TCP 의 흐름 제어 / 오류 제어 / 혼잡 제어

TCP는 크게 3가지 제어 기능이 있다.

• 전송되는 데이터의 양을 조절하는 흐름 제어
• 데이터가 유실되거나 잘못된 데이터가 수신되었을 경우 대처하는 방법인 오류 제어
• 네트워크 혼잡에 대처하는 혼잡 제어

이 기능들 덕분에 예외 상황에 크게 신경쓰지 않고 상위 레이어 동작에 집중할 수 있다.

 

흐름 제어

송신 측과 수신 측의 데이터 처리 속도가 다를 수 있다.

송신 측이 빠를 때 수신 측 버퍼가 넘치는 오버플로우 문제가 발생한다.

이러한 문제를 줄이기 위해 윈도우 크기로 송신 측의 데이터 전송량을 조절한다.

• 윈도우 크기 : 자신이 처리할 수 있는 데이터의 양

stop and wait

상대방에게 데이터를 보낸 후 잘 받았다는 응답이 올 때까지 기다리는 방식

sliding winodw

송신 측이 수신 측에서 받은 윈도우 크기를 참고해서 데이터의 흐름을 제어하는 방식

• 수신 측이 한 번에 처리할 수 있는 데이터의 양(윈도우 크기)을 3 way handshake할 때 송신 측에 전달한다.
• 상대방에게 응답을 받지 않아도 범위 내에서 데이터를 보낼 수 있다.
• 패킷의 왕복 시간(RTT)이 크다면 네트워크가 혼잡하다고 생각하여 윈도우 크기를 실제 버퍼의 크기보다 작게 설정한다.
• 통신 과정 중에도 네트워크 혼잡 등의 조건을 통해 윈도우 크기는 유동적으로 설정된다.

 

오류 제어

TCP는 통신 중에 오류가 발생하면 해당 데이터를 재전송한다.

즉, 재전송 기반 오류 제어 ARQ(Automatic Repeat Request)를 사용한다.

재전송은 비효율적이므로 적을수록 좋다.

 

오류를 알 수 있는 방법

• 송신 측이 ACK(긍정응답)을 받지 못함
  
  • 송신 측이 보낸 데이터가 유실되거나, 수신 측이 보낸 ACK 데이터가 유실될 경우
• 중복된 ACK를 받는다.

• 수신 측이 NACK(부정응답)을 보냄
  • ACK만으로 오류를 추정하기 위해 사용하지 않기도 한다.

 

Stop and Wait

ACK를 받고 나서 다음 데이터를 보내는 방식이다.

일정 시간을 지나 timeout이 발생하면 이전 데이터를 재전송한다.

흐름 제어에서의 슬라이딩 윈도우를 사용할 수 없으므로 더 효율적인 ARQ가 필요하다.

 

Go Back N

연속으로 데이터를 보내다가 오류가 발생한 지점부터 재전송하는 방식이다.

 

아래처럼 4번 데이터에서 에러가 발생했다면 4번 이후의 데이터는 모두 삭제한다.

성공적으로 전송된 데이터까지 재전송하기 때문에 조금 비효율적이다.

 

Selective Repeat

오류가 발생한 데이터만 재전송하는 방식이다.

 

Selective Repeat의 단점은 수신 측 버퍼의 데이터가 순차적이지 않다는 것이다.

정렬의 과정이 추가로 필요하고 별도의 버퍼가 필요하다.

 

Go Back N과 비교하여 상황에 따라 더 유리한 방법을 선택하면 된다.

 

 

혼잡 제어

네트워크 내에 패킷의 수가 과도하게 증가하는 현상을 혼잡이라고 한다.

혼잡 제어는 혼잡 현상을 방지하고 제거하기 위한 기능이다.

 

흐름 제어는 송신 측과 수신 측의 전송 속도를 다루고, 혼잡 제어는 라우터를 포함한 넓은 범위의 전송 문제를 다룬다.

AIMD (Additive Increase / Multiplicative Decrease)

• 처음에 패킷을 하나씩 보내고 문제가 발생하지 않으면 윈도우 크기를 1씩 증가하는 방법
• 패킷 전송에 실패하거나 일정 시간을 넘으면 패킷 전송 속도를 절반으로 줄인다.
• 네트워크에 늦게 들어온 호스트가 처음에는 불리하지만, 시간이 흐르면서 평형상태로 수렴한다.
• 단점
  • 처음에 전송 속도를 올리는 데 시간이 오래걸린다.
  • 네트워크가 혼잡해지는 상황을 미리 감지하지 못한다. 즉, 네트워크가 혼잡해지고 나서야 대역폭을 줄인다.

 

Slow Start (느린 시작)

• AIMD와 같이 패킷을 하나씩 보내고 문제가 발생하지 않으면 각 ACK 패킷마다 윈도우 크기를 1씩 늘려준다. 즉, 한 주기가 지나면 윈도우 크기는 2배가 된다.
• AIMD와 달리 전송 속도를 지수 함수 꼴로 증가시켜서 윈도우 크기를 더 빠르게 증가시킨다.
• 혼잡이 감지되면 윈도우 크기를 1로 줄인다.
• 처음에는 네트워크 수용량을 예상할 수 있는 정보가 없지만, 한 번 혼잡 현상이 발생한 후에는 네트워크의 수용량을 어느 정도 예상할 수 있다.
• 그래서 혼잡 현상이 발생하는 윈도우 크기의 절반가지는 지수 함수 꼴로 윈도우 크기를 증가시키고 그 이후에는 완만하게 1씩 증가시킨다.

 

Fast Retransmit (빠른 재전송)

• TCP는 지금가지 받은 데이터 중 연속되는 패킷의 마지막 순번 이후를 ACK 패킷에 실어서 보낸다.
• 그래서 송신 측이 아래처럼 3, 4번을 보내더라도 ACK 2 를 중복해서 받는다.
• 그러면 timeout이 발생하기 전이라도 송신 측은 문제가 되는 2번 패킷을 재전송한다.
• 그리고 혼잡한 상황이라고 판단해서 윈도우 크기를 줄인다.
• 3 ACK Duplicated : 송신 측이 3번 이상 중복된 ACK 번호를 받은 상황

 

Fast Recovery (빠른 회복)

• 혼잡한 상태가 되면 윈도우 크기를 1이 아니라 반으로 줄이고, 선형 증가시킨다.
• 혼잡 상황을 한번 겪은 이후로는 AIMD 방식으로 동작한다.

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https://evan-moon.github.io/2019/11/22/tcp-flow-control-error-control/

패킷의 흐름과 오류를 제어하는 TCP