네트워크 폭주

데이터 네트워킹 및 큐잉 이론에서 네트워크 폭주는 네트워크 노드 또는 링크가 처리할 수 있는 것보다 많은 데이터를 전송하고 있을 때 발생하는 서비스 품질 저하입니다.일반적인 영향으로는 큐잉 지연, 패킷 손실 또는 새로운 접속 차단 등이 있습니다.congestion의 결과로 제공되는 부하가 증가하면 네트워크 throughput이 ^[1]소폭 증가하거나 감소하는 데 그칠 수 있습니다.

폭주로 인한 패킷 손실을 보상하기 위해 공격적인 재전송을 사용하는 네트워크 프로토콜은 초기 부하가 일반적으로 네트워크 폭주를 유발하지 않는 수준으로 감소된 후에도 폭주를 증가시킬 수 있습니다.이러한 네트워크는, 같은 레벨의 부하로 2개의 안정된 상태를 나타내고 있습니다.throughput이 낮은 안정된 상태를 congestion collapse라고 합니다.

네트워크는 congestion 제어 및 congestion 회피 기술을 사용하여 붕괴를 회피합니다.예를 들어 802.11의 CSMA/CA 및 원래의 이더넷에서의 유사한 CSMA/CD 등의 프로토콜에서의 지수 백오프, TCP에서의 윈도 감소, 라우터나 네트워크 스위치 등의 디바이스에서의 균등화 큐잉 등이 있습니다.congestion에 대처하는 그 외의 기술에는, 일부의 패킷을 다른 패킷보다 먼저 송신하는 priority 스킴이나, 어드미션 제어를 사용해 특정의 플로우에의 네트워크 자원의 명시적인 할당등이 있습니다.

네트워크 용량

네트워크 리소스는 라우터 처리 시간 및 링크 스루풋 등 제한됩니다.리소스 경합은 몇 가지 일반적인 상황에서 네트워크에서 발생할 수 있습니다.무선 LAN은 하나의 ^[2]PC로 쉽게 채워집니다.고속 컴퓨터 네트워크에서도 백본은 몇 대의 서버와 클라이언트 PC에 의해 쉽게 폭주할 수 있습니다.봇넷에 의한 서비스 거부 공격은 가장 큰 인터넷백본네트워크 링크도 채울 수 있기 때문에 대규모 네트워크 폭주가 발생합니다.전화 네트워크에서는, 매스 콜 이벤트가 디지털 전화 회선을 압도할 가능성이 있습니다.

폭주 붕괴

congestion collapse(또는 congestion collapse)는 congestion가 유용한 통신을 방해하거나 제한하는 상태입니다.congestion의 붕괴는, 통상, 네트워크내의 초크 포인트에서 발생합니다.이 시점에서 착신 트래픽은 발신 대역폭을 넘습니다.로컬 에리어 네트워크와 와이드 에리어 네트워크 사이의 접속 포인트는 일반적인 초크 포인트입니다.네트워크가 이 상태에 있으면 트래픽 수요는 높지만 유용한 throughput을 거의 이용할 수 없는 안정된 상태가 됩니다.이 기간 동안 패킷 지연과 손실이 발생하여 서비스 품질이 매우 저하됩니다.

폭주 붕괴는 1984년까지 ^[3]가능한 문제로 확인되었다.1986년 ^[4]10월 초기 인터넷에서 처음 관측된 것은 NSFNET 단계I 백본이 32kbit/s의 용량에서 40bit/^{[citation needed]}s로 3계단 감소했을 때였습니다.이는 1987년부터 ^[5]1988년 사이에 엔드 노드가 Van Jacobson과 Sally Floyd의 폭주 제어를 구현하기 시작할 때까지 계속되었습니다.중간 라우터에서 처리할 수 있는 것보다 많은 패킷이 전송되면 중간 라우터는 네트워크의 엔드 포인트가 정보를 재발송신할 것으로 예상하고 많은 패킷을 폐기했습니다.다만, 초기의 TCP 실장에서는, 재발송신 동작이 불량했습니다.이 패킷 손실이 발생하면 엔드포인트는 손실된 정보를 반복하는 추가 패킷을 전송하여 착신 속도를 2배로 높였습니다.

폭주 제어

congestion 제어는, 오버 서브 스크라이브에 의한 congestion collapse를 회피하기 위해서, 통신 네트워크에의 트래픽의 엔트리를 변조합니다.^[6] 이것은, 통상은 패킷의 레이트를 삭감하는 것으로 실현됩니다.congestion 제어는, 송신측이 네트워크를 과부하시키는 것을 막는 반면, 플로우 제어는 송신측이 수신측을 과부하시키는 것을 방지합니다.

폭주 제어 이론

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혼잡 제어 이론은 프랭크 켈리에 의해 개척되었으며, 그는 미시경제 이론과 볼록 최적화 이론을 적용하여 자신의 비율을 제어하는 개인이 어떻게 상호작용하여 최적의 네트워크 전체 비율 할당을 달성할 수 있는지를 기술했다.최적 요율배분의 예로는 max-min 공정배분이나 Kelly의 비례적 공정배분 제안 등이 있다.

$플로우{\displaystyle }$i가$$ $l$을 사용하는 경우 $(\$$displaystyle$$x_{$i$$})를 $플로우{\displaystyle }$i(\$displaystyle$ i$)$로, ${\displaystyle c_{}}$ l$(\$})을$$ $링크{\displaystyle }$l(\$displaystyle$ l$)$의 $용량$으로, $(\$$displaystyle$ $r_{li$})를$$ 1로 $합니다{\displaystyle {}_{}}$.x$(\displaystyle$ x$),$ $(\displaystyle$ c$)$ $및$ R$(\displaystyle$ R$)$을 대응하는 벡터 및 매트릭스로 $합니다{\displaystyle }$.U$)$ {$displaystyle$ U$(x)}$를 유틸리티라고 하는, 증가하는 엄밀하게 오목한 함수로 $합니다{\displaystyle }$.유틸리티는 $사용자$가 환율 x$(\displaystyle$x$)$로 전송함으로써 얻을 수 있는 이익을 측정합니다.그러면 최적의 속도 할당은 다음을 만족시킵니다.

${\displaystyle \max \limits _{x}\sum _{i}U(x_{i})}$

${\displaystyle R}$ x ${\displaystyle c}$\ $display style$Rx \ $leq$ c$such{\displaystyle }$

이 문제의 Lagrange 듀얼은 분리되기 때문에 각 플로우가 네트워크에 의해 시그널링된 가격만을 바탕으로 독자적인 레이트를 설정합니다.각 링크 캐퍼시티에 따라 제약이 부과되며, 이로 인해 Lagrange $승수{\displaystyle {}_{}}$ $\$가 발생합니다.이러한 승수의 합계(${\displaystyle y_{}}$ i $=$ ${\displaystyle \underset{}{}{}_{}}$ ${\displaystyle p_{}}$ ${\displaystyle {}_{}{}_{}}$ ${\displaystyle r_{}{i}_{}}$ ,$${ $displaystyle y_{i$}=\$sum$ _{$l}p_{l}r_{li})$는 플로우가 응답하는 가격입니다.

그 후 congestion 제어는 분산 최적화 알고리즘이 됩니다.이 프레임워크에서는 현재 congestion 제어 알고리즘의 대부분을 모델링할 수 있습니다.$여기$서 p$$l {\displaystyle $p_{l}$은 링크$l{\displaystyle }$ {\$displaystyle$ l$\}$의 손실 확률 또는 큐잉 지연 중 하나입니다.큰 약점은 모든 흐름에 동일한 가격을 할당하고 창 흐름 제어 슬라이딩으로 인해 버스트성이 발생하며 이로 인해 다른 원인이 됩니다.ent 플로우를 사용하여 특정 링크에서 다른 손실 또는 지연을 관찰합니다.

폭주 제어 알고리즘 분류

congestion 제어 알고리즘을 분류하는 방법에는 다음과 같은 것이 있습니다.

• 네트워크로부터 받은 피드백 유형 및 양별: 손실, 지연, 싱글비트 또는 멀티비트 명시 신호
• 도입의 증분화:변경이 필요한 것은 송신자뿐입니다.송신자와 수신자는 변경이 필요합니다.라우터만 변경이 필요합니다.송신자, 수신자 및 라우터는 변경이 필요합니다.
• 퍼포먼스 측면: 고대역폭 지연 제품 네트워크, 손실 링크, 공정성, 짧은 흐름에 대한 이점, 가변 환율 링크
• 공정성 기준: 최대 최소 공정성, 비례 공정성, 제어 지연

경감

네트워크의 congestion를 회피하거나 네트워크의 붕괴에 대처하기 위한 메커니즘이 개발되고 있습니다.

• 네트워크 스케줄러 - 폭주가 발생했을 때 네트워크 패킷을 정렬하거나 선택적으로 폐기하는 액티브 큐 관리
• 명시적 폭주 알림– 흐름 제어 메커니즘을 추가하는 IP 및 TCP 통신 프로토콜 확장
• TCP congestion 제어– 네트워크 congestion를 처리하기 위한 다양한 대처 구현

올바른 엔드포인트 동작은 일반적으로 드롭된 정보를 반복하지만 반복 속도는 점차 느려지는 것입니다.모든 엔드포인트가 이렇게 하면 congestion가 해소되고 네트워크가 정상 ^{[citation needed]}동작을 재개합니다.slow-start 등의 다른 전략에서는 congestion 검출이 개시되기 전에 새로운 접속이 라우터에 과부하가 되지 않도록 합니다.

일반적인 라우터 폭주 회피 메커니즘에는 균등화 큐잉 및 기타 스케줄링 알고리즘과 폭주가 검출되면 패킷이 랜덤으로 드롭되는 Random Early Detection(RED;랜덤 조기검출)이 있습니다.이것에 의해, congestion의 붕괴가 발생하기 전에, 엔드 포인트의 전송 속도가 저하합니다.

일부 엔드 투 엔드 프로토콜은 폭주 조건에서 잘 작동하도록 설계되어 있습니다. TCP는 잘 알려진 예입니다.congestion를 처리하기 위한 최초의 TCP 구현은 ^[7]1984년에 기술되었지만, 1988년에 Berkeley Standard Distribution UNIX("BSD")에 오픈 소스 솔루션을 포함시킨 Van Jacobson은 처음에 좋은 동작을 제공했다.

UDP는 congestion를 제어하지 않습니다.UDP 위에 구축된 프로토콜은 독립적으로 폭주를 처리해야 합니다.congestion에 관계없이 고정 속도로 전송되는 프로토콜은 문제가 될 수 있습니다.많은 Voice over IP 프로토콜을 포함한 실시간 스트리밍 프로토콜에는 이 속성이 있습니다.따라서 폭주가 발생했을 때 패킷이 드롭되지 않도록 서비스 품질 등의 특별한 조치를 취해야 합니다.

실용적인 네트워크 폭주 회피

널리 사용되는 TCP 프로토콜과 같은 연결 지향 프로토콜은 패킷 손실을 감시하거나 전송 속도를 조정하기 위해 큐잉 지연을 처리합니다.다양한 네트워크 congestion 회피 프로세스는 다양한 ^[8]트레이드오프를 지원합니다.

TCP/IP 폭주 회피

TCP congestion 회피 알고리즘은 ^{[9][10][11][12][13]}인터넷에서의 congestion 제어의 주요 기반입니다.

문제는 동시 TCP 흐름에서 테일드롭이 발생할 때 발생합니다.특히 bufferbloat이 존재할 때 발생합니다.이 지연 패킷 손실은 TCP의 자동 congestion 회피를 방해합니다.이 패킷 손실이 발생한 모든 흐름은 동시에 TCP 재트레이닝을 시작합니다.이것은 TCP 글로벌 동기라고 불립니다.

액티브 큐 관리

Active Queue Management(AQM; 액티브큐 관리)는 Network Interface Controller(NIC; 네트워크인터페이스 컨트롤러)와 관련된 송신 버퍼 내의 네트워크 패킷의 순서 변경 또는 폐기입니다.이 작업은 네트워크 스케줄러에 의해 수행됩니다.

랜덤 조기 검출

해결 방법 중 하나는 네트워크 기기의 출력 ^[14][15]큐에서 랜덤 조기 검출(RED)을 사용하는 것입니다.복수의 출력 큐가 있는 네트워크하드웨어 포트에서는 Weighted Random Early Detection(WRED; 가중치 랜덤 조기검출)을 사용할 수 있습니다.

RED는 예를 들어 평균 큐 길이가 임계값(예를 들어 50%)보다 클 때 일부 패킷을 드롭함으로써 TCP 송신자와 수신자에게 간접적으로 신호를 보내고 큐가 더 가득 찰 때 선형 또는 입방적으로 더 많은 패킷(^[16]예를 들어 100%)을 삭제합니다.

견고한 랜덤 조기 검출

Robust Random Early Detection(RED; 로버스트랜덤 조기검출) 알고리즘은 Denial-of-Service(DoS; 서비스 거부) 공격, 특히 Low-Rate Denial-of-Service(LDoS; 저환율 서비스 거부) 공격에 대한 TCP 스루풋을 개선하기 위해 제안되었습니다.실험에서 RED와 같은 알고리즘은 공격에 의해 발생하는 TCP 큐크기의 진동으로 인해 ^[17]LDoS 공격에 취약하다는 것이 확인되었습니다.

플로우 베이스 WRED

일부 네트워크 기기에는 각 플로우를 추적 및 측정할 수 있는 포트가 장착되어 있어 QoS 정책에 따라서는 대역폭 플로우가 너무 클 수 있습니다.그런 다음 정책은 ^[18]어떤 기준에 따라 모든 흐름 간에 대역폭을 분할할 수 있습니다.

명시적 폭주 통지

또 다른 접근방식은 Explicit Congestion Notification(ECN)^[19]을 사용하는 것입니다.ECN이 사용되는 것은 2개의 호스트가 ECN을 사용한다는 신호를 보내는 경우뿐입니다.이 방법에서는 명시적 congestion의 시그널링에 프로토콜 비트가 사용됩니다.이것은, RED/WRED 알고리즘에 의한 패킷 손실에 의해서 시그널링 되는 간접 congestion 통지보다 좋지만, 양쪽 호스트의 ^[20][14]서포트가 필요합니다.

라우터는 ECN 대응으로 마크된 패킷을 수신해, congestion를 예측하면, ECN 플래그를 설정하고, congestion를 송신자에게 통지합니다.송신자는, 송신 대역폭을 줄이는 것으로 응답할 필요가 있습니다.예를 들어, TCP 윈도우 사이즈를 줄이거나, 그 외의 방법으로 송신 레이트를 줄이는 것으로 응답할 필요가 있습니다.

TCP 윈도 쉐이핑

congestion 회피를 효율적으로 실시하려면 , 트래픽을 삭감합니다.응용 프로그램이 대용량 파일, 그래픽 또는 웹 페이지를 요청할 때 일반적으로 32K에서 64K 사이의 창을 보급합니다.이것에 의해, 서버는 데이터의 완전한 창을 송신합니다(파일이 창보다 큰 경우).다수의 애플리케이션이 동시에 다운로드를 요구할 경우 이 데이터는 업스트림프로바이더에 congestion 포인트를 작성할 수 있습니다.윈도 애드버타이즈먼트를 줄임으로써 리모트서버는 송신하는 데이터의 수를 줄이고 ^[21][22]congestion를 경감합니다.

후방 ECN

Backward ECN(BECN; 역방향 ECN)은 congestion 알림 메커니즘으로 제안되고 있습니다.ICMP 송신원 퀀치메시지를 IP 시그널링 메커니즘으로 사용하여 IP 네트워크의 기본적인 ECN 메커니즘을 구현하고 congestion 알림을 IP 수준으로 유지하며 네트워크 엔드포인트 간의 네고시에이션을 필요로 하지 않습니다.유효한 congestion 통지는, TCP 나 UDP 와 같은 트랜스포트층 프로토콜에 전파되어 적절한 ^[23]조정을 실시할 수 있습니다.

폭주 붕괴 회피 부작용

무선 링크

congestion 붕괴를 회피하는 프로토콜은 일반적으로 데이터 손실이 congestion에 의해 발생한다고 가정합니다.유선 네트워크에서는, 송신중의 에러는 거의 발생하지 않습니다.WiFi, 3G 및 무선 레이어가 있는 기타 네트워크는 간섭으로 인해 데이터가 손실될 수 있으며 경우에 따라서는 throughput이 저하될 수 있습니다.무선 베이스의 물리층상에서 동작하는 TCP 접속에서는, 데이터 손실이 인식되어 congestion가 발생하고 있다고 잘못 인식되는 경향이 있습니다.

단시간 접속

slow-start 프로토콜은 짧은 연결의 경우 성능이 저하됩니다.오래된 웹 브라우저에서는 많은 단시간 연결이 생성되어 각 파일의 연결을 열고 닫았습니다.이것에 의해, 대부분의 접속은 슬로우 스타트 모드로 유지되고 있습니다.초기 퍼포먼스는 저조할 수 있으며, 많은 접속이 슬로우 스타트 상태에서 빠져나오지 못해 지연이 대폭 증가합니다.이 문제를 피하기 위해 최신 브라우저는 여러 연결을 동시에 열거나 특정 서버에서 요청된 모든 파일에 대해 하나의 연결을 재사용합니다.

어드미션 제어

어드미션 제어는 새로운 네트워크 연결을 확립하기 전에 디바이스가 권한을 받아야 하는 시스템입니다.새로운 접속으로 congestion가 발생할 위험이 있는 경우는, 권한을 거부할 수 있습니다.예를 들어 ITU-T G.hn의 기존 배선을 통한 홈네트워킹용 Contention-Free Transmission Opportunities(CFTXOP; 무경합 전송 기회), IP 네트워크용 Resource Reservation Protocol 및 이더넷용 Stream Reservation Protocol 등이 있습니다.

「 」를 참조해 주세요.

• 대역폭 관리 – 통신 네트워크에서의 용량 관리
• 연속 장애 – 시스템 장애 위험
• 초크 교환 – 다수의 동시 콜 시행을 처리할 수 있도록 설계된 전화 교환
• Erlang (유닛)– 통신 부하 측정
• 마법사 어프렌티스 신드롬 – TFTP 오리지널 버전의 네트워크 프로토콜 결함
• 텔레트래픽 엔지니어링 – 트래픽 엔지니어링 이론의 전기통신에 적용
• 스레싱 – 메모리와 스토리지 간의 지속적인 교환
• 트래픽 쉐이핑– 대역폭 관리 기술
• 신뢰성(컴퓨터 네트워킹)

레퍼런스

외부 링크

• 플로이드, S, K가을, 인터넷에서의 엔드 투 엔드 폭주 제어 사용 촉진(네트워크상의 IEEE/ACM 트랜잭션, 1999년 8월)
• Sally Floyd, 인터넷에서의 엔드 투 엔드 폭주 제어의 진화: 특이점 (IMA 통신망 확장현상에 관한 워크숍, 1999년 10월) (pdf 형식)
• 연결 용어: 웨이백 머신에서의 큐잉 2003-03-08
• Pierre-Francois Quet, Siram Chellapan, Arjan Duresi, Mukundan Sridharan, Hitay Ozbay, Raj Jain, "유체 흐름 기반 TCP 모델을 사용하여 다단계 ECN을 최적화하기 위한 가이드라인"
• Sally Floyd, Ratul Mahjan, David Wetherall: RED-PD: RED, 우선 드롭 포함 2003-04-02 Wayback Machine 아카이브 완료
• Mehmet Suzen의 교육용 범용 심플 RED 시뮬레이터
• 패킷 네트워크에서의 폭주 제어 방법
• 폭주 제어에 관한 페이퍼
• 랜덤 조기 검출 홈페이지
• 명시적 폭주 알림 홈페이지
• TFRC 홈페이지
• AIMD-FC 홈페이지
• Low-Rate Denial-of-Service(DoS; 저환율 서비스 거부) 공격에 관한 최신 자료