박시은

(❁´◡`❁)

6 분 소요


[혼자 공부하는 네트워크↗️], 컴퓨터 네트워킹: 하향식 접근 (제8판)을 바탕으로 정리한 글입니다.

  • 앞선 포스팅에서 살펴봤던 것처럼 TCP(Transmission Control Protocol)는 신뢰성 있는 데이터 전송을 보장하는 연결형 프로토콜이다.
  • 이번 포스팅에서는 TCP가 신뢰성 있는 통신을 위해 어떤 기능을 제공하는 지에 대해 알아보도록 하자.


1. TCP의 기능

1.1 TCP의 오류·흐름·혼잡 제어

TCP는 데이터를 송수신 할 때 신뢰성있는 전송을 보장하기 위해 “재전송을 위한 오류 제어”, “흐름 제어”, “혼잡 제어” 와 같은 기능을 제공한다.

  • 오류 제어: 송수신된 데이터가 손상되거나 유실된 경우, 이를 감지하고 재전송하여 데이터의 정확성을 보장
  • 흐름 제어: 송신자가 수신자가 처리할 수 있는 양을 초과하여 데이터를 전송하지 않도록 하여 수신자의 버퍼 오버플로우를 방지
  • 혼잡 제어: 네트워크의 혼잡 상태를 감지하고, 혼잡 상황에 따라 데이터 전송 속도를 조절하여 네트워크 과부하를 방지



2. 재전송 기반 오류 제어

2.1 오류 제어의 필요성

TCP 세그먼트 헤더와 UDP 데이터그램 헤더에는 오류 검출을 하는 체크섬 필드로 오류 제어를 하면 되는 것 아닌가?

체크섬 필드로만 오류 제어를 하기엔 충분하지 않다. 체크섬 필드는 데이터가 훼손되었는지의 여부만 나타내기 때문이다.

해당 패킷 자체가 유실되거나 잘못 전송되거나 순서에 어긋나게 전송되었을 경우 체크섬 필드만으로는 오류를 검출하기 어려울 것이다.


그렇기 때문에 TCP가 신뢰성을 제대로 보장하려면:

  • 송신 호스트가 송신한 세그먼트가 정상적으로 도달했는지 확인하고,
  • 오류를 감지하게 되면 해당 세그먼트를 재전송 할 수 있어야 한다.


2.2 오류 검출 시점

TCP는 언제 오류를 검출하고 재전송할까?

① 중복된 ACK 세그먼트를 수신했을 때

  • 수신자가 이미 수신한 세그먼트를 다시 ACK(승인 응답)하면, 송신자는 해당 세그먼트가 유실되었거나 오류가 발생했음을 인지하고 재전송을 시작한다.


② 타임아웃이 발생했을 때

  • 송신자는 각 세그먼트를 전송할 때마다 타이머를 설정한다.
  • 만약 타이머가 만료될 때까지 ACK 세그먼트를 받지 못하면, 송신자는 해당 세그먼트를 재전송한다.


2.3 재전송 기법: ARQ

ARQ(Automatic Repeat Request, 자동 재전송 요구)

  • ARQ(Automatic Repeat Request)는 수신자의 ACK 응답과 송신자의 타임아웃을 기반으로 오류가 발생한 경우 데이터를 재전송하는 방식이다.
  • ARQ의 주요 목적은 신뢰성 있는 데이터 전송을 보장하는 것이다.


ARQ의 대표적인 세 가지 방식

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


2.1.1 Stop-and-Wait ARQ

제대로 전달했음을 확인하기 전까지는 새로운 메시지를 보내지 않는 방식 (“송신하고, 확인받고, 송신하고, 확인받고, …”)

  • 송신자는 각 세그먼트에 대해 수신자로부터 ACK를 받을 때까지 다음 세그먼트를 보내지 않는다.
  • 장점: 단순하지만, 높은 신뢰성을 보장한다.
  • 단점: 네트워크의 이용 효율이 낮아지고 성능이 저하된다.


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


Stop-and-Wait ARQ의 문제 해결 방법: 파이프라이닝

  • 각 세그먼트에 대한 ACK 세그먼트가 도착하기 전이더라도 여러 세그먼트를 보낼 수 있어야 함
  • 파이프라이닝
    • 연속해서 메시지를 전송할 수 있는 기술
    • n+1에 대한 확인 응답이 오기 전이라도 연속해서 데이터를 보낼 수 있음


2.1.2 Go-Back-N ARQ

파이프라이닝 기반 ARQ 일종으로, 여러 세그먼트 전송 중 오류가 발생하면 해당 세그먼트부터 전부 재전송

순서번호 n번에 대한 ACK 세그먼트는 “n번만의” 확인 응답이 아닌 “n번까지의 누적 확인 응답 (CACK; Cumulative Cumulative Acknowledgment)”


2.1.3 Selective Repeat ARQ

손실된 세그먼트만을 선택적으로 재전송하는 방식

  • 각각의 패킷들에 대해 ACK 세그먼트를 보냄
  • Go-Back-N ARQ의 ACK 세그먼트가 누적 확인 응답 이라면,
  • Selective Repeat ARQ의 ACK 세그먼트는 개별 확인 응답


  • 오늘날 대부분의 호스트는 Selective Repeat ARQ를 지원한다.
  • Selective Repeat ARQ를 사용하지 않을 경우, Go-Back-N ARQ로 동작한다.



3. 흐름 제어

3.1 파이프라이닝 데이터 전송의 한계

파이프라이닝의 송수신이 한 번에 무한히 많이 데이터를 보내고 받을 수 있을까?

그렇지 않다. 한 번에 송수신 할 수 있는 양이 호스트마다 정해져 있다.


  • 파이프라이닝 기반 Go-Back-N ARQ / Selective Repeat ARQ가 정상 동작하려면
    • 수신 호스트가 한 번에 얼마나 받아 처리할 수 있는지 반드시 고려해야 한다.
    • 호스트가 한 번에 받아서 처리할 수 있는 세그먼트의 양에는 한계가 있기 때문이다.
    • 수신 호스트가 한 번에 n 바이트를 받아서 처리할 수 있다면, 송신자는 이를 초과하지 않는 범위에서 데이터를 전송해야 한다.


3.2 TCP 흐름 제어의 핵심

TCP는 송신자가 수신 호스트의 처리 속도에 맞춰 데이터를 전송하도록 흐름 제어를 수행한다.

  • 이렇게 하면 송수신 속도를 균일하게 유지하고, 수신 호스트의 버퍼가 넘치는 상황(오버플로우)을 방지할 수 있다.
  • Stop-and-Wait ARQ에서는 별도의 흐름 제어가 필요하지 않으나,
  • Go-Back-N ARQ와 Selective Repeat ARQ 같은 파이프라이닝 기반의 프로토콜에서는 반드시 흐름 제어가 필요하다.


3.3 슬라이딩 윈도우: TCP 흐름 제어 기법

윈도우란, 송신 호스트가 파이프라이닝 할 수 있는 최대량을 의미한다.

  • 윈도우 크기만큼 데이터를 확인 응답(ACK) 없이 전송할 수 있으며, 수신자가 ACK를 보내면 윈도우가 오른쪽으로 이동한다.
  • 아래 예제에서는 첫 번째 세그먼트 ~ 네 번째 세그먼트까지가 확인 응답을 받지 않고도 전송할 수 있는 양이다.
  • 윈도우 크기에서 벗어난 숫자에 해당하는 세그먼트는 전송할 수 없다.


수신 호스트로부터 첫 번째 세그먼트에 대한 ACK 세그먼트를 받았다면?

ACK 수신 → 윈도우가 오른쪽으로 “슬라이딩” 이동


수신 호스트로부터 두 번째 세그먼트에 대한 ACK 세그먼트를 받았다면?

ACK 수신 → 윈도우가 점차 오른쪽으로 미끌어지듯(silding) 이동


3.4 송신 윈도우와 수신 윈도우

  • 수신 윈도우: 수신 호스트가 TCP 헤더(윈도우 필드)를 통해 송신자에게 알려주는 자신이 수신 가능한 데이터 크기
  • 송신 윈도우: 송신자가 수신 윈도우의 크기를 바탕으로 전송 가능한 데이터를 계산한 값
  • 송신 윈도우는 헤더로 전달받은 수신 윈도우 토대로 연산을 한다.


  • 송신 호스트는 수신 윈도우를 넘지 않는 선에서 수신이 가능하게 끔 전송을 하게 된다.
  • 💡 이처럼 윈도우 크기를 조절하며 송신량을 제한하는 이 과정이 TCP 흐름 제어의 핵심이다.



4. 혼잡 제어

4.1 혼잡 상태란?

혼잡(congestion)이란, 과도한 트래픽이 발생하여 패킷의 처리 속도가 늦어지거나 유실될 우려가 있는 네트워크 상황을 의미한다.

  • 혼잡 상태가 발생하면:
    1. 패킷 유실 발생
    2. 유실된 패킷의 재전송 증가
    3. 추가적인 혼잡 발생 → 악순환


이를 방지하기 위해 송신 호스트는 네트워크 상태를 모니터링하여 전송량을 조절해야 한다.


TCP의 혼잡 제어의 주체

  • 흐름 제어: 수신 호스트가 송신 호스트의 전송량을 제한
  • 혼잡 제어: 송신 호스트가 네트워크 혼잡 상태를 고려하여 전송량을 조절


4.2 혼잡 윈도우

혼잡 윈도우(Congestion Window, CWND)는 네트워크 혼잡 상황에서 송신 가능한 데이터 양을 나타낸다.

  • 혼잡 윈도우가 크면 -> 한 번에 전송할 수 있는 세그먼트 수가 많음
  • 혼잡 윈도우가 작으면 -> (네트워크가 혼잡한 상황) 한 번에 전송할 수 있는 세그먼트 수가 적음


  • 수신 윈도우는 수신 호스트가 헤더로 알려주지만, 혼잡 윈도우는 직접 계산해서 알아내야한다.
    • 따라서 TCP 헤더에는 굳이 혼잡 윈도우가 포함될 필요가 없다.
  • 혼잡 윈도우 값을 연산하는 방법을 혼잡 제어 알고리즘이라고 한다.


4.3 TCP의 혼잡 제어 알고리즘

4.3.1 AIMD

AIMD (Additive Increase / Multiplicative Decrease)은 가장 기본적인 알고리즘 (“합으로 증가, 곱으로 감소”)

  • 혼잡이 감지되지 않으면: 혼잡 윈도우 RTT(Round Trip Time) 마다 1씩 선형적으로 증가
  • 혼잡이 감지되면: 혼잡 윈도우를 절반으로 떨어뜨리는 동작을 반복

AIMD는 네트워크 상태에 따라 혼잡 윈도우를 톱니 모양으로 변화시킨다.


RTT (Round Trip Time)

메시지를 전송한 뒤 그에 대한 답변을 받는 데까지 걸리는 시간을 의미한다.


4.3.2 느린 시작 알고리즘 (Slow Start)

혼잡 윈도우를 1부터 시작해, 문제 없이 수신된 ACK마다 윈도우 크기를 2배씩 지수적으로 증가시키는 방식

혼잡 윈도우는 RTT마다 2배씩 지수적으로 증가: 초기 전송 속도를 빠르게 확보하는 데 유리


그럼 혼잡 윈도우 값을 무한정 늘릴 수 있을까?
  • 그렇지 않다. 느린 시작 임계치까지 혼잡 윈도우를 증가시킬 수 있다.
  • 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 선택한다.


4.3.3 혼잡 회피 알고리즘

RTT마다 혼잡 윈도우를 1MSS 씩 증가 시키는 알고리즘

  • 혼잡 윈도우 크기 선형적으로 증가
  • 느린 시작 임계치 이후에는 혼잡 상태를 방지하기 위해 천천히 증가한다. (“워워워 진정해~”)


4.3.4 빠른 회복(Fast Recovery) 알고리즘

세 번의 중복 세그먼트 수신 vs 타임아웃 중 뭐가 더 심각한 문제일까?
  • 타임아웃이 더 심각한 문제이다!
  • 중복된 ACK는 송신자가 특정 데이터 손실을 빠르게 감지할 수 있는 신호이지만, 타임아웃은 네트워크가 심각하게 혼잡하거나 수신 호스트와의 연결이 중단된 경우를 의미할 수 있다.


빠른 회복 알고리즘의 특징

  • 세 번의 중복된 ACK가 발생하면:
    1. 빠른 재전송을 통해 손실된 세그먼트를 즉시 재전송.
    2. 이후 빠른 회복 알고리즘을 수행하여 혼잡 윈도우를 바로 회복하려 시도.
  • 빠른 회복은 느린 시작 과정을 건너뛰고 바로 혼잡 회피 알고리즘을 수행


  • 하지만 빠른 회복 도중이라도 타임아웃이 발생하면:
    1. 혼잡 윈도우 크기를 1로 초기화하고,
    2. 다시 느린 시작 알고리즘을 실행


4.4 혼잡 제어 알고리즘 요약

  • 초기 단계: 느린 시작
    • 빠른 전송률 확보를 위해 혼잡 윈도우를 지수적으로 증가.
    • 혼잡 윈도우가 느린 시작 임계치를 초과하면, 혼잡 회피로 전환.
  • 혼잡 회피
    • 느린 시작 임계치를 초과한 이후에는 혼잡을 방지하기 위해 혼잡 윈도우를 선형적으로 증가.
  • 중복된 ACK 감지
    • 세 번의 중복된 ACK 수신 시, 빠른 재전송을 수행.
    • 재전송 이후 혼잡 회피를 거치지 않고, 빠른 회복 알고리즘 실행.
  • 타임아웃 발생
    • 혼잡 윈도우를 1로 초기화.
    • 느린 시작부터 다시 시작.


혼잡 제어 흐름도

  • 느린 시작 → 특정 임계치 도달 시 혼잡 회피
  • 세 번의 중복 ACK → 빠른 재전송 → 빠른 회복
  • 타임아웃 → 혼잡 윈도우 초기화 → 다시 느린 시작


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