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インターネットがよくわかる通信のしくみ:インターネットのトラフィック渋滞 〜「輻輳」はなぜ起こるのか?Inside-Out

「インターネットがよくわかる 通信のしくみ」と題して、日々なにげなく利用している(普段は目にすることのない)テクノロジーの裏側を改めて紹介する。今回は、インターネットで生じるトラフィックの渋滞、いわゆる「輻輳(ふくそう)」は、いつ・どこで・どのような要因から起こるのか? 輻輳のメカニズムを詳解する。

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IIJ.news Vol.163
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本記事は、株式会社インターネットイニシアティブの許可をいただき、「IIJ.news Vol.163」の「インターネットがよくわかる通信のしくみ インターネットのトラフィック渋滞 〜「輻輳」はなぜ起こるのか?」(2021年4月号)を転載したものです。そのため、用字用語の統一ルールなどが、@ITのものと異なります。ご了承ください。


長 健二朗 氏

執筆者プロフィール

長 健二朗
IIJ 技術研究所 所長
インターネット計測とデータ解析などの研究に取り組んでいる。


統計多重効果と輻輳

 インターネットの接続サービスは、回線を多くのユーザ間で共有することにより、高速な通信サービスを低価格で提供しています。コンピュータ通信は間欠的で伝送路の利用率が低いため、回線を共有することで回線の利用率を向上できます。多くのユーザ間で一本の回線を共有すれば、利用が重ならない限り全帯域を利用でき、多少の利用の重なりはバッファリングで解決できます。このように同時利用率の低いリソースを共有利用して効率改善することを「統計多重効果」と呼び、これはインターネットの設計原理でもあります。

 回線を共有することで、利用率が低い時には高い性能を出せますが、多重化が進み、全体の利用率が上がるにしたがって、利用の衝突が増えて性能が落ち、ついには渋滞状態に至ります。そのような通信の渋滞現象を「輻輳」と呼びます。統計多重効果の効率を上げようとすると輻輳のリスクが増えるので、バランスを上手くとって安定したサービスを低コストで実現するのが、ISPの仕事です。

統計多重効果

輻輳はどのように起こるのか

 輻輳は、複数回線を収容するスイッチやルータで回線容量を越えて継続的にパケットを送出しようとした際に起こり、複数の回線から一つの回線へ合流する場合と、容量の大きい回線から小さい回線に流入する場合とがあります。

 送信側にはバッファがあり、回線容量以上のパケットは送信待ちのバッファに入ります。多少のゆらぎによる集中はここで吸収されますが、バッファに収まりきらないパケットは廃棄されます。パケットが廃棄されても、TCPに代表されるトランスポートプロトコルがエンド・エンドで再送し、データを復元して届けます。パケット廃棄率が数パーセント以下であれば、通常TCPが数十ミリ秒程度で効率よく修復するため、ユーザはほとんど気づきません。しかし交通渋滞と同様に、ある程度以上混んでくると、連鎖的に効率が低下して輻輳に発展します。パケット廃棄が続くと、TCPは再送間隔を倍々に増やしながら再送を繰り返すことになり、ユーザにもわかるような遅延が発生します。

 最近では、動画、大型のゲーム配信、アップデートなどでトラフィック量が増えたことに加え、性能が低下しても一定の通信量を維持しようとするストリーミング配信の影響により、統計多重効果が効きにくくなっていると考えられます。また、輻輳するとストリーミング再生が止まるので、ユーザも輻輳に気づきやすくなっています。

輻輳が起こる仕組み

輻輳はどこで起こっているか

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