명시적 혼잡 알림
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1. 개요
명시적 혼잡 알림(ECN)은 네트워크 혼잡을 효과적으로 관리하기 위한 메커니즘으로, 인터넷 계층과 전송 계층에서 모두 지원이 필요하다. ECN은 IP 패킷 내의 ECN 필드를 사용하여 혼잡을 표시하고, 전송 프로토콜 헤더를 통해 수신자가 송신자에게 혼잡 정보를 전달한다. TCP에서는 ECN-Echo(ECE)와 Congestion Window Reduced(CWR) 플래그를 사용하여 ECN을 지원하며, 혼잡 발생 시 전송 속도를 조절한다. ECN은 다른 전송 프로토콜 및 UDP 기반 프로토콜에서도 사용될 수 있다. ECN은 능동 큐 관리(AQM)와 함께 사용될 때 지연 시간 감소 및 재전송 방지 등의 이점을 제공한다. 다양한 운영 체제와 라우터에서 ECN을 지원하며, 데이터 센터 전송 제어 프로토콜(DCTCP)은 ECN을 활용하여 TCP 혼잡 제어 알고리즘을 개선한다.
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- 전송 계층 프로토콜 - 사용자 데이터그램 프로토콜
사용자 데이터그램 프로토콜(UDP)은 연결 설정 없이 데이터를 전송하는 비연결형 전송 프로토콜로, 메시지 전달 보장은 상위 계층에 맡기지만 속도가 중요한 애플리케이션에서 널리 사용된다. - 전송 계층 프로토콜 - 전송 제어 프로토콜
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명시적 혼잡 알림 | |
---|---|
개요 | |
이름 | 명시적 혼잡 알림 |
영어 명칭 | Explicit Congestion Notification (ECN) |
설명 | 인터넷 프로토콜의 확장으로, 네트워크 혼잡을 알리는 메커니즘이다. |
기술 상세 | |
기능 | 네트워크 혼잡 발생 시, 패킷 손실 없이 송신자에게 알림 |
작동 방식 | 라우터가 혼잡을 감지하면 IP 헤더의 ECN 필드를 설정하여 송신자에게 알린다. |
이점 | 대기 시간 감소 네트워크 효율성 향상 패킷 손실 감소 |
단점 | 오래된 라우터나 방화벽에서 ECN 필드를 제대로 처리하지 못할 수 있다. |
필요 조건 | 송신자와 수신자 모두 ECN을 지원해야 한다. |
지원 프로토콜 | TCP, UDP |
구현 및 사용 | |
구현 현황 | , ECN은 널리 사용되지는 않지만, 점차적으로 도입되고 있다. |
사용 예시 | 데이터 센터, 모바일 네트워크 |
고려 사항 | 미들박스와의 호환성 문제 |
관련 기술 | |
관련 기술 | DCCP |
참고 자료 | Measuring the State of ECN Readiness in Servers, Clients, and Routers: ECN 준비 상태 측정 연구 Measuring Interactions Between Transport Protocols and Middleboxes: 전송 프로토콜과 미들박스 간의 상호 작용 측정 TBIT, the TCP Behavior Inference Tool: ECN: TCP 동작 추론 도구 Enabling Internet-Wide Deployment of Explicit Congestion Notification: 명시적 혼잡 알림의 인터넷 전체 배포 활성화 An Analysis of Changing Enterprise Network Traffic Characteristics: 변화하는 엔터프라이즈 네트워크 트래픽 특성 분석 Your App and Next Generation Networks: 차세대 네트워크와 앱의 관계 분석 |
2. 작동 원리
명시적 혼잡 알림(ECN)은 인터넷 계층과 전송 계층 모두에서 특정 지원이 필요하다. TCP/IP에서 라우터는 인터넷 계층 내에서 작동하지만, 전송 속도는 전송 계층의 엔드포인트에서 처리된다. 혼잡은 송신자만 처리할 수 있지만, 패킷이 전송된 후에야 혼잡이 발생한 것으로 알려지므로 수신자가 송신자에게 혼잡 표시를 반향해야 한다.
ECN이 없으면 혼잡 표시는 손실된 패킷의 감지를 통해 간접적으로 이루어진다. ECN을 사용하면 IP 패킷 내의 ECN 필드를 CE (Congestion Experienced, 혼잡 경험)로 설정하여 혼잡이 표시되고, TCP와 같은 상위 계층 프로토콜의 헤더에서 적절한 비트를 설정하여 수신자가 송신자에게 다시 에코한다.[7]
ECN은 IPv4 또는 IPv6 헤더의 트래픽 클래스 필드의 두 개의 최하위 (오른쪽) 비트를 사용하여 네 가지 다른 코드 포인트를 인코딩한다.
- `00` – ECN 비지원 전송, Not-ECT
- `01` – ECN 지원 전송(1), ECT(1)
- `10` – ECN 지원 전송(0), ECT(0)
- `11` – 혼잡 경험, CE.
두 종단점 모두 ECN을 지원하는 경우, 패킷을 ECT(0) 또는 ECT(1)로 표시한다. 라우터는 ECT(0) 및 ECT(1) 코드 포인트를 동일하게 취급한다. 패킷이 능동 대기열 관리(AQM) 대기열 (예: 무작위 초기 감지(RED)를 사용하는 대기열)을 통과하는 경우, 해당 대기열이 혼잡을 경험하고 해당 라우터가 ECN을 지원하면 코드 포인트를 패킷을 삭제하는 대신 `CE`로 변경할 수 있다. 이 행위는 "마킹"이라고 하며, 그 목적은 수신 종단점에 임박한 혼잡을 알리는 것이다. 수신 종단점에서 이 혼잡 표시는 상위 계층 프로토콜 (전송 계층 프로토콜)에 의해 처리되며, 전송 노드에 전송 속도를 줄이라고 신호를 보내기 위해 다시 에코되어야 한다.
CE 표시는 이를 지원하는 상위 계층 프로토콜에 의해서만 효과적으로 처리될 수 있으므로, ECN은 TCP와 같은 상위 계층 프로토콜과 함께 사용된다.
2. 1. IP에서의 ECN 작동
ECN은 인터넷 계층과 전송 계층 모두에서 특정 지원이 필요한데, 그 이유는 다음과 같다.- TCP/IP에서 라우터는 인터넷 계층 내에서 작동하지만, 전송 속도는 전송 계층의 엔드포인트에서 처리된다.
- 혼잡은 송신자만 처리할 수 있지만, 패킷이 전송된 후에야 혼잡이 발생한 것으로 알려지므로 수신자가 송신자에게 혼잡 표시를 반향해야 한다.
ECN이 없으면 혼잡 표시는 손실된 패킷의 감지를 통해 간접적으로 이루어진다. ECN을 사용하면 IP 패킷 내의 ECN 필드를 CE (Congestion Experienced, 혼잡 경험)로 설정하여 혼잡이 표시되고, 전송 프로토콜의 헤더에서 적절한 비트를 설정하여 수신자가 송신자에게 다시 에코한다. 예를 들어 TCP를 사용하는 경우 혼잡 표시는 ECE 비트를 설정하여 다시 에코된다.
ECN은 IPv4 또는 IPv6 헤더의 트래픽 클래스 필드의 두 개의 최하위 (오른쪽) 비트를 사용하여 네 가지 다른 코드 포인트를 인코딩한다.
- `00` – ECN 비지원 전송, Not-ECT
- `01` – ECN 지원 전송(1), ECT(1)
- `10` – ECN 지원 전송(0), ECT(0)
- `11` – 혼잡 경험, CE.
두 종단점 모두 ECN을 지원하는 경우, 패킷을 ECT(0) 또는 ECT(1)로 표시한다. 라우터는 ECT(0) 및 ECT(1) 코드 포인트를 동일하게 취급한다. 패킷이 능동 대기열 관리(AQM) 대기열 (예: 무작위 초기 감지(RED)를 사용하는 대기열)을 통과하는 경우, 해당 대기열이 혼잡을 경험하고 해당 라우터가 ECN을 지원하면 코드 포인트를 패킷을 삭제하는 대신 `CE`로 변경할 수 있다. 이 행위는 "마킹"이라고 하며, 그 목적은 수신 종단점에 임박한 혼잡을 알리는 것이다. 수신 종단점에서 이 혼잡 표시는 상위 계층 프로토콜 (전송 계층 프로토콜)에 의해 처리되며, 전송 노드에 전송 속도를 줄이라고 신호를 보내기 위해 다시 에코되어야 한다.
CE 표시는 이를 지원하는 상위 계층 프로토콜에 의해서만 효과적으로 처리될 수 있으므로, ECN은 혼잡 제어를 지원하고 CE 표시를 전송 종단점으로 에코하는 방법을 가진 TCP와 같은 상위 계층 프로토콜과 함께 사용된다.
2. 2. TCP에서의 ECN 작동
ECN은 인터넷 계층과 전송 계층 모두에서 특정 지원이 필요하다. TCP/IP에서 라우터는 인터넷 계층 내에서 작동하는 반면, 전송 속도는 전송 계층의 엔드포인트에서 처리되기 때문이다. 혼잡은 송신자만 처리할 수 있지만, 패킷이 전송된 후에야 혼잡이 발생한 것으로 알려지므로 수신자가 송신자에게 혼잡 표시를 반향해야 한다.ECN이 없으면 혼잡 표시 에코는 손실된 패킷의 감지를 통해 간접적으로 달성된다. ECN을 사용하면 IP 패킷 내의 ECN 필드를 CE (Congestion Experienced, 혼잡 경험)로 설정하여 혼잡이 표시되고, 전송 프로토콜의 헤더에서 적절한 비트를 설정하여 수신자가 송신자에게 다시 에코한다. 예를 들어 TCP를 사용하는 경우 혼잡 표시는 ECE 비트를 설정하여 다시 에코된다.
2. 2. 1. ECN과 TCP 제어 패킷
TCP는 TCP 헤더에 있는 두 개의 플래그를 사용하여 ECN을 지원한다. 첫 번째 플래그는 ''ECN-Echo''(ECE)로, 혼잡 지시를 반향(echo)하여 전송 속도를 줄이라는 신호를 보낸 측에 보낸다. 두 번째 플래그는 ''Congestion Window Reduced''(CWR)로, 혼잡 지시 반향이 수신되었음을 승인하는 데 사용된다. TCP 연결에서 ECN 사용은 선택 사항이며, ECN을 사용하려면 연결 설정 시 SYN 및 SYN-ACK 세그먼트에 적절한 옵션을 포함하여 협상해야 한다.ECN이 TCP 연결에서 협상되면, 송신자는 해당 연결의 TCP 세그먼트를 운반하는 IP 패킷이 ECN 지원 전송에서 트래픽을 운반하고 있음을 표시하기 위해 ECT 코드 포인트를 사용하여 표시한다. 이를 통해 ECN을 지원하는 중간 라우터는 임박한 혼잡을 알리기 위해 IP 패킷을 삭제하는 대신 CE 코드 포인트로 표시할 수 있다.
''Congestion Experienced'' 코드 포인트가 있는 IP 패킷을 수신하면, TCP 수신자는 TCP 헤더의 ECE 플래그를 사용하여 이 혼잡 지시를 반향한다. 엔드포인트가 ECE 비트가 설정된 TCP 세그먼트를 수신하면, 패킷 드롭과 마찬가지로 혼잡 윈도우를 줄인다. 그런 다음 CWR 비트가 설정된 세그먼트를 전송하여 혼잡 지시를 승인한다.
노드는 CWR 비트가 설정된 세그먼트를 수신할 때까지 ECE 비트가 설정된 TCP 세그먼트를 계속 전송한다.
tcpdump로 영향을 받는 패킷을 보려면, 필터 술어 `(tcp[13] & 0xc0 != 0)`을 사용한다.
전송 제어 프로토콜(TCP)은 제어 패킷(순수 ACK, SYN, FIN 세그먼트)에 대해 혼잡 제어를 수행하지 않으므로, 제어 패킷은 일반적으로 ECN 가능으로 표시되지 않는다.
2009년 제안은 SYN-ACK 패킷을 ECN 가능으로 표시할 것을 제안한다. ECN+로 알려진 이 개선은 단기 TCP 연결의 성능을 획기적으로 향상시키는 것으로 나타났다.[7]
2. 3. 기타 전송 프로토콜에서의 ECN 작동
ECN은 DCCP와 SCTP 등 혼잡 제어를 수행하는 다른 전송 계층 프로토콜에도 정의되어 있다. 일반적인 원리는 TCP와 유사하지만, 전송 중 인코딩의 세부 사항은 다르다.UDP 상위 계층 프로토콜에서도 ECN을 사용할 수 있다. 그러나 UDP는 애플리케이션이 혼잡 제어를 수행해야 하며, DNS와 같은 초기 UDP 기반 프로토콜은 ECN을 사용하지 않았다. QUIC과 같은 최근의 UDP 기반 프로토콜은 혼잡 제어를 위해 ECN을 사용하고 있다.
3. 성능에 미치는 영향
ECN은 능동 큐 관리(AQM) 정책과 함께 사용해야만 효과가 있으므로, ECN의 이점은 사용되는 정확한 AQM에 따라 달라진다. 그러나 몇 가지 관찰 결과는 다양한 AQM에서 공통적으로 나타나는 것으로 보인다.
예상대로 ECN은 TCP 연결에서 손실되는 패킷 수를 줄여 재전송을 방지함으로써 지연 시간과 특히 지터(jitter)를 감소시킨다. 이러한 효과는 TCP 연결에 단일 미처리 세그먼트[8]가 있을 때 가장 극적으로 나타나며, 이 경우 RTO 시간 초과를 방지할 수 있다. 이는 원격 로그인과 같은 대화형 연결, HTTP 요청, SMTP의 대화 단계 또는 SQL 요청과 같은 트랜잭션 프로토콜의 경우에 자주 발생한다.
ECN이 대량 처리량에 미치는 영향은 덜 명확하다.[8] 왜냐하면 현대 TCP 구현은 송신자의 윈도우가 클 때 손실된 세그먼트를 적시에 다시 전송하는 데 상당히 능숙하기 때문이다.
ECN의 사용은 패킷을 절대 드롭하지 않는 AQM 알고리즘을 사용할 때 혼잡도가 높은 네트워크에서 성능에 해로운 것으로 나타났다.[7] 현대 AQM 구현은 과도한 부하에서 패킷을 마킹하는 대신 드롭하여 이러한 함정을 피한다.
4. 구현
TCP/IP 프로토콜 제품군의 많은 최신 구현은 명시적 혼잡 알림(ECN)을 지원하지만, 초기에는 ECN이 비활성화된 상태로 제공되는 경우가 많았다. 이후 다양한 운영 체제에서 ECN을 지원하기 시작했다.
- 마이크로소프트 윈도우는 Windows Server 2008 및 Windows Vista 이후 버전부터 TCP에 대한 ECN을 지원한다.[9] Windows Server 2012부터는 DCTCP이 사용되므로 기본적으로 활성화되어 있다.[10]
- FreeBSD, NetBSD, OpenBSD와 같은 BSD 계열 운영 체제는 sysctl 인터페이스를 통해 TCP ECN을 구성하거나 활성화할 수 있다.[11][12][13]
- 리눅스 커널은 2.4.20 버전부터 세 가지 작동 모드를 지원하며,[14][15] 4.1 버전부터는 ECN 연결 시도 및 폴백 메커니즘이 기본적으로 활성화된다.[16]
- 애플의 Mac OS X 10.5 및 10.6은 TCP ECN 지원을 구현했으며, sysctl 변수를 통해 제어된다.[17] iOS는 iOS 9부터 ECN을 지원하고 기본적으로 활성화되었으며,[6] iOS 11에서는 완전히 활성화되었다.[21]
- 솔라리스 커널은 세 가지 ECN 상태를 지원하며, 11.4 버전부터 기본 동작은 ECN 사용이다.[22][23]
4. 1. 호스트의 TCP ECN 지원
마이크로소프트 윈도우는 Windows Server 2008 및 Windows Vista 이후 버전부터 TCP에 대한 ECN을 지원한다.[9] Windows Server 2012부터는 DCTCP이 사용되므로 기본적으로 활성화되어 있다.[10] 이전 버전 및 비 서버 버전에서는 기본적으로 비활성화되어 있지만, `netsh interface tcp set global ecncapability=enabled` 셸 명령을 사용하여 활성화할 수 있다.FreeBSD, NetBSD, OpenBSD와 같은 BSD 계열 운영 체제는 sysctl 인터페이스를 통해 TCP ECN을 구성하거나 활성화할 수 있다.[11][12][13] 리눅스 커널은 2.4.20 버전부터 세 가지 작동 모드를 지원하며,[14][15] 4.1 버전부터는 ECN 연결 시도 및 폴백 메커니즘이 기본적으로 활성화된다.[16]
애플의 Mac OS X 10.5 및 10.6은 TCP ECN 지원을 구현했으며, sysctl 변수를 통해 제어된다.[17] iOS는 iOS 9부터 ECN을 지원하고 기본적으로 활성화되었으며,[6] iOS 11에서는 완전히 활성화되었다.[21] 솔라리스 커널은 세 가지 ECN 상태를 지원하며, 11.4 버전부터 기본 동작은 ECN 사용이다.[22][23]
4. 1. 1. Microsoft Windows
Windows Server 2008 및 Windows Vista 이후 버전의 Windows는 TCP에 대한 ECN을 지원한다.[9] Windows Server 2012부터는 DCTCP이 사용되므로 Windows Server 버전에서 기본적으로 활성화되어 있다.[10] 이전 Windows 버전 및 비 서버 버전에서는 기본적으로 비활성화되어 있다.ECN 지원은 `netsh interface tcp set global ecncapability=enabled`와 같은 셸 명령을 사용하여 활성화할 수 있다.
4. 1. 2. BSD
FreeBSD에서 TCP에 대한 ECN은 `net.inet.tcp.ecn.enable` sysctl을 사용하여 구성할 수 있다. 기본적으로 ECN은 이를 요청하는 수신 연결에 대해서만 활성화된다. 모든 연결에 대해 활성화하거나 완전히 비활성화할 수도 있다.[11]NetBSD 4.0은 TCP에 대한 ECN 지원을 구현하며, `sysctl net.inet.tcp.ecn.enable` 매개변수에 1을 설정하여 sysctl 인터페이스를 통해 활성화할 수 있다.[12]
마찬가지로, OpenBSD에서도 sysctl `net.inet.tcp.ecn`을 사용할 수 있다.[13]
4. 1. 3. Linux
리눅스 커널 2.4.20 버전부터[14] 리눅스는 sysctl 인터페이스를 통해 TCP에 대한 ECN의 세 가지 작동 모드를 지원한다.[15]- 0: ECN을 비활성화하고 시작하거나 수락하지 않음
- 1: 들어오는 연결에서 요청 시 ECN을 활성화하고, 나가는 연결 시도에 대해서도 ECN을 요청함
- 2: (기본값) 들어오는 연결에서 요청 시 ECN을 활성화하지만 나가는 연결에 대해서는 ECN을 요청하지 않음
2015년 6월에 출시된 리눅스 커널 4.1 버전부터는 ECN이 활성화된 경우(값 1), ECN 연결을 시도하며 ECN 기능을 지원하지 않는 호스트나 방화벽 관련 문제를 완화하기 위해 ECN 기능이 없는 전송으로 자동 폴백하는 메커니즘이 기본적으로 활성화된다.[16]
4. 1. 4. Mac OS X
Mac OS X 10.5 및 10.6은 TCP에 대한 ECN(명시적 혼잡 알림) 지원을 구현한다. 이 기능은 sysctl 변수 `net.inet.tcp.ecn_negotiate_in` 및 `net.inet.tcp.ecn_initiate_out`을 사용하여 제어된다.[17] 첫 번째 변수는 ECN 플래그가 이미 설정된 들어오는 연결에 대해 ECN을 활성화하고, 두 번째 변수는 ECN이 활성화된 상태로 나가는 연결을 시작하려고 시도한다. 두 변수 모두 기본값은 `0`이지만, 각 동작을 활성화하려면 `1`로 설정할 수 있다.2015년 6월, 애플은 OS X 10.11에서 ECN이 기본적으로 켜져 있을 것이라고 발표했지만, 해당 기본 동작 없이 OS가 출시되었다. macOS Sierra에서는 절반의 TCP 세션에 대해 ECN이 활성화된다.[18]
4. 1. 5. iOS
애플은 2015년 6월, 차기 iOS 버전인 iOS 9에서 ECN을 지원하고 기본적으로 활성화할 것이라고 발표했다.[6] iOS 9에서는 Wi-Fi/이더넷을 통한 무작위로 선택된 연결의 5%에서 TCP ECN 협상이 활성화되었고, iOS 10에서는 Wi-Fi/이더넷 및 일부 이동통신사를 통한 무작위로 선택된 연결의 50%에서 활성화되었으며,[19][20] iOS 11에서는 100% 활성화되었다.[21]4. 1. 6. Solaris
솔라리스 커널은 TCP에 대해 세 가지 ECN 상태를 지원한다.[22]- ECN 사용 안 함
- ECN 사용
- 요청 시에만 ECN 지원을 알림
솔라리스 11.4 버전부터 기본 동작은 ECN 사용이다. ECN 사용 여부는 `ipadm set-prop -p ecn=active tcp`를 통해 수정할 수 있다.[23]
4. 2. 라우터의 IP ECN 지원
Cisco IOS 라우터는 버전 12.2(8)T부터 WRED 큐 규율로 구성된 경우 ECN 마킹을 수행한다.리눅스 라우터는 명시적인 ''ecn'' 매개변수를 사용하여 RED 또는 GRED 큐 규율 중 하나로 구성되거나, sfb 규율을 사용하거나, CoDel 공정 큐잉(fq_codel) 규율 또는 CAKE[24] 큐 규율을 사용하여 ECN 마킹을 수행한다.
FreeBSD, NetBSD 및 OpenBSD와 같은 최신 BSD 구현은 ALTQ 큐잉 구현에서 여러 큐 규율, 특히 RED 및 블루에 대해 ECN 마킹을 지원한다. FreeBSD 11은 ECN 마킹 기능을 갖춘 ipfw/dummynet 프레임워크에 CoDel, PIE, FQ-CoDel 및 FQ-PIE 큐 규율 구현을 포함했다.[25]
5. 데이터 센터 TCP (DCTCP)
''데이터 센터 전송 제어 프로토콜''(Data Center TCP, 줄여서 DCTCP)은 ECN을 활용하여 전송 제어 프로토콜 혼잡 제어 알고리즘을 개선한다.[26] 이는 데이터 센터 네트워크에서 사용된다. 표준 TCP 혼잡 제어 알고리즘은 혼잡의 ''존재'' 여부만 감지할 수 있는 반면, DCTCP는 ECN을 사용하여 혼잡의 ''정도''를 측정할 수 있다.[27]
DCTCP는 TCP 수신자를 수정하여 들어오는 패킷의 정확한 ECN 마킹을 항상 중계하도록 한다. 이는 시그널링 신뢰성을 보존하기 위한 기능을 무시하는 대가로 이루어진다. 이로 인해 DCTCP 송신자는 수신자로부터 ACK 손실에 취약해지며, 이를 감지하거나 대처할 수 있는 메커니즘이 없다.[28] 2014년 7월 기준으로, 더 신뢰할 수 있는 방식으로 동등하거나 더 나은 수신자 피드백을 제공하는 알고리즘이 활발히 연구되고 있다.[28]
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