[네트워크] 전송 계층 Transport Layer
데이터 단위
- TCP: 세그먼트
- UDP: 데이터그램
특징
- 목적지까지 데이터가 잘 도착하도록 하는 것
- 연결 지향 데이터 스트림, 멀티플렉싱, 신뢰성 있는 데이터 전송, 흐름 제어, 다중화 등의 서비스 (대부분 TCP가 제공하는 기능들)를 제공
- TCP 경우, 호스트에서만 작동하고 중간 라우터 노드들에서는 작동하지 않음 (TCP는 복잡한 처리를 요구하기 때문에 중간 라우터 노드들에까지 TCP를 작동하게 한다면 지금처럼 많은 데이터 처리가 어려움)
TCP 프로토콜 (Transmission Control Protocol)
연결 지향 프로토콜 (Connection Oriented Protocol)
- 통신 연결이 유지되는 것을 지향 (전화 연결이 적절한 예)
- 통신을 유지하기 위해 비용이 비쌈
- IP 프로토콜은 비연결 프로토콜이지만, IP 프로토콜을 이용하는 TCP는 연결 지향 프로토콜임. 반면, TCP를 이용하는 HTTP는 비연결 프로토콜 (프로토콜을 어떻게 활용하느냐에 따라 연결 지향과 비연결 프로토콜로 바뀔 수 있음)
- 비연결 프로토콜에서는 매번 새롭게 연결이 성립되기 때문에 매 연결 시 자신이 누군지 알려주어야 함 (예를 들어 HTTP 이용한 웹 환경의 경우 쿠키나 세션을 통해 매번 자신을 식별할 수 있는 정보를 함께 전송함)
멀티플렉싱 (Multiplexing)
하나의 호스트에는 여러 응용 프로그램이 존재할 수 있고 따라서 여러 소켓이 존재한다. 그러나 컴퓨터에 연결된 통신 링크는 하나이기 때문에 이들을 서로 구분하여야 한다. 이를 위해 TCP 계층에서는 세그먼트를 만들 때 헤더를 추가하여 출발지 포트 번호와 목적지 포트 번호를 두는 데, 이 작업을 멀티플렉싱이라고 한다.
목적지에 도착한 세그먼트는 헤더 확인을 통해 디멀티플렉싱 된 뒤 해당 소켓에게 데이터를 전달된다.
신뢰성 있는 통신 (Reliable Data Transfer, RDT)
잘못된 데이터를 송신하지 않고, 데이터의 순서가 유지되는 통신을 보장한다는 뜻
- rdt 1.0 : 데이터 전송에 에러가 발생하지 않는다는 가정. 받은 데이터를 패킷으로 만들고 udt_send
- rdt 2.0 : 비트 에러가 존재할 수 있는 상황. 비트 에러 감지를 위해 체크섬도 송신함. 수신인으로부터 ACK 혹은 NACK 를 받고 그에 따라 액션을 취함. (ARQ, Automatic Repeat reQuest)
- rdt 2.1 : 중복 수신을 방지하기 위해 순서 번호를 추가. 방금 전송한 패킷이 잘 전송되었는지만 확인하면 되기 때문에 0, 1만 있으면 됨. 0에 대한 패킷 전송 완료 후에 1에 대한 패킷을 보내는 식.
- rdt 2.2 : ACK에 순서번호를 추가하여 NACK를 ACK로 대체할 수 있음.
- rdt 3.0 : 패킷이 손실되는 경우. 시간 내에 데이터를 성공적으로 수신했다는 응답을 받지 못하면 데이터를 다시 보냄. 중복된 수신에 대해서는 이미 rdt 2.2 상에서 처리 가능.
rdt 3.0을 통해 신뢰성 있는 통신이 가능해졌지만, 한 번에 한 패킷 밖에 보내지 못하기 때문에 성능상 만족스럽지 못하다. 여러 패킷을 한꺼번에 보내기 위해 GBN, SR 프로토콜이 있다.
GBN (Go-Back-N)
window를 통해 여러 패킷을 한꺼번에 보낼 수 있음. 위 그림에서, 윈도우 사이즈가 7이므로 0~6까지 7개의 프레임을 보낼 수 있으며, 2,3,4 를 보내고 있는 와중에 0,1에 대한 ACK가 왔기 때문에 윈도우 사이즈를 늘린 모습을 볼 수 있다. 단점은 패킷 하나의 오류 때문에 많은 패킷들을 재전송하게 된다는 것이다. 0에 대한 ACK가 오지 않는 경우 0부터 다시 보내야 됨. 순서가 뒤바뀌어 도착한 패킷들은 버려짐.
SR (Selective Repeat)
문제가 발생한 패킷만 재전송. 따라서 순서가 꼬일 수도 있기 때문에 패킷 재정렬을 위해 별도의 버퍼가 필요함.
연결 제어 (Connection Control)
앞서 말한대로 TCP는 연결 지향 프로토콜이기 때문에 서로 데이터를 전송하기 전에 연결 성립(Establish)이 필요함
3-way handshaking
- 양쪽 모두 데이터를 전송할 준비가 되었다는 것을 보장
- 양쪽 모두 상대편에 대한 초기 순서 번호를 얻을 수 있도록 함
- Client는 연결하자는 뜻으로 SYN 패킷과 함께 초기 순서 번호를 Server에게 보냄
- Server는 Client의 초기 순서 번호가 M인 것을 알게 되고, SYN+ACK 패킷과 함께 자신의 초기 순서 번호를 보냄
- 마지막으로 Client는 Server의 초기 순서 번호를 잘 받았다는 의미로 ACK를 보냄
4-way handshaking
연결 종료를 위함
- Client가 연결을 종료하겠다는 FIN 플래그는 전송 (FIN_WAIT)
- Server는 FIN 플래그를 받고 Client에게 ACK를 보낸 후, 자신의 통신이 끝날 때 까지 기다림 (CLOSE_WAIT)
- Server가 연결을 종료할 준비가 되면, Client에게 FIN 플래그를 전송 (LAST_ACK)
- Client는 Server의 FIN 플래그에 대한 ACK를 보냄 (TIMED_WAIT)
Server에서 전송한 FIN 보다 Client에 늦게 도착하는 패킷이 있는 경우, Client는 이미 Server의 FIN 플래그를 받고 세션을 종료시킨 상태이기 때문에 이 패킷은 유실되게 된다. 이러한 경우를 방지하기 위해 Client는 Server로부터 FIN을 수신하더라도 일정시간 동안 세션을 남겨놓고 잉여 패킷을 기다리게 된다. 이 과정을 TIMED_WAIT 라고 한다.
UDP 프로토콜 (User Datagram Protocol)
TCP 프로토콜이 제공하는 신뢰성 전송, 연결 제어 등의 서비스를 제공하지 않기 때문에 오버헤드가 적다. 그렇기 때문에 신뢰성이 떨어져도 되지만 많은 요청을 처리해줘야 하는 경우에 쓰인다.
- DNS
- VoIP
- 온라인 게임 서버
