전송 계층 ( Transport Layer )

각 호스트의 응용계층 프로세스간 논리적인 통신을 제공하며, 종단에서만 실행된다. 라우터(패킷 스위치)에서는 실행되지 않는다.

응용계층과 네트워크 계층의 연결을 도와주는 계층.

전송계층의 대표적인 프로토콜로 TCP , UDP가 있으며 구글에서 13년도에 발표한 QUIC등 존재한다.

용어

  • 세그먼트 : 패킷단위로 메세지를 나누어 전송하기 위해 전송계층 헤더를 추가한 것. (source/dest 포트번호, 순서번호, 오류검출코드 등)

  • 트랜스포트 다중화 : 세그먼트들을 네트워크 계층으로 전달하는 것.

    송신할때 일어나며 전송계층을통해 응용계층의 각 세그먼트들이 네트워크 계층으로 모이는 것.

  • 트랜스포트 역다중화 : 전송계층의 세그먼트 데이터들을 올바른 소켓으로 전달하는 것.

    수신과정에서 일어나며 네트워크 계층에서 전송계층을 통해 응용계층으로 퍼지는 것.

UDP

✔ 특징

  • 비연결 지향형

  • 비신뢰 기반

  • 혼잡제어 x

  • 1:N 통신

  • 연결설정, 연결 상태 유지가 없다.

  • TCP에 비해 작은 패킷의 크기를 갖는다.

  • 다중화 역다중화 과정 중에 IP주소는 보지 않는다. (포트번호만 신경쓴다.)

✔ 세그먼트 구조

  • source port : 출발지 포트

  • dest port : 목적지 포트

  • length : 세그먼트 길이

  • 체크섬 : 오류검출 코드

    자세한 설명 보기

  • payload : 실제 데이터

TCP

✔ 특징

  • 연결 지향형

  • 1:1 통신

  • 신뢰 기반

  • 흐름제어

  • 혼잡제어

✔ 세그먼트 구조

  • source port : 출발지 포트

  • dest port : 목적지 포트

  • 순서번호 (seq) : 데이터의 세그먼트 별로 부여하는 일련번호로, 패킷들을 구분하기 위한 용도

  • 확인응답번호 (ack) : 패킷을 정상적으로 수신했는지 확인하기 위한 번호

  • 헤더 길이 : tcp 헤더 시작부터 payload전까지의 길이

  • 플래그 변수 : 논리적인 tcp 연결을 제어 / 관리하기 위한 변수

    • urg : 긴급 데이터를 알리는 플래그로 긴급 포인터에 값이 채워져있다는 것을 알림..

    • ack : 확인응답번호가 유효하다는 것을 알림. SYN 세그먼트 전송 이후 (연결 시작 이후) 모든 세그먼트는 1로 세팅

    • psh : 버퍼링된 데이터를 가능한 빨리 응용프로그램으로 전달. 서버측에서 더이상 전송할 데이터가 없음을 나타내기도 한다.

    • rst : 강제로 연결을 초기화 하기 위한 용도

    • syn : 연결 설정을 초기화 하기 위한 용도 연결을 시작할때 세팅한다.

    • fin : 연결해제를 위한 용도

  • 수신측 윈도우 (rwnd) : 수신자가 받을 수 있는 세그먼트의 크기

  • 체크섬 : 오류 검출 코드

  • 긴급 포인터 : 긴급 데이터를 가르키는 포인터

  • 옵션 : MSS크기 등 데이터 전송을 위한 협약을 연결단계에서 설정

  • payload : 실제 데이터

신뢰적인 데이터 전송

재전송 기반 에러제어 (= 검출 후 재전송 방식, ARQ )

  • 정지 대기 방식 ( stop and wait )

    송신자는 1개의 패킷을 보내고 기다렸다 다음 패킷을 받는 것

    도입된 Version 순서

    • rdt 1.0 : 송신과 오류가 없는 경우 문제 없이 동작 문제점 : 비트 오류의 경우가 존재한다.

    • rdt 2.0 : 체크섬을 통해 비트 오류 검출 , ACK/NAK 이용하여 재전송 문제점 : ACK/NAK 비트 오류의 경우 존재, 중복 패킷 발생

    • rdt 2.1 : ACK/NAK의 체크섬, 순서번호(seq) 도입 문제점 : ACK/NAK를 잘 수신했는지 송신측은 알지 못하는 문제 발생

    • rdt 2.2 : ACK만 사용하며, (0,1)만 사용하는 이진 ACK사용 문제점 : ACK 손실 위험

    • rdt 3.0 : timer 사용하여 재전송 문제점 : 한개의 패킷씩 송수신 하니 시간이 오래 걸림

  • 파이프라이닝 기법 (슬라이딩 윈도우 기법)

    정지 후 대기방식은 버퍼링이 심하기 때문에 한번에 보낼 수 있는 패킷의 범위인 순서범위가 커져야 한다.

    • GBN ( Go-Back N) : 슬라이딩 윈도우 프로토콜로 윈도우 크기만큼 패킷을 보내고 중간에 손실이 발생시 수신자는 누적 ACK (정상적으로 받은 ACK값 중 가장 큰 값)이후 모든 요청에 대한 응답으로 누적 ACK를 반복 재전송하며, 이후 요청은 모두 버리는 방법. 단점 : 밴드폭 지연이 클때, 많은 패킷이 파이프라인에 있을 수 있어 불필요한 재전송으로 악순환에 빠져 성능 하락할 수 있다.

    • SR (Selective Repeat, 선택적 반복) : 손실된 이후의 요청은 buffer에 쌓아두고 손실된 패킷의 재요청이 들어왔을때, 일괄 전송 하는 방법. 단점 : 순서번호 크기가 작고 윈도우 크기가 크면 수신자는 어떤 패킷인지 헷갈리게 된다. ( 따라서, 윈도우 크기 <= 순서번호 / 2로 설정해야한다.)

  • 빠른 재전송 : 송신자느 중복 ACK를 3회 수신시 timer를 기다리지 않고 재전송

실제로 TCP는 한가지 방법만 쓰는 것이 아닌 위의 모든 방법의 혼합으로 신뢰적인 데이터 전송을 한다. ( 기본 뼈대는 stop&wait, 빠른 재전송 이용하며 순서범위를 키운 슬라이딩 윈도우 기법에서도 이전 요청은 buffer에 쌓아두고 누적 ACK 전송 하는 방식으로 GBN과 SR의 혼합방법 )

TCP MTU : IP기반의 정보로 IP헤더,TCP헤더,paylod를 모두 포함하는 길이 (보통 1500byte)

TCP MSS : 실제 payload가 담을 수 있는 크기 (보통 1460 byte) => IP헤더,TCP헤더 각각 20byte씩 (TCP 연결단계에서 설정)

적정 timer 값 구하는 방법

  • timer가 RTT보다 작게 되면 잦은 타임아웃과 재전송 발생

  • timer가 RTT보다 크게 되면 세그먼트 손실대응 지연

매 패킷 송수신마다 Time interval를 계산한다. (매 전송마다의 RTT값을 기준으로 계산하여 정한다.)

EstimatedRTT + 4*DevRTT

  • EstimatedRTT = (1-α)EstimatedRTT + αSampleRTT 여기서 SampleRTT가 이번에 송수신한 패킷의 RTT값이고 EstimatedRTT는 이전의 계산한 값으로 한마디로 이전의 샘플값 + 새로 측정한 샘플값 이다. 여기서 α는 보통 0.125로 계산한다.

  • DevRtt = (1-β)DevRTT + β(SampleRTT - EstimatedRTT) 한마디로 새로 측정한 값 - 이전의 샘플값이다.

이러한 공식에 의해 timer값이 매번 계산된다는 것만 알아 두자!

흐름 제어

수신자는 송신자를 제어하여 수신자 버퍼의 여유공간 이상으로 데이터 전송을 과도하게 못하게 막는 것.

이때 수신자 버퍼는 사용자 프로세스 (사용자가 처리하는 속도)와 컴퓨터의 연산 속도의 과도한 괴리로 발생하는 지연을 막고자 캐시역할을 수행하는 공간이다.

TCP 헤더 안에 수신 윈도우(rwnd)영역을 이용해 수신자 버퍼의 여유공간의 크기를 알린다.

=> 송신자는 수신자가 rwnd이하로 송신을 제한하여 오버플로우를 방지 하는 것.

연결 관리

TCP는 연결지향형 프로토콜로 연결과 종료에 단계가 존재한다.

  • 연결 단계 (3-way-handshake)

    1. 송신자는 SYN세그먼트 송신 : SYN비트와 순서번호(seq)만을 담은 세그먼트를 IP데이터 그램에 캡휼화하여 전송한다.

    2. 수신자는 ESTABLISHED상태가 되며 SYNACK 세그먼트를 전송한다. (SYN, ACK 비트 설정, ACK Num = 받은 seq+1, seq설정)

    3. 송신자는 SYNACK 세그먼트를 수신 후 자원을 할당(ESTABLISHED) 후 ACK 세그먼트를 보낸다. (SYN은 0, ACK Num = 받은 seq+1, seq = 나의 이전 seq + 1)

  • 종료 단계 (4-way-handshake)

    1. FIN 비트 1로 설정 후 송신 (송신자는 FIN-WAIT 상태 = ACK를 기다림 ), 수신자는 ACK 세그먼트와 ACK Num = 받은 seq + 1로 설정 후 송신

    2. 송신자는 ACK를 받고 FIN-WAIT2상태 (FIN 을 기다림)

    3. 수신자는 FIN 세그먼트를 송신 (수신자는 4번의 ACK를 받고 종료 )

    4. 송신자는 FIN 세그먼트를 수신하면 ACK세그먼트를 보내고 TIME-WAIT후 종료 => 통신링크에 남은 데이터가 있을 수 있기 때문에 wait후 종료

혼잡 제어

네트워크가 처리못할 수준으로 여러곳에서 많은 데이터를 전송하게 되면 통신링크가 혼잡상태가 되어 잦은 재전송으로 인해 악순환으로 패킷들이 링크에 계속 쌓여 상황을 더욱더 악화시키되므로 이를 방지하고 제어하는 것

  • 종단간의 혼잡 제어 : TCP는 윈도우크기를 줄이거나, TTL값을 혼잡 증가로 나타내는 것으로 사용하는 방법으로 제어.

  • 네트워크 지원 혼잡제어 (명시적 혼잡 표시) : IP 데이터그램 헤더의 TOS의 두비트가 ECN으로 사용된다. ECN혼잡 표시는 지속적 혼잡일시 이를 수신하면 송신호스트에게 TCP ECE 비트를 세팅하여 혼잡 표시를 알리고 후에 CWR 비트를 세팅하여 알린다.

    • 직접적인 피드백 : 네트워크에서 초크 패킷을 이용하여 직접 전송 ( 혼잡한것을 알리는 것 )

    • 수신자 경유하는 네트워크 피드백: 패킷안의 특정 필드에 표시하여 다시 알리는 것 ( TTL만큼의 시간이 소요된다. )

종단간의 혼잡 제어에서 윈도우 크기는 min(rwnd, cwnd)를 사용하며, rwnd는 사용자가 빨리 처리하지 않으면 느리게 줄기 때문에 cwnd를 줄여 제어를 하게 된다.

cwnd : 혼잡 윈도우로 혼잡 제어를 하기 위해 전송할 수 있는 비율을 제한하는 추가적인 변수 값이다. TCP세그먼트에는 들어가지 않으며, 호스트 컴퓨터에서 결정한다.

self-clocking : tcp는 ACK를 주고받는 속도로 cwnd를 증가시키는 trigger(clock)로 사용하기 때문에 self-clocking이라고도 불린다.

혼잡제어 알고리즘

cwnd크기는 1MSS로 시작

  • AIMD : 가법적 증가(AI) + 승법적 감소(MD)

    • 가법적 증가 : 손실감지까지 cwnd 1씩 증가

    • 승법적 감소 : 손실감지시 cwnd 반으로 감소

  • slow start : 손실감지까지 2배로 cwnd값을 증가 후 손실감지시 1로 시작하고 ssthresh(slow start threshold)를 cwnd/2로 설정

  • 혼잡 회피 :

    • 빠른 회복 : 빠른 재전송시 잃어버린 세그먼트(ssthresh)부터 1씩 증가

tcp 종류

  • Tahoe : slow start로 시작하여 ssthresh 도달시 AIMD로 동작 후 손실 발생시 1부터 다시 시작 ( 손실발생시 ssthresh 설정 )

  • Reno : slow start로 시작하여 ssthresh 도달시 AIMD로 동작 후 손실발생시 빠른 회복으로 동작

TCP는 위와 같은 방법들로 신뢰적인 데이터 전송, 연결관리, 흐름제어, 혼잡제어를 제공한다.

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