ネットワークにおける輻輳制御は、データ通信において非常に重要な役割を果たします。特にTCP（Transmission Control Protocol）は、インターネットをはじめとする多くのネットワークで使用される主要なプロトコルであり、データの信頼性と輻輳の管理を担っています。このようなネットワークの健全性を保つために、TCPは輻輳制御の手法を導入しています。この記事では、TCPにおける輻輳制御について、その重要性、メカニズム、各手法、そしてその動作を詳しく解説します。
1. 輻輳制御の重要性
インターネットや企業内ネットワークにおいて、データの送受信が過度に集中すると、ネットワーク内のデバイスやリンクが処理できる容量を超えてしまうことがあります。このような状況を「輻輳」と呼びます。輻輳が発生すると、ネットワークのパフォーマンスが低下し、遅延やパケットロスが増加するため、通信の信頼性が損なわれます。したがって、輻輳制御はネットワークの安定性を保つために必要不可欠です。
TCPは、接続確立時からデータ送信中、さらには切断時まで、全てのデータ通信において輻輳制御を行っています。これにより、ネットワークの混雑を未然に防ぎ、適切な速度でデータが送信されるように調整します。
2. TCPの輻輳制御メカニズム
TCPにおける輻輳制御は、ネットワークの状況に応じて動的に送信速度を調整するメカニズムです。これにより、ネットワークの帯域幅を効率的に使用し、輻輳を回避します。TCPの輻輳制御は主に以下の4つのステージで行われます。
2.1 スタートアップ（Slow Start）
TCP通信が開始されると、最初は比較的少量のデータしか送信しません。これを「スロー・スタート（Slow Start）」と呼びます。この段階では、送信するパケット数を指数関数的に増加させます。具体的には、最初に1つのパケット（MSS：最大セグメントサイズ）を送信し、応答を受け取るごとに送信パケットの数を倍増させていきます。これにより、ネットワークがどれくらいの速度でデータを処理できるかを試すことができます。
2.2 減速（Congestion Avoidance）
「スロー・スタート」での急激な増加が続くと、ネットワークが輻輳しやすくなります。そのため、TCPは輻輳の兆候を探し、速やかに送信速度を調整します。この調整を行う段階が「減速（Congestion Avoidance）」です。この段階では、送信パケットの増加速度が線形に変更されます。具体的には、送信ウィンドウ（輻輳ウィンドウ）を1回の応答で1パケット分ずつ増加させることで、送信速度の急激な増加を防ぎます。
2.3 輻輳検出（Fast Retransmit）
もし、TCPが送信したパケットの一部が途中で失われた場合、受信側は再送要求を出します。これを「重複確認応答（Duplicate ACK）」と呼びます。このような重複確認応答を受け取ることで、TCPはパケットの喪失を感知し、「迅速再送（Fast Retransmit）」を実行します。これは、失われたパケットをすぐに再送することで、遅延を最小限に抑えます。
2.4 輻輳回避（Fast Recovery）
「迅速再送」の後、TCPは通信速度を一時的に減速させます。これを「輻輳回避（Fast Recovery）」と呼びます。具体的には、輻輳ウィンドウのサイズを半分に減少させ、再度スロー・スタートに戻らず、減速段階を進行させます。このようにして、ネットワークの負荷を減らしつつ、データ転送を続けます。
3. TCPの輻輳制御アルゴリズム
TCPにおける輻輳制御にはいくつかのアルゴリズムが存在し、これらはネットワーク環境や使用目的に応じて選択されます。代表的なアルゴリズムには以下のものがあります。
3.1 Tahoe
TCP Tahoeは、最も基本的な輻輳制御アルゴリズムです。先に述べたスロー・スタート、減速、輻輳検出、そして輻輳回避の手順を踏襲していますが、輻輳が発生すると、スロー・スタートに戻るため、送信速度が大きく減少することがあります。
3.2 Reno
TCP Renoは、Tahoeを改良したアルゴリズムです。Renoでは、重複確認応答を受け取ることで、輻輳回避の際にスロー・スタートに戻らず、迅速再送後も送信ウィンドウを減少させる方法が採用されています。これにより、パフォーマンスが向上し、ネットワーク効率が高くなります。
3.3 NewReno
TCP NewRenoは、Renoをさらに改良したアルゴリズムで、複数のパケットが同時に失われた場合にも効果的に動作します。具体的には、複数の重複確認応答を利用して、より効率的に輻輳制御を行うことができます。
3.4 BBR（Bottleneck Bandwidth and Round-trip propagation time）
BBRは、最近登場したTCPの輻輳制御アルゴリズムで、これまでの「ウィンドウサイズ」に依存する方式とは異なり、ネットワークのボトルネック帯域幅とRTT（ラウンドトリップ時間）を基に送信速度を決定します。これにより、遅延や輻輳の影響を受けにくく、高速な通信を実現します。
4. 輻輳制御の未来
TCPの輻輳制御は、ネットワーク技術の進化に伴い、ますます重要な役割を果たしています。特に、5GやIoT（モノのインターネット）などの新しい技術が普及する中で、輻輳制御の精度や効率性がより求められています。これらの技術に対応するために、新しいアルゴリズムやアプローチが開発され、ネットワークのスケーラビリティや信頼性を向上させることが期待されています。
また、TCP以外のプロトコル（例えば、QUICなど）でも輻輳制御の概念が採用されており、ネットワーク全体で効率的なデータ転送を実現するための研究が進んでいます。
5. 結論
TCPの輻輳制御は、インターネット上のデータ通信における安定性を確保するための基盤であり、そのメカニズムとアルゴリズムはネットワークの健全性を保つために重要です。送信速度の調整を通じて、輻輳を防止し、最適な通信環境を提供します。今後、ネットワーク技術が進化する中で、これらの制御方法もさらに洗練され、より効率的で信頼性の高いデータ通信が実現されることでしょう。