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TCP

• 일반적으로 TCP와 IP를 함께 사용하는데, IP가 데이터의 배달을 처리한다면 TCP는 패킷을 추적 및 관리한다.
• 신뢰성 있는 데이터 전송을 지원하는 연결 지향형 프로토콜이다.
• 사전에 3-way handshake라는 과정을 통해 연결을 설정하고 통신을 시작한다.
• 4-way handshake 과정을 통해 연결을 해제(가상 회선 방식)한다.
• 흐름 제어, 혼잡 제어, 오류 제어를 통해 신뢰성을 보장한다. 그러나 이 때문에 UDP보다 전송 속도가 느리다는 단점이 있다.
• 데이터의 전송 순서를 보장하며 수신 여부를 확인할 수 있다.
• TCP를 사용하는 예로는 대부분의 웹 HTTP 통신, 이메일, 파일 전송에 사용된다.
• TCP가 가상회선 방식을 제공한다는 것은 송신측과 수신측을 연결하여 패킷을 전송하기 위한 논리적 경로를 배정한다는 뜻이다.

패킷(Packet)?

• 인터넷 내에서 데이터를 보내기 위한 경로 배정(라우팅)을 효율적으로 하기 위해서 데이터를 여러 개의 조각으로 나누어 전송을 하는데, 이때 조각을 패킷이라고 한다.

TCP는 패킷을 어떻게 추적 및 관리하는가?

• 데이터는 패킷 단위로 나누어 같은 목적지(IP 계층)으로 전송된다.

Ex) 한 줄로 서야 하는 A,B,C라는 사람(패킷)이 서울(송신측)에서 출발하여 부산(수신측)으로 가야한다고 가정하다.

A,B,C가 순차적으로 가는 상황에서 B가 길을 잘못 들어서 분실되었다.

하지만 목적지에서는 A,B,C가 모두 필요한지 모르고 A,C만 보고 다 왔다고 착각할 수 있다. 그렇기 때문에 A,B,C라는 패킷에 1,2,3이라는 번호를 부여하여 패킷의 분실 확인 처리를 하기 위해 목적지에서 패킷을 재조립한다.

이런 방식으로 TCP는 패킷을 추적하며, 나누어 보내진 데이터를 목적지에서 받고 재조립할 수 있게 된다.

흐름 제어

• 송신측과 수신측 사이의 데이터 처리 속도 차이(흐름)을 해결하기 위한 기법.
• 만약, 송신측의 전송량 > 수신측의 처리량일 경우 전송된 패킷은 수신측의 큐를 넘어서 손실될 수 있기 때문에 송신측의 패킷 전송량을 제어하게 된다.

1. Stop and Wait(정지 - 대기)

• 매번 전송한 패킷에 대한 확인 응답을 받아야 그 다음 패킷을 전송할 수 있다.
• 이러한 구조 때문에 비효율적이다. (단점)
• Give & Take.

2. Sliding Window(슬라이딩 윈도우)

• (송신측 = 전송측)

• 수신측에서 설정한 윈도우 크기만큼 송신측에서 확인 응답 없이 세그먼트를 전송할 수 있게 하여 데이터 흐름을 동적으로 조절하는 기법이다.

• 윈도우 : 송신, 수신 스테이션 양쪽에서 만들어진 버퍼의 크기.

• Stop and Wait의 비효율성을 개선한 기법

• 송신측에서는 Ack 프레임을 수신하지 않더라도 여러 개의 프레임을 연속적으로 전송할 수 있다.

• 송신측에서 0,1,2,3,4,5,6을 보낼 수 있는 프레임을 가지고 있고 데이터 0,1을 전송했다고 가정하면 슬라이딩 윈도우의 구조는 2,3,4,5,6처럼 변하게 된다.

• 이때, 만약 수신측으로부터 ACK라는 프레임을 받게 된다면 송신측은 이전에 보낸 데이터 0,1을 수신측에서 정상적으로 받았음을 알게 되고 송신측의 슬라이딩 윈도우는 ACK 프레임에 따른 프레임의 수만큼 오른쪽으로 경계가 확장된다.

오류 제어

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

1. Stop and Wait ARQ

• 송신측에서 1개의 프레임을 송신하고, 수신측에서 수신된 프레임의 에러 유무 판단에 따라 ACK or NAK를 보내는 방식이다.
• 식별을 위해 데이터 프레임과 ACK 프레임은 각가 0,1 번호를 번갈아가며 부여한다.
• 수신측이 데이터를 받지 못했을 경우, NAK를 보내고 NAK를 받은 송신측은 데이터를 재전송한다.
• 만약, 데이터나 ACK가 분실되었을 경우 일정 간격의 시간을 두고 타임아웃이 되면, 송신측은 데이터를 재전송한다.

2. Go-Back-n ARQ(슬라이딩 윈도우)

• 전송된 프레임이 손상되거나 분실된 경우 그리고 ACK 패킷의 손실로 인한 TIME_OUT이 발생한 경우, 확인된 마지막 프레임 이후로 모든 프레임을 재전송한다.
• 슬라이딩 윈도우는 연속적인 프레임 전송 기법으로 전송측은 전송된 모든 프레임의 복사본을 가지고 있어야 하며, ACK와 NAK 모두 각각 구별해야 한다.
• ACK : 다음 프레임을 전송.
• NAK : 손상된 프레임 자체 번호를 반환.

[재전송 되는 경우]

(1). NAK 프레임을 받았을 경우.

• 만약, 수신측으로 0~5까지의 데이터를 보냈다고 가정하자.
• 수신측에서 데이터를 받았음을 확인하는 ACK 프레임을 중간 중간 보내게 되며, ACK 프레임을 확인한 전송측은 계속해서 데이터를 전송한다.
• 그러나 만약 수신측에서 데이터 오류 프레임 2를 발견하고 NAK2를 전송측에 보낸다고 해보자.
• NAK2를 받은 전송측은 데이터 프레임 2가 잘못되었다는 것을 알고 데이터를 재전송한다.
• GBn ARQ의 특징은 데이터를 재전송하는 부분이다. NAK(n)를 받아 n 데이터 이후의 모든 데이터를 재전송한다.

(2). 전송 데이터 프레임의 분실

• GBn ARQ의 특징은 확인된 데이터 이후의 모든 데이터 프레임 재전송과 수신측의 폐기이다.
• 수신측에서 데이터 1을 받고 다음 데이터로 3을 받게 된다면 데이터 2를 받지 못했으므로 수신측에서는 데이터 3을 폐기하고 데이터 2를 받지 못했다는 NAK2를 전송측에 보낸다.
• NAK를 받은 전송측은 (1) 경우와 같이 NAK(n) 데이터로부터 모든 데이터를 재전송하며 수신측은 기존에 받았던 데이터 중 NAK(n)으로 보냈던 대상 데이터 이후의 모든 데이터를 폐기하고 재전송 받는다.

(3). 지정된 타임 아웃 내의 ACK 프레임 분실(Lost ACK)

• 전송측은 분실된 ACK를 다루기 위해 타이머를 가지고 있다.
• 전송측에서는 이 타이머의 타임 아웃 동안 수신측으로부터 ACK 데이터를 받지 못했을 경우, 마지막 ACK된 데이터부터 재전송한다.

• 전송측은 NAK ㅍ프레임을 받았을 경우, NAK 프레임 번호부터 데이터를 재전송한다.
• 수신측은 원하는 프레임이 아닐 경우, 데이터를 모두 폐기 처리한다.
• 타임아웃(ACK 분실)의 경우, 마지막 ACK된 데이터부터 재전송한다.

3. SR(Selective-Reject) ARQ

• GBn ARQ의 확인된 마지막 프레임 이후의 모든 프레임을 재전송하는 단점을 보완한 기법이다.
• SR ARQ는 손상된, 손실된 프레임만 재전송한다.
• 그렇기 때문에 별도의 데이터 재정렬을 수행해야 하며, 별도의 버퍼를 필요로 한다.
• 수신측에 버퍼를 두어 받은 데이터의 정렬이 필요하다.

혼잡 제어

• 송신측의 데이터 전달과 네트워크의 데이터 처리 속도를 해결하기 위한 기법이다.
• 한 라우터에게 데이터가 몰려 모든 데이터를 처리할 수 없는 경우, 호스트들은 재전송을 하게 되고 결국 혼잡만 가중시켜 오버플로우나 데이터 손실이 발생한다.
• 이러한 네트워크의 혼잡을 피하기 위해 송신측에서 보내는 데이터의 전송 속도를 제어하는 것이 혼잡 제어의 개념이다.

1. AIMD(Additive Increase Multicative Decrease)

• 합 증가 / 곱 감소 알고리즘이라고 한다.
• 처음에 패킷 하나를 보내는 것으로 시작하여 전송한 패킷이 문제 없이 도착한다면 Window Size를 1씩 증가시키며 전송하는 방법이다. 만약, 패킷 전송을 실패하거나 TIME_OUT이 발생하면 Window Size를 절반으로 감소시킨다.
• 이 방식은 공평하다.
  • 여러 호스트가 한 네트워크를 공유하고 있으면 나중에 진입하는 쪽이 처음에는 불리하지만, 시간이 흐르면 평형 상태로 수렴하게 되는 특징이 있다.
• 문제점은 초기 네트워크의 높은 대역폭을 사용하지 못하고 네트워크가 혼잡해지는 상황을 미리 감지하지 못하여 혼잡해지고 나서야 대역폭을 줄이는 방식이다.

2. Slow Start

• AIMD가 네트워크의 수용량 주변에서는 효율적으로 동작하지만, 처음에 전송 속도를 올리는 데 시간이 너무 길다는 단점이 있다.
• Slow Start는 AIMD와 마찬가지로 패킷을 하나씩 보내는 것부터 시작한다. 이 방식은 패킷이 문제 없이 도착하면 각각의 ACK 패킷마다 Window Size를 1씩 늘린다. 즉, 한 주기가 지나면 Window Size는 2배가 된다.
• 따라서 그래프의 모양은 지수 함수 꼴이 된다.
• 혼잡 현상이 발생하면 Window Size를 1로 떨어뜨린다.
• 처음에는 네트워크의 수용량을 예측할 수 있는 정보가 없지만 한번 혼잡 현상이 발생하고 나면 네트워크의 수용량을 어느정도 예상할 수 있으므로 혼잡 현상이 발생하였던 Window Size의 절반까지는 이전처럼 지수 함수 꼴로 Window Size를 증가시키고 그 이후부터는 완만하게 1씩 증가시키는 방식이다.

• 미리 정해진 임계값(threshold)에 도달할 때까지 윈도우의 크기를 2배씩 증가시킨다.
• Slow Start라는 이름을 사용하지만, 매 전송마다 2배씩 증가하기 때문에 전송되어지는 데이터의 크기는 지수함수적으로 증가한다.
• 전송되는 데이터의 크기가 임계 값에 도달하면 혼잡 회피 단계로 넘어간다.

[혼잡 회피(Congestion Avoidance)]

• 윈도우의 크기가 임계 값에 도달한 이후에는 데이터의 손실이 발생할 확률이 높아진다.
• 따라서 이를 회피하기 위해 윈도우 크기를 선형적으로 1씩 증가시키는 방법이다.
• 수신측으로부터 일정 시간 동안까지 ACK를 수신하지 못하는 경우.
  • 타임 아웃의 발생 : 네트워크 혼잡이 발생했다고 인식.
  • 혼잡 상태로 인식된 경우
    • 윈도우의 크기를 즉, 세그먼트의 수를 1로 감소시킨다.
    • 동시에 임계값을 패킷 손실이 발생했을 때의 윈도우 크기의 절반으로 줄인다.

[빠른 회복(Fast Recovery)]

• 혼잡한 상태가 되면 Window Size를 1로 줄이지 않고 절반으로 줄이고 선형 증가시키는 방법이다.
• 빠른 회복 정책까지 적용하면 혼잡 상황을 한번 겪고 나서부터는 순수한 AIMD 방식으로 동작하게 된다.

[빠른 재전송(Fast Retransmit)]

• 수신측에서 패킷을 받을 때 먼저 도착해야 할 패킷이 도착하지 않고 다음 패킷이 도착한 경우에도 ACK 패킷을 보낸다. 단, 순서대로 잘 도착한 마지막 패킷의 다음 패킷의 순번을 ACK 패킷에 실어서 보낸다. 따라서 중간에 패킷 하나가 손실되면 송신측에서는 순번이 중복된 ACK 패킷을 받게 된다. 이것을 감지하면 문제가 되는 순번의 패킷을 재전송할 수 있다.
• 빠른 재전송은 중복된 순번의 패킷을 3개(3 ACK) 받으면 재전송한다. 그리고 이러한 현상이 일어나는 것은 약간의 혼잡이 발생한 것으로 간주하여 Window Size를 절반으로 줄인다.