네트워크 - 전송 계층
오류 제어 (재전송 기법)
TCP 세그먼트에 오류 검출을 위한 체크섬 필드가 있지만, 체크섬은 세그먼트의 훼손 여부만 나타낼 뿐이다. 따라서 체크섬만으로는 송신 호스트가 세그먼트 전송 과정에 문제가 있다는 것을 인지할 수는 없다.
TCP가 신뢰성을 제대로 보장하려면 송신 호스트가 송신한 세그먼트에 문제가 발생했음을 인지할 수 있어야 하고, 오류를 감지하게 되면 해당 세그먼트를 재전송할 수 있어야 한다.
TCP가 오류를 검출하고 세그먼트를 재전송하는 상황에는 크게 두 가지가 있다.
1. 중복된 ACK 세그먼트를 수신했을 때
TCP는 중복된
ACK세그먼트를 수신했을 때 오류가 생겼음을 감지한다.수신 호스트 측이 받은 세그먼트의 순서 번호 중에서 일부가 누락되었다면 중복된
ACK세그먼트를 전송하게 된다.(밑 오른쪽 그림)
2. 타임아웃이 발생했을 때
TCP는 타임아웃이 발생하면 문제가 생겼음을 인지한다.
호스트가 세그먼트를 전송할 때마다 재전송 타이머라는 값을 시작한다. 이 타이머의 카운트다운이 끝난 상황을 타임아웃이라고 한다.
타임아웃이 발생할 때까지
ACK세그먼트를 받지 못하면 세그먼트가 상대 호스트에게 정상적으로 도착하지 않았다고 간주하고 세그먼트를 재전송한다.
수신 호스트의 답변(ACK)과 타임아웃 발생을 토대로 문제를 진단하고, 문제가 생긴 메시지를 재전송함으로써 신뢰성을 확보하는 방식을 ARQ(Automatic Repeat Request, 자동 재전송 요구) 라고 한다. 가장 대표적인 ARQ의 세 가지 종류에 대해 알아보자.
Stop-and-Wait ARQ
ARQ 중 가장 단순한 방식으로, 제대로 전달했음을 확인하기 전까지는 새로운 메시지를 보내지 않는 방식이다.
즉, 메시지를 송신하고 이에 대한 확인 응답을 받는 것을 반복한다. 단순하지만, 높은 신뢰성을 보장하는 방식이다.
하지만 네트워크의 이용 효율이 낮아지고, 성능이 저하될 수 있다는 문제가 있다.
Stop-and-Wait 방식의 문제를 해결하려면 각 세그먼트에 대한 ACK 세그먼트가 도착하기 전이더라도 여러 세그먼트를 보낼 수 있어야 한다.
연속해서 메시지를 전송할 수 있는 기술을 파이프라이닝이라고 한다.
Go-Back-N ARQ
파이프라이닝 방식을 활용해 여러 세그먼트를 전송하고, 도중에 잘못 전송된 세그먼트가 발생할 경우 해당 세그먼트부터 전부 다시 전송하는 방식
순서 번호 n번에 대한
ACK세그먼트는 "n번만의" 확인 응답이 아닌 "n번까지의" 확인 응답이라는 점에서 Go-Back-N ARQ의ACK세그먼트를 누적 확인 응답이라고 한다.
빠른 재전송
재전송 타이머가 만료되기 전이라도 세 번의 동일한 ACK 세그먼트를 받았다면 곧바로 재전송하는 기능
타이머가 끝날 대까지 기다리는 시간을 줄일 수 있다.
Selective Repeat ARQ
선택적으로 재전송하는 방법으로, 각각의 패킷들에 대해 ACK 세그먼트를 보내는 방식
Go-Back-N ARQ의
ACK세그먼트가 누적 확인 응답이라면, Selective Repeat ARQ의ACK세그먼트는 개별 확인 응답이다.오늘날 대부분의 호스트는 TCP 통신에서 Selective Repeat ARQ를 지원한다.
흐름 제어
송신 호스트가 수신 호스트의 처리 속도를 고려하며 송수신 속도를 균일하게 유지하는 기능
호스트가 한 번에 받아서 처리할 수 있는 세그먼트의 양에는 한계가 있다. 따라서 파이프라이닝 기반의 Go-Back-N ARQ와 Selective Repeat ARQ가 정상적으로 동작하려면 수신 호스트가 한 번에 얼마나 받아 처리할 수 있는지 반드시 고려해야 한다.
Stop-and-Wait ARQ를 사용하면 별도의 흐름 제어가 필요하지 않다.
수신 버퍼 : 수신된 세그먼트가 애플리케이션 프로세스에 의해 읽히기 전 임시로 저장되는 공간
버퍼 오버플로우 : 저장 가능한 공간보다 더 많은 데이터가 저장되는 상황
TCP에서는 흐름 제어로 슬라이딩 윈도우를 사용한다. 윈도우란, 송신 호스트가 파이프라이닝할 수 있는 최대량을 의미한다. 즉, 윈도우의 크기만큼 확인 응답을 받지 않고도 한 번에 전송 가능하다는 의미이다.
수신 호스트도 윈도우를 고려한다. 송신 측 윈도우는 수신 호스트가 알려주는 수신 측 윈도우를 토대로 알 수 있는 정보다.
혼잡 제어
혼잡(congestion) 이란, 많은 트래픽으로 인해 패킷의 처리 속도가 늦어지거나 유실될 우려가 있는 네트워크 상황을 의미한다.
TCP의 혼잡 제어란, 송신 호스트가 혼잡한 정도에 맞춰 유동적으로 전송량을 조절하는 기능이다.
흐름 제어의 주체가 수신 호스트라면, 혼잡 제어의 주체는 송신 호스트이다.
혼잡 제어에는 혼잡 윈도우라는 개념이 있다. 혼잡 윈도우는 혼잡 없이 전송할 수 있을 법한 데이터양을 의미한다. 혼잡 윈도우의 크기를 정해 혼잡 제어를 수행하는 대표적인 혼잡 제어 알고리즘에 대해 알아보자.
느린 시작 알고리즘
혼잡 윈도우를 1부터 시작해 문제없이 수신된
ACK세그먼트 하나당 1씩 증가시키는 방식혼잡 윈도우는 RTT마다 2배씩 지수적으로 증가한다. 따라서 초기 전송 속도를 빠르게 확보할 수 있다.
RTT(Round Trip Time) : 메시지를 전송한 뒤 그에 대한 답변을 받는 데까지 걸리는 시간
혼잡 윈도우를 계속해서 지수적으로 증가시킬 수는 없기 때문에 느린 시작 임계치라는 값이 정해져 있다.
혼잡 윈도우 값이 계속 증가하다가 다음 세 가지 상황에 따라 세 가지 방법 중 하나를 선택한다.
혼잡 회피 알고리즘
RTT마다 혼잡 윈도우를 1MSS(Maximum Segment Size) 씩 증가시키는 알고리즘
느린 시작 임계치를 넘어선 시점부터 혼잡이 발생할 우려가 있으니 혼잡 윈도우 크기를 선형적으로 증가시킨다.
빠른 회복 알고리즘
세 번의 중복된
ACK세그먼트를 수신하면 빠른 재전송과 더불어 빠른 회복 알고리즘이 수행된다.보통 세 번의 중복 세그먼트 수신 상황보다는 타임 아웃 상황이 더 심각한 문제로 간주된다. 따라서 세 번의 중복 세그먼트를 수신했을 때 느린 시작은 건너뛰게 된다.
즉, 빠른 전송률 회복을 위해 느린 시작은 건너뛰고 혼잡 회피를 수행하는 알고리즘이다.
단, 빠른 회복 도중이라도 타임아웃이 발생하면 다시 느린 시작을 수행한다.
세 가지 혼잡 제어 알고리즘을 종합해보면 다음과 같다.(ssthresh : slow start threshold, 느린 시작 임계치)
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