[네트워크] 전송 계층 (Transport Layer)

0. 전송 계층 서비스 (Transport Layer Services)

  Q. 형주집 12명의 자녀들이 근남이집 12명의 자녀들에게 편지를 보낸다면?
  A. 형주집, 근남이집 (=호스트)
       자녀들 (=프로세스)
       봉투 안의 편지 (=응용 프로그램 메세지)
       전송 프로토콜 (= 보낼 편지를 모으고, 받은 편지를 나눠주는 형주와 근남이)
       네트워크 프로토콜 (=우편 서비스)

 

5개의 계층을 생각해보자. 전송 프로토콜에서는 응용프로그램 계층에서 보낸 메세지를 세그먼트로 나눠서 네트워크 계층으로 준다. 수신측에서는 세그먼트들을 다시 재조합해 메세지로 만들고 응용 프로그램 계층으로 준다. 대표적인 전송 프로토콜로는 TCP, UDP가 있으며 꼭 한 가지만 쓰이라는 법은 없다.

 

 

전송 프로토콜(transport protocols)
  - TCP : 신뢰할 수 있는, 순서가 있는 전송(혼잡 제어, 흐름 제어, 연결작업 필요)
  - UDP : 신뢰할 수 없는, 순서가 없는 전송("best effort" : 최선을 다하는(신뢰성 보장X), 꼭 필요한 요소만 확장)
  - 둘 다 지연 보장(delay guarantees), 대역폭 보장(bandwidth guarantes) 없음

 

 

 

1. 다중화와 역다중화(Multiplexing and Demultiplexing)

세그먼트라는 개념이 나와 헷갈릴 수 있으니 잠시 정리하면, 각 계층별로 취급하는 정보의 단위가 다르다.

응용프로그램 계층 : 메세지
전송 계층 : 세그먼트
네트워크 계층 : 패킷, 데이터그램 (참고)
링크 계층 : 프레임
물리 계층 : 비트

 

 

다중화 / 역다중화(multiplexing(MUX) / demultiplexing(DEMUX))
  - 프로세스들은 소켓으로 데이터를 내보냄
  - 소켓으로 나온 데이터를 부분부분 나눠서, 전송 헤더(transport header)를 붙임
  - 이렇게 세그먼트(segment, 조각)단위로 만들어 네트워크 계층을 통해 보내는 과정을 다중화라고 함
  - 메세지에 붙어있는 헤더를 사용해서, 각 부분을 정확한 소켓으로 전달해주는 것을 역다중화라고 함

 

데이터그램(datagram)
  - IP 계층의 가변길이 패킷
  - 라우팅(경로지정)과 전달에 필요한 정보를 포함
  - 헤더(20~60byte, TCP/IP에서는 헤더를 4byte 단위로 표시)와 데이터로 구성
  - 헤더 : 발신 IP, 수신자 IP 주소
  - 데이터 : 하나의 세그먼트(발신 포트번호, 수신 포트번호 포함ㅡTCP는 IP주소도 포함)
  - 호스트는 IP 주소와 포트번호를 통해 세그먼트를 적절한 소켓에 전달

 

비연결 기반 역다중화(connectionless demultiplexing, UDP)
  - 헤더에는 발신 IP주소, 수신 IP주소
  - 데이터에는 세그먼트(발신 포트번호, 수신 포트번호)
  - 소켓(프로세스가 데이터를 받는 창구)과 포트(프로세스 별로 할당받는 고유한 번호)는 다름
  - 어디서 어떻게 온 데이터인지, 포트의 여러 소켓 중 어디로 보낼지 근거가 별로 없기 때문에 하나의 소켓에 때려박음

 

연결 기반 역다중화(connection-oriented demultiplexing, TCP)
  - 각 TCP 소켓은 튜플로 구분됨 {발신 IP: , 발신 포트: , 수신 IP: , 수신 포트: }
  - 역다중화 하여 알맞은 소켓에 연결하는 데에 튜플의 4가지 정보를 모두 사용
  - 서버 호스트는 동시다발적으로 TCP 소켓을 여러개 사용 가능(구별이 가능하기 때문에 여러개의 소켓에 분배가능)
  - 웹 서버는 각 연결된 클라이언트에 대하여 다른 소켓을 가지고 있음(비영구적 HTTP는 각 요청마다 하나씩 가짐)

 

 

 

2. UDP (User Datagram Protocols)

UDP
  - 필요한 것만 있는, 기본 골격의 인터넷 전송 프로토콜
  - "best effort" 서비스(손실되거나 잘못 전달될 수도 있음)
  - 발신자, 수신자 사이에 연결 작업(handshaking)이 필요없음
  - 스트리밍 데이터(조금 손실나도 되고, 속도는 빨라야함), DNS, SNMP 등에 사용
  - UDP로 신뢰성 있는 통신을 하는 법 : 응용 프로그램 계층에서 신뢰성을 더함(받았을 때 에러를 복구 등)
  - 연결 작업 필요없어 지연 최소화, 작은 헤더크기, 연결 상태 없음, 보내고 싶은 만큼 빠르게 보낸다는 장점

 

UDP 세그먼트 헤더
  - IP 헤더랑 다른 개념
  - 발신(source) 포트, 수신(destination) 포트, 헤더길이, 체크섬, 데이터
  - 체크섬(오류 검출, 최소한의 신뢰성 : UDP 세그먼트가 이동 간 바뀐게 있는지 검사)
  - 세그먼트를 16 bit 단위로 쪼개서, 모두 더한 다음(올림수는 맨 첫자리에 더해준다) 1의 보수(참고) 취해준 것이 체크섬
  - 받았을 때 세그먼트를 다 더한다음 체크섬이랑 더하면 1111 1111 1111이 나와야함(보수니까)

 

 

 

3. 신뢰적 데이터 전송 (Reliable Data Transfer)

신뢰적 데이터 전송은 정보교환에 있어서 가장 중요한 주제라고 해도 과언이 아니다. 만약 내가 100만원을 다른 계좌에 송금했는데, '0'이 하나 빠져 10만원의 입금 정보가 간다면 어떻겠는가? 혹은 내가 매번 입금을 받을 때마다 '이게 제대로 온건가?'하고 신뢰할 수 없다면 어떻겠는가? 다행히 이것을 해결하기 위한 다양한 신뢰 보장 프로토콜들이 있다.

 

Computer Netwoking : A Top Down Approach 교재

신뢰적 데이터 전송의 원칙
  - rdt_send() : 상위 계층에서 호출, 수신 측 상위 계층이 받을 데이터를 넘겨줌
  - udt_send() : rdt가 호출하고, 패킷을 비신뢰적 채널을 통해 수신 측에 넘겨줌
  - rdt_rcv() : 패킷이 수신 측에 도착하면 호출
  - deliver_data() : rdt가 호출하고, 받은 패킷을 상위에 전달함

 

RDT(Reliable Data Transfer protocols) 1.0
  - 하위의 채널들이 완벽하게 신뢰가능(bit 에러, 손실 없음)
  - sender : 상위 계층의 호출(rdt_send(data))을 기다렸다가, udt_send(make_packet(data))로 보냄
  - reciever : 하위 계층의 호출(rdt_rcv(packet))을 기다렸다가, extract(packet, data), deliver_data(data)로 상위에 보냄

 

RDT(Reliable Data Transfer protocols) 2.0
  - 하위 채널들에 비트 오류가 있을 수도 있음
  - 오류 탐지(체크섬 등)와 피드백(ACK='잘 받았어요', NCK='잘못 왔어요')을 통해 신뢰성 보완
  - sender : 상위 계층의 호출 기다렸다가, 패킷을 보냄. 수신자 측에서 ACK가 오면 상위호출 대기. NAK가 오면 재전송
  - reciever : 하위 계층의 호출 기다렸다가, 비트 오류가 없으면 데이터 추출해 상위에 전송 후 ACK 전송. 있으면 NAK

 

RDT(Reliable Data Transfer protocols) 2.1
  - 2.0은 두가지 치명적 오류(ACK, NAK의 신뢰성 보장불가, 또 몇번째 패킷이 오류인지 모름)를 가짐
  - 2.1은 패킷의 개수만큼 상태를 가짐, 0번, 1번 차례차례 보내고 피드백 받음(ex. NAK 2 : 2번 패킷 문제) 

 

RDT(Reliable Data Transfer protocols) 2.2
  - 2.2는 NAK를 없앤 대신에 몇번 패킷까지 ACK가 떴는지 피드백 해줌

 

 

Computer Netwoking : A Top Down Approach 교재

RDT(Reliable Data Transfer protocols) 3.0
  - 패킷 손실을 복구할 때, 재전송은 매우 간단한 방법이지만 이는 시간적인 낭비가 큼
  - 3.0은 Timeout 기능을 추가해 ACK를 '합리적인' 시간동안 기다리고, ACK가 지연되면 타이머를 멈춤
  - 신뢰성이 높지만, 속도가 썩었음, 물리적인 자원을 활용할 수가 없게됨
  - 여전히 전송-후-대기(stop-and-wait)방식

 

파이프라인 프로토콜(pipelined protocols)
  - 날아오고 있는 상태의 데이터들이 여러개인 것을 허용해서 네트워크 활용률을 높임
  - GBN과 SR방식이 있음

 

GBN(Go-Back-N)
  - 발신자는 파이프라인에 아직 ACK를 받지 못한 패킷을 N개 둘 수 있음
  - ACK를 받지 못한 패킷 중 가장 오래된 것에 대하여 타이머 설정(끝나면 ACK 못받은 패킷 모두 재전송)
  - 수신자는 누적된 긍정피드백(rdt 2.2, 3.0처럼)만 보낼 수 있음

 

SR(Selective Repeat)
  - 발신자는 파이프라인에 아직 ACK를 받지 못한 패킷을 N개 둘 수 있음
  - ACK를 받지 못한 패킷마다 타이머를 두고 만료시 해당 패킷만 재전송 받음
  - 수신자는 패킷에 대해 각각 ACK를 전송

 

 

4. 연결지향형 전송(TCP)

TCP의 특징
  - 송신자 대 수신자 1:1 연결
  - 신뢰 가능(reliable)
  - 바이트 스트림 방식(한 번에 한 바이트 씩 연속적으로 전송되는 바이트 열)으로, 메세지의 제한이 없음
  - 파이프라인 프로토콜(GBN, SR 등)
  - 양방향 데이터(A가 B에게 말하는 동시에,  B도 A에게 말할 수 있음)
  - 매개변수를 서로 전달하여 연결 사전작업(handshaking)이 필요함
  - 송신자가 수신자를 압도하지 않는다(흐름제어)

 

TCP 세그먼트 구조
  - https://m.blog.naver.com/itexpert2007/30027739473

 

TCP 송신 구체적 이벤트
  - 응용 프로그램 계층에서 데이터 수신 : 데이터 부분 첫 바이트로 번호를 붙여 세그먼트를 생성, 타이머 시작
  - 타임아웃 : 타임아웃의 원인이 된 데이터를 재전송 하고, 타이머도 재시작
  - ACK 수신 : 이 전에 도착했어야할 ACK가 있는지 확인 후, 없다면 타이머 시작 
  - (단, 빠른 재전송 방식(3번 같은 ACK를 받으면 손실로 판단)으로 타임아웃을 사용하지 않을 수도 있음)

 

Computer Networking : A Top Down Approach 교재

TCP 흐름제어
  수신자 측은 데이터를 받는 버퍼가 있다. 만약 송신자가 수신자 측의 버퍼 여유공간과 상관없이 데이터를 계속해 보낸다면 손실이나 낭비가 있을 것이다. 따라서 수신자 측은 송신자 측에게 TCP 헤더에 버퍼가 얼마나 남았는지를 실어 보낸다. 이렇게 데이터가 지나치게 빠르게, 많이 오는 것을 막는 것을 흐름제어라고 한다.

 

Handshake
  - 2 way : 통신할래?(req_conn) → 그래!(acc_conn)
  - 3 way : https://sleepyeyes.tistory.com/4

 

 

 

5. 혼잡 제어

TCP 혼잡제어