[CS] TCP

TCP

• 일반적으로 TCP와 IP를 함께 사용하는데, TCP는 패킷 추적 및 관리를 담당하고 IP가 데이터의 배달을 담당합니다.
• 신뢰성 있는 데이터 전송을 지원하는 연결 지향형 프로토콜입니다.
• 사전에 3-way handshake 과정을 통해 연결을 설정하고 통신을 시작합니다.
• 4-way handshake 과정을 통해 연결을 해제합니다. (가상 회선 방식)
• 흐름 제어, 혼잡 제어, 오류 제어를 통해 신뢰성을 보장하지만 이 때문에 UDP보다 전송 속도가 느립니다.
• 데이터의 전송 순서를 보장하며 수신 여부를 확인할 수 있습니다.
• 대부분의 웹 HTTP 통신, 이메일, 파일 전송 등에 사용됩니다.

 

흐름 제어

• 송신 측과 수신 측 사이의 데이터 처리 속도를 해결하기 위한 기법입니다.
• 만약 송신 측의 전송량 > 수신 측의 처리량일 경우, 전송된 패킷은 수신 측의 큐를 넘어서 손실될 수 있기 때문에 송신 측의 패킷 전송량을 제어해야 합니다.

 

1. Stop and Wait

• 매번 전송한 패킷에 대한 확인 응답을 받아야만 그 다음 패킷을 전송할 수 있습니다.
• 이러한 구조 때문에 비효율적입니다.

 

2. Sliding Window (슬라이딩 윈도우)

• 수신 측에서 설정한 윈도우 크기만큼 송신 측에서 확인 응답 없이 세그먼트를 전송할 수 있게 하여 데이터 흐름을 동적으로 조절하는 기법입니다.
• Stop and Wait의 비효율성을 개선한 기법입니다.
• 먼저 윈도우에 포함되는 모든 패킷을 전송하고, 그 패킷들의 전달이 확인되는대로 이 윈도우를 옆으로 옮김으로써 그 다음 패킷들을 전송합니다.

 

오류 제어

• 오류 검출과 재전송을 포함합니다.
• ARQ(Automatic Repeat Request) 기법을 사용해 프레임이 손상되었거나 손실되었을 경우, 재전송을 통해 오류를 복구합니다.
• ARQ 기법은 흐름 제어 기법과 관련되어 있습니다.

 

1. Stop and Wait ARQ

• 송신 측에서 1개의 프레임을 송신하고, 수신 측에서 수신된 프레임의 에러 유무 판단에 따라 ACK 또는 NAK를 보내는 방식입니다.
• 식별을 위해 데이터 프레임과 ACK 프레임에 각각 0, 1 번호를 번갈아가며 부여합니다.
• 수신 측이 데이터를 받지 못했을 경우, NAK를 보내고 NAK를 받은 송신 측은 데이터를 재전송합니다.
• 만약 데이터나 ACK가 분실되었을 경우, 일정 간격의 시간을 두고 타임아웃이 되면 송신 측은 데이터를 재전송한다.

 

2. Go-Back-N ARQ (슬라이딩 윈도우)

• 전송된 프레임이 손상되거나 분실된 경우 또는 ACK 패킷의 손실로 인한 타임아웃이 발생한 경우, 확인된 마지막 프레임 이후로 모든 프레임을 재전송합니다.
• ACK : 다음 프레임을 전송
• NAK : 손상된 프레임 자체 번호를 반환

 

(1) NAK 프레임을 받았을 경우

• 수신 측에서 데이터 프레임 2에서 오류를 발견하고 NAK2를 전송 측에 보냈다고 가정해보자.
• NAK2를 받은 전송 측은 데이터 프레임 2가 잘못되었다는 것을 알고 데이터를 재전송합니다.
• NAK(n)를 받으면 n 데이터 이후의 모든 데이터를 재전송합니다.

 

(2) 전송 데이터 프레임의 분실

• 특징으로는 확인된 데이터 이후의 모든 데이터 프레임 재전송과 수신 측의 폐기가 있습니다.
• 수신 측에서 데이터 1을 받고 다음 데이터로 3을 받게 된다면 데이터 2를 받지 못했으므로, 수신 측에서는 데이터 3을 폐기하고 데이터 2를 받지 못했다는 NAK2를 전송 측에 보냅니다.
• NAK를 받은 전송 측은 (1)의 경우와 같이 NAK(n) 데이터로부터 모든 데이터를 재전송합니다.
• 수신 측은 기존에 받았던 데이터 중 NAK(n)으로 보냈던 대상 데이터 이후의 모든 데이터를 폐기하고 재전송받습니다.

 

(3) 전송 데이터 프레임의 분실

• 전송 측은 분실된 ACK를 다루기 위해 타이머를 가지고 있습니다.
• 전송 측에서는 이 타이머의 타임아웃 동안 수신 측으로부터 ACK 데이터를 받지 못했을 경우, 마지막 ACK을 받은 데이터부터 재전송합니다.
• 전송 측은 NAK 프레임을 받았을 경우, NAK 프레임 번호부터 데이터를 재전송합니다.
• 수신 측은 원하는 프레임이 아닐 경우, 데이터를 모두 폐기처리합니다.

 

3. SR(Selective-Reject) ARQ

• Go-Back-N ARQ의 확인된 마지막 프레임 이후의 모든 프레임을 재전송하는 단점을 보완한 기법입니다.
• SR ARQ는 손상되거나 손실된 프레임만 재전송합니다.
• 그렇기 때문에 별도의 데이터 재정렬을 수행해야 하며, 별도의 버퍼를 필요로 합니다.
• 수신 측에 버퍼를 두어 받은 데이터의 정렬이 필요합니다.

 

혼잡 제어

• 송신 측의 데이터 전달과 네트워크의 데이터 처리 속도를 해결하기 위한 기법입니다.
• 한 라우터에게 데이터가 몰려 모든 데이터를 처리할 수 없는 경우, 호스트들은 재전송을 하게 되고 결국 혼잡만 가중시켜 오버플로우나 데이터 손실이 발생합니다.
• 혼잡 제어는 이러한 네트워크의 혼잡을 피하기 위해 송신 측에서 보내는 데이터의 전송 속도를 제어하는 것입니다.

 

1. AIMD (Additive Increase Multicative Decrease)

• 처음에 패킷 하나를 보내는 것으로 시작하여 전송한 패킷이 문제 없이 도착한다면 Window Size를 1씩 증가시키며 전송하는 방법입니다.
• 만약 패킷 전송을 실패하거나 타임아웃이 발생하면 Window Size를 절반으로 감소시킵니다.
• 여러 호스트가 한 네트워크를 공유하고 있으면 나중에 진입하는 쪽이 처음에는 불리하지만, 시간이 흐르면 평형 상태로 수렴하게 되는 특징이 있습니다.
• 초기 네트워크의 높은 대역폭을 사용하지 못하고 네트워크가 혼잡해지는 상황을 미리 감지하지 못하는 문제점이 있습니다. 즉, 네트워크가 혼잡해지고 나서야 대역폭을 줄이는 방식입니다.

 

2. Slow Start (느린 시작)

• AIMD는 네트워크의 수용량 주변에서는 효율적으로 동작하지만, 처음에 전송 속도를 올리는 데 시간이 너무 길다는 단점이 있습니다.
• Slow Start는 AIMD와 마찬가지로 패킷을 하나씩 보내는 것부터 시작하여 문제 없이 도착하면 각각의 ACK 패킷마다 Window Size를 1씩 증가시킵니다.
• 즉, 한 주기가 지나면 Window Size는 2배가 되고, 그래프의 모양은 지수 함수 꼴이 됩니다.
• 혼잡 현상이 발생하면 Window Size를 1로 감소시킵니다.
• 혼잡 현상이 발생하였던 Window Size의 절반까지는 지수 함수 꼴로 Window Size를 증가시키고, 그 이후부터는 완만하게 1씩 증가시키는 방식입니다.

 

3. Congestion Avoidance (혼잡 회피)

• Window Size가 임계값에 도달한 이후에는 데이터의 손실이 발생할 확률이 높아진다.
• 따라서, 이를 회피하기 위해 윈도우 크기를 선형적으로 1씩 증가시키는 방법입니다.
• 수신 측으로부터 일정 시간 동안까지 ACK를 수신하지 못하는 경우, 혼잡 현상으로 인식하여 Window Size를 1로 감소시키는 동시에 임계값을 패킷 손실이 발생했을 때의 Window Size의 절반으로 줄입니다.

 

4. Fast Retransmit (빠른 재전송)

• 수신 측에서 먼저 도착해야할 패킷이 도착하지 않고 다음 패킷이 도착한 경우에도 ACK 패킷을 보냅니다.
• 단, 순서대로 잘 도착한 마지막 패킷의 다음 패킷의 순번을 ACK 패킷에 실어서 보내게 되므로, 중간에 하나가 손실되게 되면 송신 측에서는 순번이 중복된 ACK 패킷을 받게 됩니다.
• 이것을 감지하는 순간, 문제가 되는 순번의 패킷을 재전송해줄 수 있습니다.
• 이렇게 중복된 순번의 패킷을 3개 받으면 재전송을 하게 되고, 혼잡 현상이 일어난 것으로 간주하여 Window Size를 절반으로 줄입니다.

 

5. Fast Recovery (빠른 회복)

• 혼잡 현상이 일어나면 Window Size를 1로 줄이지 않고 반으로 줄이고 선형증가시키는 방법입니다.
• 이 정책까지 적용하면 혼잡 현상을 한번 겪고 나서부터는 순수한 AIMD 방식으로 동작하게 됩니다.