[네트워크] rdt 3.0 과 TCP

1. rdt 3.0 (Stop-and-Wait)의 성능과 한계

신뢰성 있는 데이터 전송을 보장하는 rdt 3.0은 전송 후 대기(Stop-and-Wait) 방식을 사용합니다.

주요 개념

• 이용률 (U_{sender}): 송신자가 전체 시간 중 실제로 데이터를 전송하는 시간의 비율.
• 전송 지연 (D_{trans}): 패킷을 네트워크 회선에 밀어 넣는 데 걸리는 시간 (L/R).
• 왕복 지연 시간 (RTT): 패킷이 송신자에서 수신자로 갔다가 ACK가 돌아올 때까지 걸리는 시간.

계산 예시 (1 Gbps 링크, 15ms 편도 지연, 8000비트 패킷)

1. 전송 지연 계산: D_trans = {8,000}{10^9} = 8\mu s = 0.008ms
2. 이용률 계산:.
   • RTT = 15ms * 2 = 30ms.
   • U_sender = 0.00027 (약 0.027%).

• 결론: 송신자는 99.97%의 시간을 기다리는 데 사용함. 매우 비효율적임.

2. 파이프라이닝 (Pipelining): 효율성 극대화

Stop-and-Wait의 낮은 이용률을 해결하기 위해 등장한 개념입니다.

특징

• ACK를 기다리지 않고 여러 개의 패킷을 연속해서 전송합니다.
• "In-flight"(가는 중인) 패킷이 여러 개 존재하도록 허용합니다.
• 이용률이 대략 윈도우 크기(N) 배만큼 증가합니다.

3. Go-Back-N (GBN)

파이프라이닝을 구현하는 첫 번째 방식입니다. "누적 확인"이 핵심입니다.

송신자 (Sender)

• 윈도우 크기 (N): 한 번에 보낼 수 있는 최대 패킷 수.
• 누적 확인 응답 (Cumulative ACK): ACK(n)은 "n번까지의 모든 패킷을 잘 받았다"는 뜻입니다.
• 타이머: 가장 오래된 'unACKed' 패킷 하나에 대해서만 타이머를 돌립니다.
• 타임아웃 발생 시: 타임아웃된 패킷부터 윈도우 내의 모든 패킷을 다시 전송합니다. (Go-Back-N!)

수신자 (Receiver)

• 순서대로만 수락: 다음에 올 번호가 아니면 버립니다 (Discard).
• 버퍼 없음: 순서가 틀린 패킷을 보관하지 않습니다.
• 중복 ACK: 마지막으로 성공한 번호에 대한 ACK를 반복해서 보냅니다.

4. Selective Repeat (SR)

GBN의 중복 전송 문제를 해결한 방식입니다. "개별 확인"이 핵심입니다.

특징

• 개별 ACK: 수신자가 받은 패킷마다 각각 ACK를 보냅니다.
• 수신자 버퍼: 순서가 어긋나도 윈도우 내라면 버리지 않고 버퍼에 저장합니다.
• 개별 재전송: 송신자는 타임아웃이 발생한 특정 패킷만 다시 전송합니다.
• 개별 타이머: 보낸 패킷마다 타이머를 각각 가집니다.

5. SR의 딜레마와 윈도우 크기 (시험 단골!)

순서 번호(Seq #)의 범위가 윈도우 크기에 비해 너무 작으면 수신자가 '새 패킷'과 '재전송된 옛날 패킷'을 구분하지 못합니다.

딜레마 예시 (N=3, Seq # 0, 1, 2, 3 사용 시)

1. 송신자가 0, 1, 2 전송 -> 수신자 잘 받고 ACK 0, 1, 2 전송 -> 수신자 윈도우는 [3, 0, 1]로 이동.
2. 모든 ACK 유실 -> 송신자는 옛날 0번 재전송.
3. 수신자는 자신의 윈도우에 있는 새로운 0번인 줄 알고 받아버림-> 데이터 중복 오류 발생.
   
   

해결 공식 (최대 윈도우 크기)

수신자가 혼란을 겪지 않으려면 다음 조건을 만족해야 합니다.

6. TCP (Transmission Control Protocol) 개요

실제 인터넷에서 쓰이는 신뢰성 전송 프로토콜입니다.

주요 특징

1. Point-to-Point: 1:1 통신.
2. Reliable, in-order byte stream: 데이터 단위를 바이트로 취급.
3. Full duplex: 양방향 동시 전송 가능.
4. Connection-oriented: Handshaking 과정 필수.
5. Flow / Congestion Control: 상황에 따른 윈도우 조절.

7. TCP 세그먼트 구조 및 동작

핵심 필드

• Sequence Number: 세그먼트 데이터의 첫 번째 바이트 번호.
• Acknowledgement Number: 상대방에게 다음에 받고 싶은 바이트 번호.
• Flags: SYN, FIN (연결 관리), ACK (응답 여부) 등.
• Receive Window: 수신측 여유 버퍼 공간 (흐름 제어용).

텔넷 시나리오 예시 (대각선 규칙)

• A가 Seq=42, ACK=79, data='C'(1byte) 전송.
• B가 받으면 Seq=79, ACK=43(42+1), data='C' 전송 (Piggybacking).
• A가 받으면 Seq=43, ACK=80(79+1) 전송.

8. TCP 타임아웃과 RTT 예측

타임아웃은 너무 짧아도(불필요한 재전송), 너무 길어도(느린 대응) 안 됩니다.

RTT 예측 (EWMA 방식)

• SampleRTT: 실제 측정값.
• EstimatedRTT: 부드럽게 가공된 예측값
• (보통 a = 0.125)

9. TCP 송신자 동작 (요약)

TCP는 GBN과 SR의 장점을 섞은 하이브리드 형태입니다.

1. 데이터 수신: Seq #를 매기고, 타이머가 안 돌고 있다면 가장 오래된 것 하나에 대해 타이머 시작.
2. 타임아웃: 타임아웃된 해당 세그먼트만 재전송 후 타이머 재시작.
3. ACK 수신: unACKed 세그먼트가 남았다면 타이머 다시 시작, 다 받았다면 종료.