TCP의 오류 · 흐름 · 혼잡 제어

✔ TCP의 기능

• 재전송을 기반으로 다양한 오류를 제어
• 흐름 제어를 통해 처리할 수 있을 만큼의 데이터 송수신
• 혼잡 제어를 통해 네트워크가 혼잡한 정도에 따라 전송량 조절

 

TCP가 신뢰성을 제대로 보장하려면

• 송신 호스트가 송신한 세그먼트에 문제가 발생했음을 인지할 수 있어야 함
• 오류를 감지하게 되면 해당 세그먼트를 재전송할 수 있어야 함

 

TCP는 언제 오류를 검출하고 재전송할까?

1) 중복된 ACK 세그먼트를 수신했을 때

2) 타임아웃이 발생했을 때

• 호스트가 세그먼트를 전송할 때마다 재전송 타이머(retransmission timer) 시작
• 타임아웃이 발생할 때까지 ACK 세그먼트를 받지 못하면 재전송

 

재전송 기반 오류 제어

✔ 재전송 기법: ARQ(Automatic Repeat Request, 자동 재전송 요구)

• 수신 호스트의 답변(ACK)와 타임아웃을 토대로 문제를 진단하고, 문제가 생긴 메시지를 재전송함으로써 신뢰성을 확보하는 방식

ARQ의 대표적인 세 가지 방식

• Stop-and-Wait ARQ
• Go-Back-N ARQ
• Selective Repeat ARQ

 

✅ Stop-and-Wait ARQ

• 제대로 전달했음을 확인하기 전까지 새로운 메시지를 보내지 않는 방식
• 송신 - 확인 - 송신 - 확인
• [장점] 단순하지만 높은 신뢰성을 보장
  [단점] 네트워크의 이용 효율이 낮아지고 성능이 저하됨

송신 호스트: 확인 응답을 받기 전에는 더 보내고 싶어도 못 보냄
수신 호스트: 더 많은 데이터를 처리할 수 있어도 하나씩만 확인 응답

 

Stop-and-Wait ARQ의 문제 해결 방법

• 각 세그먼트에 대한 ACK 세그먼트가 도착하기 전이더라도 여러 세그먼트를 보낼 수 있어야 함
• 파이프라이닝(pipelining): 연속해서 메시지를 전송할 수 있는 기술

 

✅ Go-Back-N ARQ

• 파이프라이닝 기반 ARQ 일종
• 여러 세그먼트 전송 중 오류가 발생하면 해당 세그먼트부터 전부 재전송

순서 번호 n번에 대한 ACK 세그먼트는 'n번만의' 확인 응답이 아닌 'n번까지의 누적 확인 응답'
*누적 확인 응답(CACK, Cumulative Acknowledgment)

 

 

[참고] 빠른 재전송 (fast retransmit)
- 재전송 타이머가 만료되기 전이라도 세 번의 동일한 ACK 세그먼트를 받았다면 곧바로 재전송
- 타이머가 끝날 때까지 기다리는 시간을 줄일 수 있음
- 오늘날 TCP에서 대부분 사용되는 기능

 

✅ Selective Repeat ARQ

• 선택적으로 재전송: 각각의 패킷들에 대해 ACK 세그먼트를 보내는 방식
• Go-Back-N ARQ의 ACK 세그먼트가 누적 확인 응답이라면, Selective Repeat ARQ의 ACK 세그먼트는 개별 확인 응답(Selective Acknowledgment)
• 오늘날 대부분의 호스트는 Selective Repeat ARQ 지원
• Selective Repeat ARQ를 사용하지 않을 경우 Go-Back-N ARQ로 동작

 

TCP의 흐름 제어

• 송신 호스트가 수신 호스트의 처리 속도를 고려하며 송수신 속도를 균일하게 유지하는 기능
• Stop-and-Wait ARQ를 사용하면 별도의 흐름 제어 필요 X
• 파이프라이닝 기반의 Go-Back-N ARQ와 Selective Repeat ARQ에서는 흐름 제어가 필요함

 

✔ 슬라이딩 윈도우(sliding window): TCP 흐름 제어 기법

• 윈도우(window): 송신 호스트가 파이프라이닝할 수 있는 최대량
• 윈도우의 크기만큼 확인 응답을 받지 않고도 한 번에 전송 가능

- 수신 호스트로부터 첫 번째 세그먼트에 대한 ACK 세그먼트를 받았다면?
윈도우는 오른쪽으로 한 칸 이동
- 수신 호스트로부터 두 번째 세그먼트에 대한 ACK 세그먼트를 받았다면
윈도우(window)가 점차 오른쪽으로 미끄러지듯(sliding) 움직임

 

송신 측의 윈도우(송신 윈도우)도 있다

• 수신 호스트는 TCP헤더(윈도우 필드)를 통해 송신 호스트에게 자신이 받을 데이터의 양을 알려줌
• 송신 윈도우: 헤더로 전달받은 수신 윈도우 토대로 연산

 

✔ 혼잡(congestion)

• 많은 트래픽으로 인해 패킷의 처리 속도가 늦어지거나 유실될 우려가 있는 네트워크 상황

 

TCP의 혼잡 제어(congestion control)

• 송신 호스트가 혼잡한 정도에 맞춰 유동적으로 전송량을 조절하는 기능
• 흐름 제어의 주체가 수신 호스트라면 혼잡 제어의 주체는 송신 호스트

- 혼잡 윈도우(congestion window): 혼잡 없이 전송할 수 있을 법한 데이터양
- 혼잡 윈도우가 크면? 한 번에 전송할 수 있는 세그먼트 수가 많음
- 혼잡 윈도우가 작으면? 한 번에 전송할 수 있는 세그먼트 수가 적음 (네트워크가 쉽게 혼잡해질 수 있는 상황) 

• 수신 윈도우는 수신 호스트가 헤더로 알려줌
• 혼잡 윈도우는 송신 호스트가 알아서 직접 계산해서 알아내야 함

 

TCP의 혼잡 제어 알고리즘

• 혼잡 제어를 수행하는 일련의 방법
• 가장 기본적인 알고리즘은 AIMD(Additive Increase/Multiplicative Decrease): '합으로 증가, 곱으로 감소'
• 혼잡이 감지되지 않는다면: 혼잡 윈도우를 *RTT(Round Trip Time)마다 1씩 선형적으로 증가
• 혼잡이 감지되면: 혼잡 윈도우를 절반으로 떨어뜨리는 동작을 반복
• 혼잡 윈도우는 톱니 모양으로 변화

RTT (Round Trip Time)
메시지를 전송한 뒤 그에 대한 답변을 받는 데까지 걸리는 시간

 

혼잡 윈도우 값이 계속 증가하다가,

1) 혼잡 윈도우 크기가 느린 시작 임계치 이상이 되거나
2) 타임아웃이 발생하거나
3) 세 번의 중복된 ACK 세그먼트를 수신하면

다음 세 가지 방법 중 하나를 선택

 

✅ 느린 시작(slow start) 알고리즘

• 혼잡 윈도우를 1부터 시작해 문제 없이 수신된 ACK 세그먼트 하나당 1씩 증가시키는 방식
• 혼잡 윈도우는 RTT마다 2배씩 지수적으로 증가: 초기 전송 속도 빠른 확보

 

✅ 혼잡 회피 알고리즘

• RTT마다 혼잡 윈도우를 1MSS씩 증가시키는 알고리즘
• 혼잡 윈도우 크기는 선형적으로 증가
• 느린 시작 임계치를 넘어서면 혼잡 여지가 있으니 조심해서 혼잡 윈도우 증가

 

✅ 빠른 회복(fast recovery) 알고리즘

• 세 번의 중복된 ACK 세그먼트 수신: 빠른 재전송 + 빠른 회복 알고리즘
• 빠른 전송률 회복을 위해 느린 시작은 건너뛰고 혼잡 회피를 수행하는 알고리즘
• 단, 빠른 회복 도중이라도 타임아웃이 발생하면 다시 느린 시작을 수행

 

✔ 혼잡 제어 알고리즘 종합

 

 

출처

• 개발자를 위한 컴퓨터공학 2: 혼자 공부하는 네트워크