 보자. 여러 번 반복하면 교과서에 나오는 그 톱니 모양이 그려진다.

5. 의사코드 (TCP Reno)

# RTT마다 한 번 호출된다고 가정 (MSS 단위)
on_ack():
    if cwnd < ssthresh:
        cwnd += cwnd            # 느린 시작: ×2 (지수)
    else:
        cwnd += 1              # 혼잡 회피: +1 (선형)

on_triple_dup_ack():       # 가벼운 손실
    ssthresh = cwnd / 2
    cwnd     = ssthresh        # 절반으로, 회피 국면 유지

on_timeout():               # 심각한 손실
    ssthresh = cwnd / 2
    cwnd     = 1              # 바닥부터 다시 느린 시작

실제 커널은 바이트 단위로, ACK 하나하나마다 cwnd += MSS·MSS/cwnd 같은 식으로 잘게 쪼개 적용한다. 개념은 같다.

6. 왜 "더하기는 조금, 빼기는 확 " (AIMD) 일까?

여러 흐름이 한 링크를 나눠 쓸 때, 덧셈 증가 · 곱셈 감소는 대역폭을 공평하게 수렴시킨다. 많이 쓰던 흐름일수록 손실 때 더 많이(절대량으로) 깎이기 때문이다. 만약 둘 다 곱셈이거나 둘 다 덧셈이면 공평점으로 모이지 않는다. 이것이 인터넷이 지금까지 안 무너진 이유 중 하나다.

7. 어디서 작동하나