輻輳制御（Congestion Control）とは？ – ネットワーク通信の安定化技術
1. はじめに
ネットワーク通信では、多くのデバイスが同時にデータを送信すると、通信経路上でデータが詰まり、パケットロスや遅延が発生することがあります。この現象を輻輳（ふくそう, Congestion）と呼び、通信の品質低下を引き起こします。
この問題を防ぐために導入されるのが輻輳制御（Congestion Control）です。輻輳制御は、ネットワークの混雑状況をモニタリングし、データの送信速度を調整することで、通信の安定性を確保する技術です。
本記事では、輻輳制御の仕組み、代表的なアルゴリズム、そして最新の技術動向について詳しく解説します。
2. 輻輳制御の必要性
ネットワークの帯域幅には限りがあり、多くのデバイスが同時に通信すると、ルーターやスイッチの処理能力を超える負荷がかかります。これにより、以下のような問題が発生します。
- パケットロス: 送信されたデータが消失し、再送が必要になる
- 遅延の増大: データの到達時間が長くなり、動画や音声通話が途切れる
- スループットの低下: データ転送速度が遅くなり、効率が悪化
このような状況を防ぐために、輻輳制御を適用することで、ネットワークの混雑を最適に調整します。
3. 輻輳制御の種類とアルゴリズム
輻輳制御は主に送信側と受信側で行われ、いくつかの代表的な手法があります。
(1) TCPの輻輳制御
TCP（Transmission Control Protocol）は、信頼性の高い通信を提供するために、以下の輻輳制御アルゴリズムを採用しています。
① スロースタート（Slow Start）
- 初期の送信ウィンドウサイズ（CWND）を小さくし、指数関数的に増加させる
- 急激な混雑を防ぎ、スムーズに帯域幅を利用
② 輻輳回避（Congestion Avoidance）
③ 高速再送（Fast Retransmit）
- 3つの重複ACK（Duplicate ACK）が受信された場合、パケットロスを検知し即座に再送
④ 高速回復（Fast Recovery）
- パケットロス検出後、CWNDを半分に減らし、緩やかに回復させる
- 通信を完全にリセットせず、効率的に復旧
(2) 最新の輻輳制御アルゴリズム
最近では、より高効率な輻輳制御アルゴリズムが開発されています。
| アルゴリズム | 特徴 |
|---|---|
| CUBIC | TCPのデフォルト。指数関数的な回復で高スループットを実現 |
| BBR (Bottleneck Bandwidth and RTT) | Google開発。帯域と遅延を最適に調整し、高速な通信を実現 |
| TCP Vegas | RTT（ラウンドトリップタイム）を利用し、混雑を事前に検出 |
| TCP Reno | パケットロスを基準に輻輳制御を行う従来の方式 |
特にBBRはYouTubeやGoogle Cloudのインフラで採用され、高速なデータ転送を可能にしています。
4. 輻輳制御の実装例
輻輳制御の動作を確認するために、Linux環境でBBRを有効化する方法を紹介します。
① BBRを有効化
# BBRがサポートされているか確認 sysctl net.ipv4.tcp_available_congestion_control # BBRを有効にする echo "net.core.default_qdisc=fq" | sudo tee -a /etc/sysctl.conf echo "net.ipv4.tcp_congestion_control=bbr" | sudo tee -a /etc/sysctl.conf sudo sysctl -p # 設定が反映されたか確認 sysctl net.ipv4.tcp_congestion_control
② 動作確認
BBRが正しく動作しているか確認するには、ネットワーク負荷をかけた状態で、パケットロスや遅延をチェックします。
# pingを使って遅延を測定 ping -c 10 google.com
5. まとめ
輻輳制御は、ネットワークの混雑を防ぎ、安定したデータ通信を実現する重要な技術です。特にTCPの輻輳制御は、スロースタートや高速回復などの仕組みを利用し、パケットロスを抑えつつ効率的な通信を提供します。
最近ではGoogleのBBRのような新しいアルゴリズムが登場し、高速かつ効率的な通信を実現しています。ネットワークパフォーマンスを最適化するために、適切な輻輳制御の理解と設定が重要になります。
