[Network] TCP/IP

TCP/IP 프로토콜이란?

• 네트워크 통신에서 사용하는 신뢰성있는 연결 방식
• TCP는 기본적으로 unreliable network(비신뢰성 네트워크)에서 reliable network(신뢰성 네트워크)를 보장할 수 있도록 도와주는 프로토콜
• TCP는 network congestion avoidance algorithm(네트워크 혼잡 방지 알고리즘)을 사용
• TCP/IP는 하나의 프로토콜이 아닌 TCP와 IP를 합쳐서 부르는 프로토콜
  • TCP/IP를 사용하는 것은 IP 주소 체계를 따르고 IP Routing을 이용해 목적지에 도달한 후 TCP 특성을 활용해 송수신자간의 논리적 연결을 생성하고 신뢰성을 유지할 수 있도록 하겠다는 것을 의미
• TCP/IP는 송신자가 수신자에게 IP 주소를 사용하여 데이터를 전달하고 그 데이터 재대로 전달 되었는지, 너무 빠르지 않는지, 제대로 전달 받았다고 연락이 오는지에 대한 이야기를 하는 것

TCP 연결 과정

3 way handshake - 연결 성립

• TCP는 정확한 전송을 보장해야 한다. 따라서 통신하기에 앞서, 논리적인 접속을 성립하기 위해 3 way handshake 과정을 진행한다.

1. 클라이언트가 서버에게 SYN 패킷을 보냄 (sequence : x)
2. 서버가 SYN(x)을 받고, 클라이언트로 받았다는 신호인 ACK와 SYN 패킷을 보냄 (sequence : y, ACK : x + 1)
3. 클라이언트는 서버의 응답은 ACK(x+1)와 SYN(y) 패킷을 받고, ACK(y+1)를 서버로 보냄

• 이렇게 3번의 통신이 완료되면 연결이 성립된다. (3번이라 3 way handshake인 것)

4 way handshake - 연결 해제

• 연결 성립 후, 모든 통신이 끝났다면 해제해야 한다.

1. 클라이언트는 서버에게 연결을 종료한다는 FIN 플래그를 보낸다.
2. 서버는 FIN을 받고, 확인했다는 ACK를 클라이언트에게 보낸다.
   • 이때 모든 데이터를 보내기 위해 CLOSE_WAIT 상태가 된다
3. 데이터를 모두 보냈다면, 연결이 종료되었다는 FIN 플래그를 클라이언트에게 보낸다.
4. 클라이언트는 FIN을 받고, 확인했다는 ACK를 서버에게 보낸다.
   • 아직 서버로부터 받지 못한 데이터가 있을 수 있으므로 TIME_WAIT을 통해 기다린다.

• 서버는 ACK를 받은 이후 소켓을 닫는다 (Closed)
• TIME_WAIT 시간이 끝나면 클라이언트도 닫는다 (Closed)
• 4번의 통신이 완료되면 연결이 해제된다.

신뢰성 보장시 발생하는 문제

• 손실 
  • 패킷이 손실될 수 있는 문제
• 순서 바뀜
  • 패킷의 순서가 바뀔 수 있는 문제
• Congestion(혼잡)
  • 네트워크가 혼잡한 문제
• Overload(초과 적재)
  • 수신자(Receiver)의 데이터가 overload되는 문제

흐름제어&혼잡제어란?

• 흐름제어
  • End Point와 End Point간에 데이터 처리 속도의 차이를 해결하기 위한 기법
  • 송신측과 수신측간의 통신이 이루어질 때 수신측에서 패킷을 지나치게 많이 받지 않도록 하는 기법
  • 기본 개념은 receiver가 sender에게 현재 자신의 상태를 feedback 한다는 점을 이용
• 혼잡제어 
  • 송신측의 데이터 전달과 네트워크의 데이터 처리 속도 차이를 해결하기 위한 기법

TCP 데이터 전송의 전체 과정

• 응용 계층(Application Layer)에서 데이터 전송 시 데이터를 보내는 쪽(Sender)의 어플리케이션은 소켓에 데이터를 쓰게 된다.
• 이 데이터는 전송 계층(Transport Layer)으로 전송 되어 세그먼트(Segment)라는 작은 단위로 쪼개진다.
• 전송 계층은 세그먼트를 네트워크 계층(Network Layer)에 넘겨준다.
• 전송된 데이터는 데이터를 받는 쪽(Receiver)으로 전달되고, 전달받은 데이터는 수신 버퍼(Receive Buffer)에 저장된다.
  • 이때, Receiver는 수신 버퍼의 용량을 넘치지 않도록 조절해야한다.
• Receiver는 자신의 수신 버퍼의 남은 용량을 Sender에게 알려주는데, 이것을 수신 윈도우(Receive Window)라고 한다.
• Sender는 Receiver의 수신 윈도우를 확인하여 수신 버퍼 용량을 초과하지 않도록 데이터를 전송한다.
• 이를 통해 데이터 전송 중에 수신 버퍼가 넘치는 현상을 방지하면서, 안정적인 데이터 전송을 보장한다.
  • 이를 플로우 컨트롤(Flow Control)이라고 한다.
  • 플로우 컨트롤은 데이터 전송 시 발생할 수 있는 수신 버퍼의 오버플로우를 방지하면서, 안정적인 데이터 전송을 위한 중요한 기술

흐름 제어(Flow Control)

• 수신측이 송신측보다 데이터 처리가 빠르면 문제 없지만, 송신측의 속도가 빠를경우 문제가 생긴다.
• 수신측의 제한된 저장 용량을 초과한 이후에 도착하는 데이터는 손실될 수 있다.
  • 만약 손실 되었다면 불필요한 응답과 데이터 전송이 송 수신측 간에 빈번히 발생할 수 있음
• 이러한 위험을 줄이기 위하 송신측의 데이터 전송량을 수신측에 따라 조절해야한다.

해결 방법

Stop and Wait

• 매번 전송한 패킷에 대해 확인 응답을 받아야만 그 다음 패킷을 보내는 방법

Sliding Window (Go Back N ARQ)

• 수신측에서 설정한 윈도우 크기만큼 송신측에서 확인응답없이 세그먼트를 전송할 수 있게 하여 데이터 흐름을 동적으로 조절하는 제어기법
• 전송은 되었지만, acked를 받지 못한 byte의 숫자를 파악하기 위해 사용하는 protocol
  • LastByteSent - LastByteAcked <= ReceivecWindowAdvertised
  • 마지막에 보내진 바이트 - 마지막에 확인된 바이트 <= 남아있는 공간
  • 현재 공중에 떠있는 패킷 수 <= sliding window
• 동작방식
  • 먼저 윈도우에 포함되는 모든 패킷을 전송하고, 그 패킷들의 전달이 확인되는대로 이 윈도우를 옆으로 옮김으로써 그 다음 패킷들을 전송

• TCP/IP를 사용하는 모든 호스트들은 송신하기 위한 것과 수신하기 위한 2개의 Window를 가지고 있다.
• 호스트들은 실제 데이터를 보내기 전에 3 way handshaking을 통해 수신 호스트의 receive window size에 자신의 send window size를 맞추게 된다.

Sliding Window 세부 구조

• 송신 버퍼
  • 200 이전의 바이트는 이미 전송되었고, 확인응답을 받은 상태
  • 200 ~ 202 바이트는 전송되었으나 확인응답을 받지 못한 상태
  • 203 ~ 211 바이트는 아직 전송이 되지 않은 상태

• 수신 윈도우

• 송신 윈도우
  • 수신 윈도우보다 작거나 같은 크기로 송신 윈도우를 지정하게되면 흐름제어가 가능하다.

• 송신 윈도우 이동
  • Before : 203 ~ 204를 전송하면 수신측에서는 확인 응답 203을 보내고, 송신측은 이를 받아 after 상태와 같이 수신 윈도우를 203 ~ 209 범위로 이동
  • after : 205 ~ 209가 전송 가능한 상태

• Selected Repeat

혼잡 제어(Congestion Control)

• 송신측의 데이터는 지역망이나 인터넷으로 연결된 대형 네트워크를 통해 전달된다.
• 만약 한 라우터에 데이터가 몰릴 경우, 자신에게 온 데이터를 모두 처리할 수 없게 된다.
  • 이런 경우 호스트들은 또 다시 재전송을 하게되고 결국 혼잡만 가중시켜 오버플로우나 데이터 손실을 발생시키게 된다.
  • 따라서 이러한 네트워크의 혼잡을 피하기 위해 송신측에서 보내는 데이터의 전송속도를 강제로 줄이게 되는데, 이러한 작업을 혼잡제어라고 한다.
• 네트워크 내에 패킷의 수가 과도하게 증가하는 현상을 혼잡이라 하며, 혼잡 현상을 방지하거나 제거하는 기능을 혼잡제어라고 한다.
• 흐름제어가 송신측과 수신측 사이의 전송속도를 다루는데 반해, 혼잡제어는 호스트와 라우터를 포함한 보다 넓은 관점에서 전송 문제를 다루게 된다.

해결 방법

AIMD(Additive Increase / Multiplicative Decrease)

• 처음에 패킷을 하나씩 보내고 이것이 문제없이 도착하면 window 크기(단위 시간 내에 보내는 패킷의 수)를 1씩 증가시켜가며 전송하는 방법
• 패킷 전송에 실패하거나 일정 시간을 넘으면 패킷의 보내는 속도를 절반으로 줄인다.
• 공평한 방식으로, 여러 호스트가 한 네트워크를 공유하고 있으면 나중에 진입하는 쪽이 처음에는 불리하지만, 시간이 흐르면 평형상태로 수렴하게 되는 특징이 있다.
• 문제점은 초기에 네트워크의 높은 대역폭을 사용하지 못하여 오랜 시간이 걸리게 되고, 네트워크가 혼잡해지는 상황을 미리 감지하지 못한다. 즉, 네트워크가 혼잡해지고 나서야 대역폭을 줄이는 방식이다.

Slow Start (느린 시작)

• AIMD 방식이 네트워크의 수용량 주변에서는 효율적으로 작동하지만, 처음에 전송 속도를 올리는데 시간이 오래 걸리는 단점이 존재했다.
• Slow Start 방식은 AIMD와 마찬가지로 패킷을 하나씩 보내면서 시작하고, 패킷이 문제없이 도착하면 각각의 ACK 패킷마다 window size를 1씩 늘려준다. 즉, 한 주기가 지나면 window size가 2배로 된다.
• 전송속도는 AIMD에 반해 지수 함수 꼴로 증가한다. 대신에 혼잡 현상이 발생하면 window size를 1로 떨어뜨리게 된다.
• 처음에는 네트워크의 수용량을 예상할 수 있는 정보가 없지만, 한번 혼잡 현상이 발생하고 나면 네트워크의 수용량을 어느 정도 예상할 수 있다.
• 그러므로 혼잡 현상이 발생하였던 window size의 절반까지는 이전처럼 지수 함수 꼴로 창 크기를 증가시키고 그 이후부터는 완만하게 1씩 증가시킨다.

Fast Retransmit (빠른 재전송)

• 빠른 재전송은 TCP의 혼잡 조절에 추가된 정책이다.
• 패킷을 받는 쪽에서 먼저 도착해야할 패킷이 도착하지 않고 다음 패킷이 도착한 경우에도 ACK 패킷을 보내게 된다.
• 단, 순서대로 잘 도착한 마지막 패킷의 다음 패킷의 순번을 ACK 패킷에 실어서 보내게 되므로, 중간에 하나가 손실되게 되면 송신 측에서는 순번이 중복된 ACK 패킷을 받게 된다. 이것을 감지하는 순간 문제가 되는 순번의 패킷을 재전송 해줄 수 있다.
• 중복된 순번의 패킷을 3개 받으면 재전송을 하게 된다. 약간 혼잡한 상황이 일어난 것이므로 혼잡을 감지하고 window size를 줄이게 된다.

Fast Recovery (빠른 회복)

• 혼잡한 상태가 되면 window size를 1로 줄이지 않고 반으로 줄이고 선형증가시키는 방법이다. 이 정책까지 적용하면 혼잡 상황을 한번 겪고 나서부터는 순수한 AIMD 방식으로 동작하게 된다.

 

 

출처

https://github.com/gyoogle/tech-interview-for-developer/tree/master

GitHub - gyoogle/tech-interview-for-developer: 👶🏻 신입 개발자 전공 지식 & 기술 면접 백과사전 📖

https://aws-hyoh.tistory.com/57

TCP/IP 쉽게 이해하기