CS/네트워크

TCP(Transmission Control Protocol)

자바바 2024. 4. 7. 19:54

TCP

연결 지향적 프로토콜로, 데이터의 신뢰성 보장. 데이터를 보낼 때 먼저 연결을 설정하고, 데이터 전송 후에는 연결 해제.

  • 데이터 전송 과정에서 신뢰성 보장을 위해 오류 검출, 복구, 흐름 제어, 혼잡 제어 등 기능 수행.
  • 데이터를 순차적으로 전송하며, 도착 순서를 보장. -> 이메일이나 파일 전송 등에 사용.
  • TCP 헤더에는 송신자/수신자의 포트 번호, 순서 번호, 확인 응답 번호, 플래그 등의 정보 포함.
  • 데이터 신뢰성 보장위해 상대적으로 오버헤드가 크고, 전송 속도가 느리다는 단점.

TCP는 reliable network를 보장하는 프로토콜인데, 이것은 4가지 문제점 존재

  • 손실: 패킷(packet)이 손실될 수 있는 문제
  • 순서 바뀜: packet의 순서가 바뀌는 문제
  • Congestion: 네트워크 혼잡 문제
  • Overload: receiver가 overload 되는 문제

3way handshake - 연결 성립

정확한 전송 보장 위해 TCP는 3 way handshake 과정 진행.

1. 클라이언트가 서버에게 SYN 패킷 보냄
2. 서버가 SYN을 받고, 클라이언트에게 받았다는 신호인 ACK와 SYN 패킷을 보냄
3. 클라이언트는 서버가 보낸 응답 받고, ACK를 서버로 보냄.

4way handshake - 연결 해제

연결 성립 후, 모든 통신이 끝났다면 해제해야 한다.
1. 클라이언트는 서버에게 연결 종료한다는 FIN 플래그를 보냄
2. 서버는 FIN 받고, 확인했다는 ACK를 클라이언트에게 보냄(모든 데이터 보내기 위해 CLOSE_WAIT 상태)
3. 서버가 데이터를 모두 보냈다면, 서버는 연결이 종료되었다는 FIN 플래그를 FIN 플래그를 클라이언트에게 보냄
4. 클라이언트는 FIN을 받고, 확인했다는 ACK를 서버에게 보냄. (아직 서버로부터 받지 못한 데이터 있을 수 있으니 TIME_WAIT 상태로 기다림)
서버는 ACK 받은 후, 소켓 Closed함.
TIME_WAIT 시간 끝나면 클라이언트도 Closed.

 

TCP의 흐름제어

1) 송신측의 속도 > 수신측의 속도: 문제 발생!

수신측이 송신측보다 데이터 처리 속도가 빠르면 문제 없지만, 송신측의 속도가 더 빠를 경우 문제가 발생한다.

2) 수신측에서 제한된 저장 용량을 초과할 경우, 이후에 도착한 데이터는 손실될 위험이 있다. 만약 손실된다면 불필요한 응답과 데이터 전송이 발생.

이러한 위험을 줄이기 위해 송신측의 데이터 전송량을 수신측에 따라 조절해야한다.

 

해결방법

  • Stop and Wait: 매번 전송한 패킷에 대해 확인 응답을 받아야만, 그 다음 패킷을 전송하는 방법.
  • Sliding Window: 송신측 확인 응답 없이, 수신측에서 설정한 윈도우 크기만큼 세그먼트를 전송할 수 있게 해서 데이터 흐름을 동적으로 조절하는 기법.

TCP의 혼잡제어

송신측의 데이터는 대형 네트워크(지역망, 인터넷)를 통해 전달된다.

만약 한 라우터에 데이터가 몰릴 경우, 데이터를 모두 처리하는 것이 불가능해져 호스트들은 계속 재전송 -> 혼잡 가중되어 오버플로우나 데이터 손실 발생.

-> 이러한 네트워크의 혼잡을 피하기 위해, 송신측에서 보내는 데이터 전송 속도를 강제로 느리도록 함: 혼잡제어

혼잡: 네트워크 내에 패킷의 수가 과도하게 증가하는 현상
혼잡 제어: 혼잡 현상을 방지하거나 제거하는 기능(송신측 데이터 전송 속도를 강제로 늦춤!)

 

흐름제어는 송신측과 수신측 사이의 전송 속도를 다루지만, 혼잡제어는 호스트와 라우터를 포함한 더 넓은 관점의 전송 문제를 다룸.

 

1. AIMD (Additional Increase / Multiplicative Decrease

처음에 패킷을 하나씩 보내고 문제없이 도착하면, window 크기(단위 시간 내에 보내는 패킷의 수)를 1씩 증가시키며 전송하는 방식.

  • 패킷 전송에 실패하거나 일정 시간을 넘으면, 패킷의 보내는 속도를 절반으로 줄인다.
  • 여러 호스트가 한 네트워크를 공유하고 있으면 나중에 진입하는 쪽이 처음에는 불리하지만 시간이 흐르면 평형 상태로 공평한 방식임.
  • 문제점: 초기엔 네트워크의 높은 대역폭을 사용하지 못하여 오랜 시간 소요. 네트워크의 혼잡을 미리 감지 못함. -> 네트워크가 혼잡해지고 나서야 대역폭 줄임.

2. Slow Start (느린 시작)

AIMD 방식이 네트워크 수용량 주변에서는 효율적으로 작동하지만, 전송 속도 부분에서 오래 걸리는 단점이 존재.

TCP의 초기 전송 속도를 조절하는 알고리즘.

Slow Start 방식은 AIMD와 마찬가지로 패킷을 하나씩 보내어 패킷이 문제없이 도착하면, 각각 ACK 패킷마다 window size를 1씩 늘려준다. -> 한 주기가 지나면 window size가 2배 됨.

  • 전송 속도는 AIMD에 반해 지수 함수 꼴로 증가. 대신 혼잡 현상이 발생하면 window size를 1로 줄인다.
  • 처음에는 네트워크의 수용량을 예상할 수 있는 정보가 없지만, 한번 혼잡 현상이 발생하면 네트워크의 수용량을 어느정도 예상 가능.
  • 그러므로 혼잡 현상이 발생했던 window size의 절반까지는 이전처럼 지수 함수 꼴로 window size 크기를 증가시키고, 그 이후부터는 완만하게 1씩 증가.

3. Fast Retransmit (빠른 재전송)

TCP의 혼잡 제어에 추가된 정책.

  • 수신자는 중복된 패킷을 감지하면 이를 송신자에게 즉시 알려줌. 이를 통해 송신자는 패킷 손실을 빠르게 감지하고 재전송 요청.
  • 중복된 순번의 패킷 3개를 받으면 재전송하게 됨. 재전송하고 window size를 줄인다.

4. Fast Recovery (빠른 회복)

  • 혼잡 상태일 때 TCP의 빠른 복구를 위한 알고리즘. 패킷 손실 후 전송 속도를 빠르게 회복시키는 역할.
  • 패킷 손실을 감지하면 전송 속도(window size)를 1로 줄이지 않고 반으로 줄이고, 수신자로부터 중복 확인 응답(Duplicate ACK)을 받으면 전송 속도를 증가.