TCPIP 4계층 / Transport 계층 TCP, UDP

Transport 계층

TCP/IP 4계층의 transport 계층은 OSI 7계층에서 transport 계층과 같다

TCP, UDP가 대표적이며 애플리케이션 계층에서 받은 메세지를 기반으로 세그먼트 또는 데이터그램으로 데이터를 쪼개고 데이터가 오류없이 순서대로 전달되도록 도움을 주는 층이다.

TCP는 20~60바이트로 가변적이고, UDP는 8바이트 고정 길이를 갖는다.

TCP(Transmission Control Protocol)

연결 지향 방식
높은 신뢰성 보장
연결에 3 way handshake 사용
해제에 4 way handshake 사용
full-duplex(전이중 통신 방식), point-to-point(점대점) 방식
흐름 제어와 혼잡제어를 제공

가상 회선 패킷 교환 방식

각 패킷에 가상회선 식별자가 포함되며, 모든 패킷을 전송하면 가상회선이 해제되고 패킷들은 전송된 순서대로 도착하는 방식이다.

데이터의 전송은 패킷 단위로 목적지까지 전송된다. 순서대로 받아야 할 데이터 패킷에 번호를 붙이고 순차적으로 도착하게 한다. 패킷에 번호를 붙이면 패킷 분실을 확인하고 목적지에서 패킷들을 순서에 따라 재조립한다.

Numbering System(번호화 시스템)

TCP Segment Header

정보통신기술용어해설

번호화 시스템은 모든 데이터에 바이트 번호를 부여한다. 송신 순서 번호와 확인 응답 번호를 가진다. 세그먼트에 있는 첫 번째 바이트에 송신 순서 번호를 할당하고, 확인 응답 번호는 자신이 수신하기를 기대하는 다음 바이트 번호이다. TCP segment의 Sequence number이다.

Flow Control(흐름 제어)

흐름제어는 송신측과 수신측의 데이터 처리 속도 차이를 해결하기 위한 기법이다. 수신측에는 패킷을 수신 받는 버퍼의 크기가 정해져 있다. 송신측의 전송 속도가 빨라 수신측 버퍼에 패킷이 쌓이게 된다면 버퍼가 가득 차 손실되는 패킷이 발생한다. 수신측이 송신측에 자신의 상태를 계속 알리는 방식으로 흐름제어를 수행한다. 데이터를 더 받을 준비가 되었다는 상태를 송신측에 전달한 경우 송신측에서 패킷을 보내도록 동작한다.

흐름제어 기법에는 두 가지가 있다. Stop-and-Wait(정지-대기)와 Sliding-Window(슬라이딩 윈도우)기법이다.

Stop-and-Wait

정지-대기 기법은 말 그대로 매번 전송한 패키에 대해 응답을 받아야 다음 패킷을 전송할 수 있는 방법이다. 구조는 간단하지만 많은 데이터를 전송하기에 비효율적이다.

Sliding Window

Stop-and-Wait 기법의 비효율성을 개선한 기법으로, 수신 측에서 설정한 윈도우 크기만큼 송신 측에서 확인 응답 없이 세그먼트를 전송할 수 있게 하여 데이터 흐름을 동적으로 조절하는 기법이다.

수신측이 한번에 처리하지 못하는 양의 데이터를 계속 받게 되면 전달되지 않는 패킷이 발생하게 된다. 이런 데이터 유실이 발생하지 않도록 패킷의 양을 조절하는 것이 sliding window 기법이다.

Error Control(오류 제어)

tcp 프로토콜은 통신 중 오류가 발생하면 데이터를 재전송한다. tcp 프로토콜은 ARQ(Automatic Repeat Request)를 사용해 오류제어를 한다.

stop and wait

ARQ(검출 후 재전송)방식의 일종으로 송신측에서 1개의 프레임을 송신, 수신측에서 프레임 에러 유무를 판단하여 ACK나 NAK을 전송한다. 수신측으로 부터 NAK을 수신하거나, 일정 시간까지 ACK나 NAK을 수신하지 받지 못하면 에러로 간주하여 해당 프레임을 재전송한다.

Go Back N

연속적 ARQ라고도 하며 연속적으로 데이터를 보내고 오류가 발생한 지점부터 재전송 하는 방법이다. 일정 윈도우 크기 이내에서 한번에 여러 패킷을 송신하고, 이들 패킷에 대하여 단지 한 번의 ACK로 수신을 확인한다. 오류가 발생한 데이터부터 다시 재전송하기 때문에 성공한 데이터까지 다시 보내야 하므로 비효율적이다.

Selective Repeat

오류가 난 데이터만 재전송하는 방식이다. 오류가 발생한 데이터만 전송하는 부분에서 효율적일 수 있지만, 수신측의 버퍼 데이터가 순차적이지 않다는 단점이 있다.

Congestion Control(혼잡 제어)

네트워크 내에 패킷의 수가 과도하게 증가하는 현상을 제어하는 기능을 혼잡제어라고 한다.

AIMD(Additive Increase / Mutipleicative Decrease)

Tech Interview

패킷을 하나씩 보내고 문제없이 도착하면 윈도우 크기를 1씩 증가시키며 전송하는 기법이다. 패킷 전송에 실패하거나 일정 시간을 넘어가게되면, 패킷 전송 속도를 절반으로 줄인다. 초기에 네트워크가 혼잡해 지는 상황을 미리 감지하지 못하는 단점이 있다. 네트워크가 혼잡해지면 대역폭을 줄이는 방식이다.

Slow Start

AIMD와 동일하게 패킷을 하나씩 보내면서 시작하고, 문제없이 도착하면 윈도우 크기를 1씩 늘려간다. 전송 속도는 지수 함수 형태로 증가한다. 네트워크에서 혼잡이 발생하면 윈도우 크기를 1로 떨어뜨린다.

초기 네트워크 수용량을 예상할 수 있는 정보가 없지만, 혼잡이 한번 발생하고 나면 네트워크 수용량을 예상할 수 있다. 혼잡이 발생한 윈도우 크기의 절반까지는 지수 함수 형태로 윈도우 크기를 증가 시키고 그 이후 부터는 1씩 증가시키는 특징을 가지고 있다.

Fast Retransmit

빠른 재전송은 TCP 프로토콜의 혼잡 제어에 추가된 정책으로 패킷을 받는 쪽에서 먼저 도착할 패킷이 도착하지 않고 다음 패킷이 도착한 경우에도 ACK 응답 패킷을 보내게 된다. 순서대로 잘 도착한 마지막 패킷의 순번을 ACK에 보내게 되고, 중간 패킷 하나가 손실되게 되면 송신측에서는 순번이 중복된 ACK 패킷을 받게 된다. 중복된 패킷임을 확인하게되면 문제가 되는 순번의 패킷을 재전송해준다. 이 과정에서 중복된 순버의 패킷 3개를 받게 되면 재전송을 하게된다. 또한 혼잡을 감지하고 윈도우 크기를 줄인다.

Fast Recovery

빠른 회복 기법은 혼잡 상태가 되면 윈도우 크기를 반으로 줄이고 선형 증가 시키는 방법이다. 이 방법은 혼잡 상황을 겪게되면 이후에는 AIMD 기법으로 동작하게 된다.

TCP Tahoe

초기 윈도우 크기는 1 MSS(MSS: TCP 최대 세그먼트 크기)
임계점 까지느 slow start를 사용(윈도우 사이즈 2배씩 증가)
임계점부터 AIMD 방식을 사용(윈도우 사이즈 1씩 증가)
3 duplicate ACK나 timeout을 만나게 되면 임계점을 윈도우 사이즈의 절반으로 줄이고 윈도우 사이즈를 1로 줄인다

TCP Reno

Tahoe 방식은 3 duplicate ACK를 만나고 윈도우 사이즈가 다시 1부터 시작되어 속도가 느린 것을 해결 할 수 있는 방법이 Reno 이다

초기 윈도우 사이즈는 1 MSS
임계점까지 slow start를 사용(윈도우 사이즈 2배씩 증가)
임계점부터 AIMD 방식을 사용(윈도우 사이즈 1씩 증가)
3 duplicate ACK를 만나면 윈도우 사이즈를 절반으로 줄이고 임계점을 그 값으로 설정
timeout 을 만나게되면 윈도우 사이즈를 1로 줄임 이 때 임계점은 변화하지 않는다

TCP Tahoe, reno: 코드 연구소

UDP(User Datagram Protocol)

비연결형 서비스로 데이터그램 방식을 제공
정보를 주고 받을 때 정보를 보내거나 받는다는 신호 절차를 거치지 않음
UDP 헤더의 체크섬 필드를 통해 최소한의 오류를 검출
신뢰성이 낮음
TCP보다 빠른 속도

데이터그램 패킷 교환 방식

데이터그램 패킷 교환 방식은 패킷이 독립적으로 이동하며 최적의 경로를 선택하여 간다. 하나의 메세지에서 분할 된 여러 패킷은 서로 다른 경로로 전송될 수 있으며 도착한 순서가 다를 수 있는 방식이다.

TCP 방식처럼 패킷을 재조립하거나 흐름제어와 혼잡 제어 기능이 없기 때문에 TCP 보다 빠르고 이런 특징은 신뢰성보다 연속성이 중요한 실시간 스트리밍 서비스에 사용된다

TCP와 UDP 비교 한 눈에 보기

	TCP	UDP
연결 방식	연결지향 서비스	비연결 서비스
패킷 교환 방식	가상 회선 방식	데이터그램 방식
전송 순서	전송 순서 보장	전송 순서가 변경될 수 있음
수신 여부 확인	수신 여부 확인	수신 여부 확인 하지 않음
통신 방식	1:1 통신	1:1 or 1:N or N:N 통신
신뢰성	높음	낮음
속도	느림	빠름