TCPの輻輳制御とは？アルゴリズムと仕組みも！（スロースタート：輻輳回避：CUBIC：BBR：ウィンドウサイズ：ネットワーク混雑対策など）

 

インターネットでデータをやり取りする際、ネットワークが混雑していると通信速度が低下したり、パケットが失われたりする問題が発生します。このような状況を適切に制御する仕組みがTCPの輻輳制御です。

輻輳制御は、ネットワークの状態を監視しながら送信するデータ量を動的に調整することで、効率的かつ公平な通信を実現する技術でしょう。特にWebブラウジングや動画ストリーミングなど、日常的に利用するインターネットサービスの快適さを支える重要な役割を担っています。

本記事では、TCPの輻輳制御の基本的な考え方から、スロースタートや輻輳回避といった代表的なアルゴリズム、さらには最新のCUBICやBBRまで、ネットワーク混雑対策の仕組みを詳しく解説していきます。

TCPの輻輳制御とは何か？基本的な役割と目的

それではまず、TCPの輻輳制御の基本について解説していきます。

輻輳制御の定義と必要性

輻輳制御（Congestion Control）とは、ネットワーク上でデータの送信量を制御し、ネットワークの混雑状態を適切に管理する仕組みです。インターネットでは多数の通信が同時に行われており、特定の経路に大量のデータが集中すると、ルーターやスイッチのバッファが溢れてパケットロスが発生してしまいます。

輻輳制御がなければ、送信側は受信側が受け取れる能力があるかぎり際限なくデータを送り続けるでしょう。その結果、ネットワーク全体が麻痺状態に陥り、すべての通信が遅延したり切断されたりする事態が起こります。

フロー制御との違い

TCPには輻輳制御と似た概念としてフロー制御があります。両者は混同されやすいですが、目的と対象が異なる仕組みです。

フロー制御は、受信側のバッファ容量に応じて送信量を調整する仕組みでしょう。受信側が処理できる速度を超えてデータが送られると、受信バッファが溢れてしまうため、受信ウィンドウサイズを通知することで送信側に制限をかけます。

一方、輻輳制御はネットワーク経路全体の混雑状態に対応する仕組みです。送信側と受信側の間にある中間ノード（ルーターなど）の処理能力や帯域幅を考慮し、ネットワーク全体が円滑に機能するように送信量を調整します。

項目	フロー制御	輻輳制御
目的	受信側の保護	ネットワーク全体の保護
対象	受信側のバッファ	ネットワーク経路の帯域
制御情報	受信ウィンドウサイズ	輻輳ウィンドウサイズ
通知方法	TCPヘッダで明示的に通知	パケットロスやRTTから推測

輻輳ウィンドウ（CWND）の概念

輻輳制御の中核となるのが輻輳ウィンドウ（Congestion Window、CWND）という概念です。これは、送信側が確認応答を受け取らずに送信できるデータ量の上限を示すパラメータでしょう。

実際の送信ウィンドウサイズは、輻輳ウィンドウと受信ウィンドウの小さい方の値が採用されます。ネットワークの状態に応じてCWNDを動的に調整することで、効率的かつ安全なデータ転送が実現されるのです。

TCPの輻輳制御アルゴリズムの種類と動作原理

続いては、代表的な輻輳制御アルゴリズムを確認していきます。

スロースタート（Slow Start）の仕組み

スロースタートは、通信開始時にネットワークの状態が不明な状態から安全に送信速度を上げていくアルゴリズムです。名前に「スロー」とありますが、実際には指数関数的に速度を増加させる積極的な手法でしょう。

スロースタートでは、初期のCWNDを小さな値（通常1〜10セグメント）から開始します。ACK（確認応答）を受信するたびにCWNDを1セグメントずつ増加させることで、実質的には1往復（RTT）ごとにウィンドウサイズが倍増していく仕組みです。

この急激な増加は、スロースタート閾値（ssthresh）と呼ばれる値に達するまで続きます。閾値に到達すると、より慎重な輻輳回避フェーズに移行するでしょう。

輻輳回避（Congestion Avoidance）の動作

CWNDがスロースタート閾値に達すると、輻輳回避フェーズに移行します。このフェーズでは、ネットワークの限界に近づいていると判断し、より慎重にウィンドウサイズを増加させるアプローチを取ります。

輻輳回避では、1 RTTごとにCWNDを1セグメントだけ増加させる線形増加を行います。スロースタートの指数的増加と比べると、はるかに緩やかな増加ペースでしょう。

この慎重なアプローチにより、ネットワークの容量ギリギリまで帯域を活用しながらも、急激な輻輳を回避できます。パケットロスが検出されると、輻輳が発生したと判断し、CWNDを減少させて再度スロースタートや輻輳回避を開始する仕組みです。

高速再送と高速リカバリ

パケットロスが発生した際の対応として、高速再送（Fast Retransmit）と高速リカバリ（Fast Recovery）というメカニズムが実装されています。

高速再送は、重複ACKを3つ受信した時点で、タイムアウトを待たずに即座にパケットを再送する仕組みでしょう。これにより、再送タイムアウトによる長い待ち時間を回避できます。

高速リカバリでは、高速再送後にCWNDをゼロまで落とさず、ssthreshの半分程度に設定して輻輳回避フェーズから再開します。タイムアウトによる再送と比べて、より迅速に通信速度を回復できる利点があるのです。

イベント	CWND の変化	ssthresh の変化	次のフェーズ
ACK受信（スロースタート中）	+1セグメント/ACK	変化なし	継続またはCA移行
ACK受信（輻輳回避中）	+1セグメント/RTT	変化なし	継続
重複ACK 3個	CWND/2	CWND/2	高速リカバリ
タイムアウト	1セグメントに	CWND/2	スロースタート

最新の輻輳制御アルゴリズム：CUBICとBBR

続いては、現代的な輻輳制御アルゴリズムを確認していきます。

CUBIC TCPの特徴と利点

CUBICは、現在LinuxやWindowsで標準的に採用されている輻輳制御アルゴリズムです。従来のReno系アルゴリズムと比べて、特に高速・長距離ネットワークでの性能が大幅に向上しています。

CUBICの最大の特徴は、ウィンドウサイズの増加が3次関数（Cubic Function）に従う点でしょう。パケットロス後、最後にロスが発生したウィンドウサイズ付近まで急速に回復し、その後は慎重に探索する動作を行います。

この仕組みにより、RTT（往復遅延時間）が長い環境でも効率的に帯域を活用できるようになりました。従来のアルゴリズムではRTTが長いと回復に時間がかかりましたが、CUBICはRTTの影響を受けにくい設計になっています。

BBR（Bottleneck Bandwidth and RTT）の革新性

Googleが開発したBBR（Bottleneck Bandwidth and RTT）は、従来の輻輳制御アルゴリズムとは根本的に異なるアプローチを採用しています。

従来のアルゴリズムはパケットロスを輻輳の指標としていました。しかしBBRは、ネットワークの帯域幅とRTTを直接測定し、最適な送信レートを計算する仕組みです。パケットロスが発生する前に適切な速度に調整できるため、より効率的な帯域利用が可能になります。

BBRは特に、パケットロス率が高い環境や帯域が変動する無線ネットワークで優れた性能を発揮するでしょう。YouTubeやGoogle検索など、Googleのサービスで広く採用されており、ユーザー体験の向上に貢献しています。

各アルゴリズムの使い分け

輻輳制御アルゴリズムは、ネットワーク環境や用途に応じて適切なものを選択することが重要です。

CUBICは汎用性が高く、多くの環境で安定した性能を発揮します。特に有線ネットワークや長距離通信で効果的でしょう。一方、BBRはパケットロスが多い環境や帯域が不安定なネットワークで優位性を持ちます。

アルゴリズム	輻輳検出方法	適した環境	主な利点
Reno/NewReno	パケットロス	一般的なネットワーク	シンプル・互換性高い
CUBIC	パケットロス	高速・長距離ネットワーク	RTT非依存・高性能
BBR	帯域・RTT測定	変動の多いネットワーク	ロス前に調整・効率的
DCTCP	ECN（明示的輻輳通知）	データセンター内	低遅延・高精度制御

輻輳制御におけるウィンドウサイズとネットワーク混雑対策

続いては、ウィンドウサイズの調整メカニズムと実践的な混雑対策を確認していきます。

ウィンドウサイズの動的調整メカニズム

ウィンドウサイズの調整は、輻輳制御の核心的な機能です。ネットワークの状態に応じて適切なサイズを維持することで、効率と安定性のバランスを取ります。

ウィンドウサイズは、加法的増加・乗法的減少（AIMD：Additive Increase Multiplicative Decrease）という基本原則に従って調整されるでしょう。正常時は線形に増加させ、輻輳検出時は急激に減少させることで、ネットワークの安定性を保ちます。

具体的には、輻輳回避フェーズでは1 RTTごとに1セグメント増加させ、パケットロス検出時にはウィンドウサイズを半分に減少させる動作が典型的です。この非対称な調整により、ネットワークが不安定になるリスクを最小化しています。

帯域遅延積（BDP）との関係

最適なウィンドウサイズを考える上で重要な概念が帯域遅延積（Bandwidth-Delay Product、BDP）です。これは、ネットワークの帯域幅とRTTの積で計算される値でしょう。

BDPは、ネットワークパイプを満たすために必要なデータ量を表します。理想的には、ウィンドウサイズをBDPに近い値に設定することで、帯域を最大限活用しながらバッファの溢れを防げるのです。

実践的なネットワーク混雑対策

輻輳制御アルゴリズムに加えて、実際のネットワーク運用では様々な混雑対策が併用されます。

明示的輻輳通知（ECN：Explicit Congestion Notification）は、ルーターが輻輳を検出した際に、パケットを破棄せずにマーキングして送信側に通知する仕組みです。これにより、パケットロスによる性能低下を回避しながら輻輳制御が可能になります。

また、バッファ管理も重要な対策でしょう。AQM（Active Queue Management）やRED（Random Early Detection）といった技術により、ルーターのバッファが完全に満杯になる前に積極的にパケットを破棄することで、輻輳の早期検出と公平性の向上を図ります。

さらに、アプリケーション層での対策として、ストリーミング品質の動的調整や優先度制御（QoS）も効果的な混雑対策として機能しています。

まとめ

TCPの輻輳制御は、インターネット通信の効率性と安定性を支える基盤技術です。スロースタートと輻輳回避という基本原理から、CUBICやBBRといった最新アルゴリズムまで、ネットワーク環境の進化に合わせて発展を続けています。

輻輳ウィンドウサイズを動的に調整することで、ネットワークの混雑を回避しながら帯域を最大限活用する仕組みは、現代のインターネットにおいて不可欠な機能でしょう。パケットロスの検出から回復、そして最適な送信レートの維持まで、複雑な処理が自動的に行われることで、私たちは快適な通信環境を享受できています。

ネットワークエンジニアやシステム管理者にとって、輻輳制御の理解は適切なパフォーマンスチューニングやトラブルシューティングに直結する重要な知識です。環境に応じた適切なアルゴリズムの選択と設定により、通信品質を大きく向上させることができるでしょう。