▶ TCP Overview
- 점대점(Point-to-Point) : 단일 송/수신자간의 통신 ex) 일대일 통신, Unicast 전송
- Unicast : 고유 주소로 식별된 하나의 네트워크 목적지에 메시지를 전송하는 방식
- Broadcast : 송신 가능한 모든 목적지에 동일한 데이터를 전송
- Multicast : 특별한 주소 지정 방식을 통해 정해진 여러 목적지로 데이터를 전송
- 호스트가 무수히 많은 경우, Unicast로 데이터를 전송하면, 각각의 네트워크 연결마다 호스트의 컴퓨팅 리소스(자원)을 소비할 뿐 아니라 각각 다른 네트워크 대역폭을 필요로 하기 때문에 전송 비용이 많이 든다는 단점이 있다.
- 파이프라인(Pipeline) : TCP의 혼잡 제어 및 흐름 제어가 윈도우 크기(Window size)를 결정한다.
- Window size : ACK받지 않은 데이터 중 최대 송신가능한 바이트 수, 수신자가 한 번에 버퍼링할 수 있는 최대 데이터 크기
- Sliding Window : 두 개의 네트워크 호스트 간의 패킷의 흐름을 제어하기 위한 방법으로, TCP 프로토콜은 데이터의 전달을 보증해야 하므로 패킷 하나 하나가 정상적으로 전달되었음을 알리는 확인 신호(Acknowledgement, ACK)를 수신자가 송신자에게 보내야 한다.
- 패킷에 오류가 생겼을 경우, 송신측에서 해당 패킷을 재전송해야 하는데 이 때 Sliding Window가 Window Size(메모리 버퍼의 일정 영역)에 포함되는 모든 패킷을 전송하고, 패킷의 전달이 확인되는 대로 이 Window를 옆으로 옮김(Sliding)으로써 그 다음 패킷들을 전송할 준비를 한다.
- 전이중성 데이터(Full-duplex Data) : 같은 연결 상에서 양방향 데이터 흐름
- 최대 세그먼트 크기 (Maximum Segment Size, MSS)
- 헤더를 제외하고 TCP가 실을 수 있는 최대 데이터 크기
- 기본값은 IPv4 -> 536 Byte, IPv6 -> 1220 Byte이다.
- 최대 전송 단위(MTU)에 의해 값이 결정되며, MSS값은 헤더의 MSS 옵션 필드에 저장된다.
- 연결에 참여하는 두 장비가 서로 다른 MSS값을 갖을 수도 있다.
- 최대 전송 단위(Maximum Transmission Unit, MTU)
- 데이터 링크(2계층) 또는 네트워크(3계층)에서 하나의 프레임 또는 패킷에 담아 운반할 수 있는 헤더를 포함한 최대 데이터 크기
- 최소 권고값은 2계층 기준 1500Byte이며, 3계층 기준 IPv4는 MSS 크기에서 40byte(IP헤더+TCP헤더)를 추가한 576Byte이고, IPv6는 1280Byte이다.
- 실제로는 최대 65,646바이트 범위까지 생성가능하다.
- MTU가 IP 기반의 정보인 반면, MSS는 TCP 기반의 정보이다.
- TCP는 연결지향형으로 제어 메시지들의 교환(Handshaking)이 이루어진다. 핸드쉐이킹을 통해 데이터 교환 전에 송신자 및 수신자의 상태를 초기화한다.
- 흐름 제어(Flow Control) : 수신자의 속도에 맞춰서 송신자가 데이터를 보낸다.
▶ TCP Segment
- Source port number : 출발지 포트 번호
- Destination port number : 도착지 포트 번호
- Sequence number : 순서번호(Seq#)로, 세그먼트에서 첫 번째 바이트의 바이트 스트림 번호값이 저장된다.
- Response number : 확인응답(누적된 ACK)번호로, 상대방으로부터 받아야할 다음 바이트의 순서번호값이 저장된다.
ex) ACK100이 들어있으면 99번 데이터까지 잘 받았음을 의미한다.
- Header length : 헤더의 길이로, Option이 없으면 헤더값에 5개의 비트값이 들어간다. 그러나 일반적으로 32비트이다.
- Reservation : 나중에 다시 설명
- Control flag
구체적으로 flag순서는 URG, PSH, RST, SYN, FIN이고 각각 1비트로 표현되는 값이 저장된다.
중요한 부분만 집어보자면, 통신과정에서 연결 설정이 필요할 때 RST, SYN, FIN을 사용한다.
RST는 연결을 재설정(Reset)할 때 연결을 종료하기 위한 비트값으로 비정상적인 세션 연결 끊기가 해다된다.
연결 요청 시에는 SYN=1 의 비트값을 넣어 세그먼트를 전송한다.
연결 해제할 때는 FIN=1 의 비트값을 저장하여 세그먼트를 전송한다.
- Window : 수신측의 윈도우 크기(Window size)로, 받을 수 있는 최대 데이터 크기값이 저장되어 있다.
- TCP Checksum : 검사합(Checksum)이 저장되는 데, 체크섬값이란 세그먼트의 합에 1의 보수를 취한 값을 말하며, 수신측에서 체크섬과 세그먼트의 실제 데이터를 더한 결과를 통해 오류를 검출한다.
- Emergency Data point : 생략
- Option : 변수의 길이로 설명은 생략.
- Data : 헤더를 제외한 실제 세그먼트에 들어있는 데이터의 크기로 MSS에 의해 제한되어진다.
▶ TCP Round Trip Time, Timeout
- TCP는 신뢰적인 데이터 전송(RDT)처럼 세그먼트의 손실을 발견하기 위해 타임아웃/재전송 메커니즘을 사용한다. 이 때, 송신측에서 데이터를 전송한 후, ACK받기까지 걸린 시간을 RTT(Rount Trip Time)이라 표현한다.
- 타임아웃(timeout) 주기는 RTT보다 길어야 한다. 너무 짧으면 타임아웃이 자주 발생하여 세그먼트의 불필요한 재전송이 발생하므로 링크를 비효율적으로 사용하게 된다. 반대로 너무 길게 되면, 세그먼트의 손실에 대한 느린 대응으로 회복이 비효율적이게 된다.
- SampleRTT : 세그먼트가 송신된 시간부터 ACK 받기까지 측정된 시간으로, 재전송한 세그먼트는 무시한다. 값은 네트워크 부하에 따라 가변적이다.
- 현재 SampleRTT 값이 아닌 최근의 값들의 평균값으로 추정한다.
- 추정RTT : EstimatedRTT = (1-a) * EstimatedRTT + a * SampleRTT
일반적으로 a=0.125이고, 지수적 가중 이동 평균(EWMA)방식으로 과거 샘플들의 영향이 지수적으로 감소한다. a가 높을수록 SampleRTT에 더 영향을 준다.
- DevRTT : RTT 변화율로, SampleRTT와 EstimatedRTT의 편차값이다. 즉, 현재 RTT값이 추정 RTT값으로부터 얼마나 벗어났는가에 대한 정보이다.
- 재전송 타임아웃 주기 (Timeout Interval) = EstimatedRTT + 4 * DevRTT
- 타임아웃나서 세그먼트를 재전송하게 되면, 재전송한 세그먼트에 대한 타이머가 시작된다.
▶ TCP의 RDT
- TCP는 비신뢰적인 인터넷 네트워크 계층(IP서비스)의 상위 계층에서 신뢰적인 데이터 전달(Reliable Data Transfer, RDT) 서비스를 제공한다.
- 파이프라인되는 세그먼트 (ACK의 응답이 없어도 다수의 세그먼트를 전송가능)
- 누적된 ACKs
- 단 하나의 재전송 타이머
- 재전송은 타임아웃이 되거나, 중복 ACKs를 수신했을 경우 발생한다.
- “간소화된 TCP 송신자”는 중복 ACKs를 무시하고 흐름제어 및 혼잡제어를 무시한다.
▶ TCP 송신자의 3가지 상황(Sender Events)
- 상위 계층으로부터 수신된 데이터 : 데이터를 받았으므로 상위 계층으로부터 데이터 전송 요청이 오게 된다.
순서번호(Seq#)를 가진 세그먼트 생성 (Seq# : 세그먼트의 첫 번째 바이트의 바이트 스트림 번호)
타이머가 실행되지 않고 있으면 타이머를 시작한다.
타이머의 만료주기는 Timout Interval 로 계산한다.
- 타임아웃 : 타임아웃에 의해 세그먼트가 재전송되고, 전송했으나 ACK 받지 않은 가장 오래된 세그먼트에 대해 타이머가 다시 시작한다.
- ACK를 수신한 경우 : 이전에 ACK받지 않은 세그먼트의 ACK 이면, 해당 세그먼트를 ACK 응답된 세그먼트로 표시한다. 즉, 윈도우 크기를 조정한다. 아직 ACK받지 못한 세그먼트들이 존재한다면 타이머를 시작한다.
NextSeqNum = InitialSeqNum
SendBase = InitialSeqNum //송신했으나 ACK되지 않은 가장 오래된 순서 번호
loop(forever) {
switch(event) {
event : data received from application above // 상위 계층으로부터 수신된 데이터
create TCP segment with sequence number NextSeqNum // 다음 순서번호를 가진 TCP 세그먼트 생성
if(timer currently not running) { // 아직 타이머가 시작하지 않았다면
start timer //타이머 시작
}
pass segment to IP // 생성한 세그먼트 목적지 IP주소로 전송
NextSeqNum = NextSeqNum + length(data) // 전송할 세그먼트의 순서번호 변경
event : timer timeout // 타임아웃
retransmit not-yet-acknowledged segment with smallest sequence number
start timer
event : ACK received, with ACK field value of y //y번의 ACK를 수신한 경우
if (y > SendBase) { // 누적된 ACK가 도착한 경우(새 데이터가 온 경우)
SendBase = y;
if (there are currently not-yet-acknowledged segments) { //아직 ACK받지 않은 데이터가 남은 경우
start timer //타이머 시작
}
}
}
}
- 세 가지 상황에 대한 재전송 시나리오
▶ TCP 수신자의 4가지 상황(Receiver Events)
<문제가 없는 상황>
- 기다리는 순서번호의 세그먼트가 도착. 즉, 이전의 데이터들은 모두 ACK받은 경우
=> 지연된 ACK 발생. 다음 세그먼트를 위한 500ms의 ACK타이머가 설정되고, 시간 안에 다음 세그먼트가 오지 않을 경우 ACK를 전송한다.
[ 오른쪽이 지연된 ACK의 모습 ]
- 기다리는 순서번호의 세그먼트가 도착. 하나의 다른 세그먼트가 ACK 지연시간(500ms)안에 수신된 경우
=> 하나의 누적 ACK를 송신측으로 즉시 전송한다.
<문제가 있는 상황>
- 기다리는 것보다 높은 순서번호를 가진 세그먼트가 도착. 즉, 송신측에서 여러 개의 세그먼트를 전송한 후 중간 세그먼트가 손실된 경우 => 즉시 기다리는 바이트의 순서번호에 해당하는 중복 ACK를 전송한다. 이 때, 보낼 세그먼트가 없더라도 ACK를 위해 헤더만 별도로 생성하여 송신측으로 전송한다. (ACK는 항상 세그먼트의 헤더에 포함되어 있음 - piggybacked ACK 방식)
- 위의 상황에서 발생한 갭(손실된 세그먼트)를 부분적으로 또는 모두 채워주는 세그먼트가 도착한 경우 => 부분적으로 도착하면 아직 받지 못한 세그먼트 중 가장 낮은(오래된) 순서번호의 ACK를 전송한다. 모두 도착했다면 위의 상황에서 높은 순서번호를 가진 세그먼트의 다음 세그먼트의 순서번호를 가진 ACK를 전송한다.
[ 왼쪽은 중복ACK, 오른쪽은 갭을 채우는 세그먼트가 모두 도착한 경우 ]
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