TCPフロー制御（Flow Control）

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フロー制御とは

TCPフロー制御は、送信側がネットワークと受信側の状況に応じて送信量を動的に調整する仕組みです。「ウィンドウ」と呼ばれるパラメータを使い、スロースタート・輻輳回避・パケットロス検出を組み合わせて、効率的かつ安全にデータを転送します。水道管を想像してください。蛇口を全開にすると大量の水が流れますが、受け手のバケツが小さければ溢れてしまいます。これがTCPにおける「フロー制御」の問題です。送信側はデータを高速に送れますが、受信側の処理が追いつかないとバッファがあふれ、データが失われます。TCPはこの問題を「受信ウィンドウ（rwnd）」で解決します。受信側が「今、私のバッファにはこれだけの空きがあります」と送信側に伝え、送信側はその量を超えないようにデータを送ります。もう一つの問題は道路の渋滞と同じです。あなた一人だけが車で走るなら道は空いていますが、みんなが一斉に道路に出ると大渋滞になります。ネットワークでも、多くのコンピュータが同時に大量のデータを送ると、ルーターやスイッチの処理能力を超えてパケットが廃棄されます。これが「輻輳（ネットワークの混雑）」です。TCPは「輻輳ウィンドウ（cwnd）」でこの問題に対処します。ネットワークの混雑度を推測しながら、送信量を動的に調整します。TCPが実際に送信できるデータ量は min(cwnd, rwnd) で決まります。つまり、受信側のバッファの空き（フロー制御）とネットワークの混雑度（輻輳制御）のうち、より厳しい制約が適用されます。Netflixの動画ストリーミングでも、Zoomのビデオ会議でも、裏側ではこのウィンドウ制御が1秒間に何十回も実行されており、ネットワーク環境に応じて自動的に送信速度を調整しています。上のツールで「スロースタート」シナリオを再生すると、ウィンドウサイズ（cwnd）がRTTごとにどう変化するかが確認できます。上段のグラフでcwndの増加パターンに注目してください。

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特徴

• 🐢スロースタート：接続開始時はcwnd=1セグメント（約1.5KB）から始まり、ACKを受信するたびにcwndが倍増します。1 RTT目: cwnd=1, 2 RTT目: cwnd=2, 3 RTT目: cwnd=4, 4 RTT目: cwnd=8...と指数的に増加します。名前は「スロースタート」ですが、実は指数的な増加なので非常に速く、数RTTで数MBのデータを送信可能になります。ネットワークの容量がわからない状態で慎重に探りを入れながら速度を上げるため、「スロー」と呼ばれています。上のツールで「スロースタート」シナリオの前半（ステップ1-5）でcwndが1→2→4→8→16と倍増する様子を確認できます
• 📈輻輳回避：cwndがssthresh（スロースタート閾値）に達すると、増加モードが指数的→線形に切り替わります。1 RTTごとにcwndが1だけ増加する慎重なモードです。これは高速道路でスピードを出しすぎると事故（パケットロス）が起きるため、制限速度付近では慎重に速度を上げるのと同じです。上のツールで「スロースタート」シナリオの後半（ステップ6-10）でcwndが16→17→18→19...と1ずつ増加する様子を確認できます
• 📉パケットロスで減速：ネットワークが混雑してパケットが廃棄されると、TCPはそれを検知して即座にcwndを縮小します。検知方法は2つあります。(1) 3つの重複ACK（同じシーケンス番号のACKが3回届く）を受信した場合 → cwndを半分に（Fast Retransmit）。これは軽度の混雑と判断し、穏やかに減速します。(2) ACKが一定時間返ってこない（タイムアウト）場合 → cwndを1にリセット。これは重度の混雑と判断し、スロースタートからやり直します。上のツールで「パケットロス + Fast Retransmit」と「タイムアウト + リセット」の2つのシナリオを比較すると、減速の度合いの違いが確認できます
• 🪟スライディングウィンドウ：ACKが返ってくるのを毎回待っていると、ネットワークの使用効率が極めて低くなります（特にRTTが長い衛星通信やモバイル回線）。スライディングウィンドウでは、cwnd個のパケットをACKを待たずに連続送信できます。ACKが届くとウィンドウが右に「スライド」し、新しいパケットの送信が可能になります。これにより、ネットワーク帯域を最大限に活用した効率的なデータ転送が実現します。上のツール下段のスライディングウィンドウ表示で、ステップを進めるたびに送信済み（緑）→送信可能（青）のパケットが変化する様子を確認できます

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ユースケース

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用語解説

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ウィンドウ制御の手順

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スライディングウィンドウの動き

図の中の各正方形は1つのTCPセグメント（パケット）を表しています。緑色のセグメントはACKを受信済み（送信が完了した）データ、青色のセグメントは現在のウィンドウ内で送信可能なデータ、灰色のセグメントはウィンドウ外の未送信データです。紫色の破線枠がcwndの範囲を示しています。

ACKを受信すると、ウィンドウの左端が右に移動（スライド）します。例えば、セグメント1のACKが届くと、セグメント1が「ACK済み」（緑）になり、ウィンドウが右にスライドして新しいセグメント（灰色→青）が送信可能になります。これにより、ACKを待っている間も新しいデータの送信が可能で、ネットワーク帯域を無駄なく活用できます。

もしスライディングウィンドウがなければ、1パケット送信→ACK待ち→次のパケット送信...というストップ＆ウェイト方式になります。RTTが100msの場合、1秒間にたった10パケット（約15KB）しか送れません。cwnd=100なら、1 RTTで100パケット（約150KB）を送信でき、スループットが100倍になります。