輻輳制御の公平性とバッファ占有の可視化

何を可視化すれば挙動が読めるか

複数フローが1本のボトルネックを奪い合うとき、「速い・遅い」だけでは挙動を説明できません。観測すべき量は3つあり、これらは同じ競合を別角度から切り出したものです。

• 帯域配分（throughput）: 各フローが単位時間に運べたバイト数。フロー間の取り分の偏りを示す。
• RTT公平性: RTTの異なるフローどうしが、取り分でどれだけ差をつけられるか。AIMDは増加が毎RTTなので、RTTが短いフローほど速く窓を伸ばし有利になる。
• キュー占有（queue occupancy）: ボトルネックのバッファに滞留しているバイト数。これが遅延の正体で、ロスやマーキングの発生源でもある。

3軸を分けて見る理由は、片方だけだと誤読するからです。帯域だけ見れば「公平に分かれている」ように見えても、キュー占有が満杯近くなら全フローが過大な遅延を被っている（バッファ肥大）。逆にキューが浅くても、配分が偏っていれば一部フローが飢えている。3軸を時系列で並べて初めて、健全か否かを判定できます。

ロスベースのキュー占有：満杯近くで動く

CUBIC や Reno などのロスベース制御は、パケットロスを輻輳の合図に使います（基礎はAIMD と輻輳制御の数理を参照）。ロスは「バッファが溢れた」ときに起きるので、送信側はバッファを満杯近くまで埋めて初めて減速します。これがキュー占有を高止まりさせる根本原因です。

時系列で追うと、典型的にこう動きます。

# ボトルネック容量 C、深いバッファのキュー占有を時間で追う（概念）
窓を加法増加 ──▶ in-flight が BDP を超える
            ──▶ 超過分がバッファに溜まり、キュー占有が単調増加
キュー占有が上限に到達 ──▶ テールドロップでロス発生
            ──▶ 全フローが乗法減少（窓を約半分／CUBICは0.7倍）
            ──▶ キューが一気に掃けて占有が急落
            ──▶ 再び加法増加 …（鋸歯状＝sawtoothを描く）

キュー占有が鋸歯状に振動し、その谷でも完全には空かないのがロスベースの特徴です。占有がゼロに張り付かない分の滞留時間が、そのまま全フローのRTTに上乗せされます。深いバッファほど振幅が大きく遅延が膨らむ——これがバッファ肥大で、バッファブロートと AQMで扱う問題そのものです。

RTT不公平：短いRTTが帯域を多く取る

ロスベースの最も直感に反する挙動がRTT不公平です。同じボトルネックを共有しても、RTTの短いフローがRTTの長いフローより多くの帯域を取ります。

理由はAIMDの増加が「毎RTT」一定量だからです。RTTが半分のフローは、同じ実時間のあいだに2倍の回数だけ窓を増やせる。ロス後の回復も速い。結果として定常状態の取り分はおおむねRTTに反比例します。RTTが半分のフローは約2倍、4分の1のフローは約4倍の帯域を取る、という構造的な偏りです。

CUBICはこの不公平を緩和します。窓更新をRTT回数でなく実時間 t の三次関数で行うため、RTTへの依存が弱まり、長RTTフローも実時間ベースで窓を伸ばせるからです（仕組みはCUBIC の三次関数ウィンドウ制御）。ただし完全には消えません。実装が実時間に近づくほどRTT公平性は改善する、という方向性です。

BBRの可視化：キューを埋めずに競う

BBRはロスを信号にせず、ボトルネック帯域 BtlBw と最小RTT（RTprop）を直接推定して、その積であるBDPちょうどを狙います（詳細はBBR の帯域・RTT推定モデル）。可視化すると挙動が根本的に違います。

• キュー占有: 定常状態では低く保たれる。ProbeBWのゲイン1.25でわずかに増速したぶん一時的にキューが立つが、続く0.75段で吐き出すため、占有は浅い帯で小さく上下する。ロスベースのような満杯近くの鋸歯にならない。
• 帯域配分: 多くの場面でロスベースより均等。ただし無条件ではない。
• RTT公平性: RTpropを最小値で測りBDPを満たすだけ送るので、AIMD由来のRTT不公平は構造的に出にくい。

# BBRのキュー占有（ProbeBWサイクル、概念）
gain 1.25 段 ──▶ 軽く増速、キュー占有がわずかに立つ
gain 0.75 段 ──▶ 余剰を吐き出し、占有がほぼゼロへ戻る
gain 1.0 ×6段 ──▶ BDP相当を安定送出、占有は浅いまま
ProbeRTT     ──▶ in-flightを数パケットに絞り、占有をゼロにしてRTprop再測

系統と分岐：何を信号にするかで挙動が割れる

可視化で見える挙動差は、突き詰めると「何を輻輳の信号にするか」の系統分岐に対応します。年代と分岐を整理します。

• 1988年・ロスベース（Tahoe/Reno）: 信号はパケットロス。バッファを満杯まで埋めて競う。キュー占有が高止まりし、RTT不公平が大きい。
• 2006年前後・ロスベースの高速版（CUBIC）: 信号は依然ロスだが、窓更新を実時間の三次関数にしてRTT依存を弱めた。RTT公平性を改善しつつ大BDP経路を埋める。Linux既定。
• 2016年・モデルベース（BBR）: 信号をロスから帯域とRTTの実測へ置換。キュー占有を低く保つが、最大値推定ゆえの配分の偏りという別の課題を持つ。
• 遅延ベース（Vegas系）: 信号はRTT増加。キューを浅く保てるが、ロスベースと同居すると遅延増加で先に引くため帯域を奪われ、単独では普及しにくい分岐。

全体の流れはTCP輻輳制御の系譜に、3軸の土台となる遅延とスループットの関係は帯域・レイテンシ・スループットにまとまっています。