iSCSI 다중 TCP 연결 성능 향상을 위한 Fair‑TCP 설계와 평가

** 본 논문은 스토리지 영역 네트워크(SAN)에서 비용 효율적인 iSCSI 솔루션이 널리 채택되는 배경에서, 다중 TCP 연결이 초래하는 대역폭 불공정 문제를 심층적으로 분석하고 이를 해결하기 위한 새로운 메커니즘인 Fair‑TCP 를 제시한다. 먼저, iSCSI가 TCP/IP 위에 SCSI 명령을 캡슐화함으로써 기존 Fibre Channel(FC) 대비 저비용·범용 인프라를 제공하지만, 고속 스토리지 전송을 위해서는 단일 TCP 연결만으로는 충분한 전송량을 확보하기 어렵다. TCP는 전송 윈도우(cwnd)와 RTT를 개별 연결 단위로 관리하므로, 동일 경로를 공유하는 여러 연결이 서로 독립적으로 혼잡을 감지하고 윈도우를 조정한다. 이때 한 연결이 과도하게 윈도우를 확장하면 다른 연결은 급격히 축소되는 현상이 발생해 전체 세션의 대역폭 활용도가 떨어진다. 논문은 WAN 에뮬레이션 환경(4 ms~8 ms RTT, 2.7 % 패킷 손실)에서 두 연결의 cwnd 변동을 1.2 초 동안 10 ms 간격으로 측정해, 평균 차이는 0이지만 표준편차가 3 ~ 3.5배에 달함을 보여준다. 이러한 불균형은 iSCSI 전송 지연과 재전송 횟수를 증가시켜 성능 저하를 초래한다. 이를 해결하기 위해 제안된 Fair‑TCP는 ‘ensemble’이라는 공유 제어 블록(Ensemble Control Block, ECB)을 도입한다. 각 TCP 연결은 자체 TCB에 RTT·cwnd와 같은 혼잡 제어 변수를 보관하지 않고, 대신 ECB에 대한 포인터만 유지한다. 새로운 연결이 생성되면 ECB에 추가하고, 기존 값은 그대로 유지한다. 전송 중 어느 연결에서든 cwnd 업데이트가 발생하면, ECB는 전역 cwnd를 재계산하고 이를 모든 연결에 균등하게 할당한다. 또한, 전역 srt​t와 rttvar 값을 공유함으로써 RTT 측정 중복을 방지하고, 혼잡 신호에 대한 응답 속도를 높인다. 이 설계는 기존 TCP‑Reno + SACK 스택에 최소한의 수정만으로 적용 가능하도록 설계되었다. 실험은 UNH‑iSCSI 구현을 기반으로, 4개의 TCP 연결을 고정하고 다양한 워크로드와 네트워크 조건을 적용하였다. 순차 파일 쓰기(1 GB) 실험에서는 블록 크기(1 KB~64 KB)와 지연(0 ~ 8 ms)을 변화시켜 Fair‑TCP와 표준 TCP‑Reno + SACK의 처리량을 비교했다. Fair‑TCP는 모든 지연 구간에서 평균 12 %~18 % 높은 처리량을 기록했으며, 지연이 커질수록 개선 폭은 감소했지만 여전히 유의미했다. TCP 재전송 횟수는 Fair‑TCP가 30 %~45 % 감소했으며, 이는 전역 cwnd 공유가 손실 회피에 기여했음을 의미한다. 또한, Bonnie++와 Postmark와 같은 I/O‑집약 워크로드에서도 Fair‑TCP가 전반적인 처리량과 응답 시간을 개선했다. 특히 작은 파일 생성·삭제가 빈번한 Bonnie++ 테스트에서는 CPU 사용률이 낮아져 시스템 자원 효율성이 향상되었다. Postmark 테스트에서는 웹 서버 시뮬레이션 환경에서 트랜잭션 처리율이 증가하고, 평균 레이턴시가 감소하였다. 논문의 주요 기여는 다음과 같다. (1) 다중 TCP 연결이 iSCSI 세션에서 경쟁 관계에 놓여 대역폭을 비효율적으로 사용한다는 실증적 증거를 제시하였다. (2) 혼잡 정보를 공유하는 Fair‑TCP 메커니즘을 설계·구현하여, 전역 cwnd와 RTT 정보를 기반으로 공정한 대역폭 할당을 실현하였다. (3) 다양한 실험을 통해 Fair‑TCP가 기존 TCP‑Reno + SACK 대비 전송량, 지연, 재전송 측면에서 일관된 성능 향상을 제공함을 입증하였다. 한계점으로는 현재 구현이 모든 연결이 동일한 경로와 동일한 RTT를 전제로 하고 있어, 다중 경로 라우팅(MPTCP)이나 비대칭 네트워크 환경에서는 추가적인 조정이 필요할 수 있다. 또한, 최신 TCP 변종(Cubic, BBR)과의 호환성 검증이 이루어지지 않았다. 향후 연구에서는 동적 ensemble 관리, 경로별 가중치 적용, 그리고 최신 혼잡 제어 알고리즘과의 통합을 통해 Fair‑TCP의 적용 범위를 확대하고, 실제 데이터센터·클라우드 환경에서의 장기적인 안정성을 평가할 필요가 있다. **