Sunny's Tech Blog

흐름제어

송신 측과 수신 측의 TCP 버퍼 크기 차이로 인해 생기는 데이터 처리 속도 차이를 해결하기 위한 기법

* TCP 버퍼란?

송신 측은 버퍼에 TCP 세그먼트를 보관한 후 순차적으로 전송하고, 수신 측은 도착한 TCP 세그먼트를 애플리케이션이 읽을 때까지 버퍼에 보관

수신 측이 송신 측보다 데이터 처리 속도가 빠르다면 문제가 없지만,
송신 측의 속도가 빠를 경우에는 수신 측에서 제한한 저장 용량을 초과한 이후에 도착하는 패킷은 손실될 수 있음. 

만약 손실된다면 불필요한 추가 패킷 전송이 발생하게 됨

◆ 흐름 제어 기법

1) Stop and Wait

• 매번 전송한 패킷에 대해 확인 응답을 받아야만, 그 다음 패킷을 전송하는 방법
• 패킷을 하나씩 보내기 때문에 비효율적인 방법

2) Sliding Window

• 수신 측에서 설정한 윈도우 크기만큼 송신 측에서 확인 응답(ACK) 없이 패킷을 전송할 수 있게 하여 데이터 흐름을 동적으로 조절하는 제어 기법
• 윈도우에 포함된 패킷을 계속 전송하고, 수신 측으로부터 확인 응답이 오면 윈도우를 옆으로 옮겨 다음 패킷들을 전송함

혼잡제어

송신 측의 데이터 전달과 네트워크의 데이터 처리 속도 차이를 해결하기 위한 기법

데이터의 양이 라우터가 처리할 수 있는 양을 초과하면 초과된 데이터는 라우터가 처리하지 못함
이때 송신 측에서는 라우터가 처리하지 못한 데이터를 손실 데이터로 간주하고 계속 재전송하여 네트워크를 혼잡하게 함

이런 상황은 송신 측의 전송 속도를 적절히 조절하여 예방 가능한데, 이를 혼잡제어라고 함

◆ 혼잡 제어 기법

1) AIMD (Additive Increase/Multicative Decrease)

• 처음에 패킷을 하나씩 보내고 문제 없이 도착하면 윈도우의 크기를 1씩 증가시켜가며 전송 (=Additive Increase)
• 만약 전송에 실패한다면, 윈도우 크기를 반으로 줄임 (=Multicative Decrease)
• 윈도우 크기를 너무 조금씩 늘리기 때문에 네트워크의 모든 대역을 활용하여 제대로 된 속도로 통신하기까지 시간이 오래 걸린다는 단점이 존재

2) Slow Start (느린 시작)

• 윈도우의 크기를 1, 2, 4, 8, ... 과 같이 지수적으로 증가시키다가 혼잡이 감지되면 윈도우 크기를 1로 줄이는 방식
• 보낸 데이터의 ACK가 도착할 때마다 윈도우 크기를 증가시키기 때문에, 처음에는 윈도우 크기가 조금 느리게 증가하더라도 시간이 갈수록 점점 빠르게 증가한다는 장점이 존재

3) 빠른 재전송 (Fast Retransmit)

• 수신 측에서 순서대로 도착한 마지막 패킷의 다음 순번을 ACK 패킷에 실어서 보냄
• 이러한 ACK를 중복해서 3개 받으면 재전송이 이루어짐
• 송신 측은 자신이 설정한 타임 아웃 시간이 지나지 않았어도 바로 해당 패킷을 재전송할 수 있기 때문에 보다 빠른 재전송률을 유지할 수 있음

4) 빠른 회복 (Fast Recovery)

• 혼잡한 상태가 되면 윈도우 크기를 반으로 줄이고, 선형 증가시키는 방법
• 해당 방법을 적용하면 혼잡 상황을 한 번 겪고 나서부터는 AIMD 방식으로 동작함

결론적으로...

흐름제어는 송수신 측 사이의 패킷 수를 제어하는 기능

혼잡제어는 네트워크 내의 패킷 수를 조절하여 네트워크의 오버플로우를 방지하는 기능

TCP (Transmission Control Protocol)

• 인터넷상에서 데이터를 메세지의 형태로 보내기 위해 IP와 함께 사용되는 프로토콜
• TCP는 애플리케이션에 신뢰적이고 연결지향적 서비스를 제공함
• IP는 배달을, TCP는 패킷의 추적 및 관리를 함
• 3-way handshaking 과정을 통해 연결을 설정하고 4-way handshaking을 통해 연결을 해제함
• 흐름 제어 및 혼잡 제어 수행
• 높은 신뢰성을 보장하지만, 속도가 느림

3 way handshake와 4 way handshake 사전 지식

▶ 포트(Port) 상태 정보

- CLOSED : 포트가 닫힌 상태

- LISTEN : 포트가 열린 상태로 연결 요청 대기 중

- SYN_RCV : SYN 요청을 받고 상대방의 응답을 기다리는 중

- ESTABLISHED : 포트 연결 상태

▶ 플래그 정보

TCP Header에는 Control Bit (플래그 비트, 6bit)가 존재하며, 각각의 bit는 'URG-ACK-PSH-RST-SYN-FIN'의 의미를 가짐

즉, 해당 위치의 BIT가 1이면 해당 패킷이 어떤 내용을 담고 있는 패킷인지를 나타냄

- SYN(Synchronize Sequence Number) / 000010

□ 연결 설정. Sequence Number를 랜덤으로 설정하여 세션을 연결하는 데 사용하며, 초기에 Sequence Number를 전송

- ACK(Acknowledgement) / 010000

□ 응답 확인. 패킷을 받았음을 의미함

- FIN(Finish) / 000001

□ 연결 해제. 세션 연결을 종료시킬 때 사용되며, 더 이상 전송할 데이터가 없음을 의미함

TCP 3 way handshake

• TCP 통신을 이용하여 데이터를 전송하기 위해 네트워크 연결을 설정하는 과정
• 양쪽 모두 데이터를 전송할 준비가 되었다는 것을 보장하고, 실제 데이터 전달이 시작하기 전에 한 쪽에서 다른 쪽이 준비되었음을 알 수 있도록 함
• 즉, TCP/IP 프로토콜을 이용해서 통신을 하는 응용 프로그램이 데이터를 전송하기 전에, 먼저 정확한 전송을 보장하기 위해 상대방 컴퓨터와 사전에 세션을 수립하는 과정을 의미

Step 1

• 클라이언트는 서버에 연결을 요청하는 SYN 패킷을 보낸 후 서버의 응답을 기다리며 SYN_SENT 상태를 유지하고, 서버는 클라이언트의 요청을 받기 전엔 Wait for Client 상태를 유지함
• 송신자가 최초로 데이터를 전송할 때는 Sequence Number를 임의의 랜덤 숫자로 지정하고, SYN 플래그 비트를 1로 설정한 세그먼트를 전송

Step 2

• 서버는 클라이언트가 보낸 SYN 패킷을 받고 SYN_RECEIVED 상태가 되고 SYN+ACK를 보내 응답
• ACK Number 필드를 Sequence Number + 1로 지정하고, SYN과 ACK 플래그 비트를 1로 설정한 세그먼트를 전송

Step 3

• 서버의 응답을 받은 클라이언트는 다시 서버에 ACK 패킷으로 응답하고, 이를 서버가 받은 후부터 세션이 생성되어 연결이 완료됨

이러한 3 단계를 거치면 클라이언트와 서버 모두 데이터를 전송하고 받을 준비가 되었다는 것을 보장하여 안전한 데이터 전송이 이루어짐

TCP 4 way handshake

• 데이터를 주고 받은 뒤 연결을 해제하는 과정

Step 1

• 클라이언트는 연결을 종료하고자 서버에 FIN 플래그를 보내고 FIN_WAIT 상태에 들어감

Step 2

• 서버는 클라이언트로부터 FIN 플래그를 받은 뒤 확인했다는 ACK 패킷을 보내고, 자신의 통신이 끝날 때까지 기다림
• 서버는 클라이언트에게 응답을 보내고 CLOSE_WAIT 상태에 들어간 후, 아직 남은 데이터가 있다면 마저 전송을 함
• 클라이언트에서는 서버에서 ACK를 받은 후에 서버가 남은 데이터 처리를 끝내고 FIN 패킷을 보낼 때까지 기다림

Step 3

• 서버가 연결을 종료할 준비가 되면, 연결을 해제할 준비가 되었다는 FIN 플래그를 클라이언트에 전송하고, 서버는 LAST_ACK 상태가 됨

Step 4

• 클라이언트는 서버에 ACK를 보내 응답하고 클라이언트의 상태는 FIN_WAIT → TIME_WAIT으로 변경
• 클라이언트의 ACK 응답을 받은 서버는 연결을 해제함
• 이때 클라이언트는 ACK를 보낸 이후 일정 시간 기다리게 되는데, 아직 서버에서 받지 못한 데이터가 유실되는 경우를 대비해 잉여 패킷을 기다리는 TIME_WAIT 상태를 일정 시간 유지함

서버는 ACK를 받은 이후 소켓을 닫고, TIME_WAIT 시간이 끝나면 클라이언트도 닫음

이러한 4 단계를 통해 클라이언트와 서버 간의 연결을 해제함

OSI 7계층이란

네트워크 프로토콜이 통신하는 구조를 7개의 계층으로 분리하여 각 계층간 상호 작용하는 방식을 정해 놓은 것

* 7계층으로 나누는 이유

통신이 일어나는 과정을 단계별로 알 수 있고, 특정한 곳에 이상이 생기면 해당 단계만 수정하면 되기 때문

Layer 1: 물리 계층

• 통신 케이블을 통해 전기적 신호를 사용하여 비트 스트림을 전송하는 계층
• 실제 장치들을 연결하기 위한 전기적 및 물리적 세부 사항을 정의함
• 데이터를 전기적인 신호로 변환해서 주고받는 기능만 함
• 데이터 전송 단위 - 비트(bit)

Layer 2 : 데이터 링크 계층

• 물리적인 네트워크 사이에 Data 전송을 담당하는 계층
• 물리계층을 통해 송수신되는 정보의 오류와 흐름을 관리하여 정보의 전달을 수행할 수 있도록 도와줌
• 맥 주소(Mac Address)를 가지고 통신
• 두 장치간의 신뢰성 있는 전송을 보장하는 계층
• 데이터 전송 단위 - 프레임(Frame)

Layer 3 : 네트워크 계층

• 데이터를 목적지까지 가장 안전하고 빠르게 전달하는 기능을 담당
• 라우터를 통해 이동할 경로를 선택하여 IP 주소를 지정하고, 해당 경로에 따라 패킷을 전달하는 것이 계층의 주 역할
• 라우팅, 흐름제어, 세그멘테이션, 오류제어 등을 수행
• 인터넷이 가능하게 만드는 계층
• 데이터 전송 단위 - 패킷(Packet)

Layer 4 : 전송 계층

• 헤더(Header)에 송수신지 포트번호를 포함하여, 데이터가 올바르게 전달될 수 있도록 하는 계층
• 패킷의 전송이 유효한지 확인, 전송 실패한 패킷을 재전송 하는 등 신뢰성 있는 통신을 보장 (보통 TCP 프로토콜을 주로 사용)
• 데이터가 왔다면, 4계층(전송계층)에서 해당 데이터를 하나로 통합하여 5계층(세션계층)으로 전달함
• 종단 간(end-to-end) 통신을 다루는 최하위 계층으로 종단 간 신뢰성 있고 효율적인 데이터를 전송
• 오류 검출, 복구, 흐름 제어, 중복검사 등을 수행
• 데이터 전송 단위 - TCP일 때 Segment, UDP일 때 Datagram

Layer 5 : 셰션 계층

• 데이터가 통신하기 위한 논리적 연결을 담당
• 네트워크 상의 양쪽 연결을 관리하고, 연결을 지속시켜주는 계층
• 통신 연결이 손실되는 경우 연결 복구 시도가 가능하며, 연결 시도 중 장시간 연결이 되지 않았다면 세션 계층의 프로토콜이 연결을 닫고 다시 연결을 시작
• TCP/IP 세션을 만들고 없애고 통신하는 사용자들을 동기화하며, 오류 복구 명령들을 일괄적으로 다뤄 통신을 하기 위한 세션을 확립, 유지, 중단하는 작업을 수행
• 세션 계층의 중요한 기능인 동기화
  • 전이중 통신 (Full Duplex) : 두 대의 단말기가 데이터를 송수신하기 위해 동시에 각각 독립된 회선을 사용하는 통신 방식
  • 반이중 통신 (Half Duplex) : 한쪽이 송신하는 동안 다른 쪽에서 수신하는 통신 방식으로, 전송 방향을 교체
• 데이터 전송 단위 - 메시지(message)

Layer 6 : 표현 계층

• 응용 계층으로부터 받은 데이터를 하위 계층인 세션 계층에 보내기 전, 통신에 적당한 형태로 변환
• 세션 계층에서 받은 데이터는 응용 계층에 맞게 변환하는 역할을 수행
• 코드 변환, 데이터 압축 및 암호화 등의 기능 수행
• 데이터 전송 단위 - 메시지(message)

Layer 7 : 응용 계층

• 응용 프로세스와 직접 관계하여 일반적인 응용 서비스를 수행 → 최상위 계층으로 사용자에게 직접적으로 보이는 부분
• 응용 프로세스 간의 정보 교환, 전자 메일, 파일 전송 등의 서비스를 제공
• ex) 웹 브라우저 Chrome, Firefox 등 / 응용 프로그램인 Skype, Office 등
• 데이터 전송 단위 - 메시지(message)