'컴퓨터 네트워크' 시리즈
  1. [Network] Data and Signals
  2. [Network] Digital Transmission
  3. [Network] Analog Transmission
  4. [Network] Error Detection and Correction
  5. [Network] Framing / Error Control
  6. [Network] Medium Access Control
  7. [Network] Case Study: Wi-Fi
  8. [Network] Internet Addressing
  9. [Network] Internet Protocol (IP)
  10. [Network] Routing
  11. [Network] Other Network-Layer Related Protocols
  12. [Network] Scheduling and Traffic Shaping
  13. [Network] Transport Layer

✦ Transport Layer

  • layer 4 : End-to-end (process-to-process) communication
    • layer 1, 2 : hop-to-hop, single hop communication
    • layer 3 : host-to-host communication
  • TCP / UDP

◆ Layers: Function

  • Layer 1 (Physical) : 신호 만들기
  • Layer 2 (Data link) : framing, ARQ, Error detect / correct
  • Layer 3 (Network) : addressing, routing, host 에게 전달
  • Layer 4 (Transport) : packet 세밀하게 조절 & 전달
    • flow control
    • congestion control

◆ Port

  • 같은 host 안의 process 들 구분해주는 번호
  • 16 bit : 0 ~ 65,535
  • process-to-process communication
    • local host
    • local process (port number)
    • remote host
    • remote process (port number) → 다음과 같은 4 가지 필요

  • IP 주소 → host 설정 (우리 집)
    • in Network Layer (IP)
  • port → process 설정 (집 구성원 중 누구의 우편?)
    • in Transport Layer (TCP, UDP)
  • 종류
    • well-known port
      • 0 ~ 1023
      • 유명한 / 공식적 서비스
      • 22 (SSH), 25 (SMTP), 53 (DNS), 80 (HTTP), 443 (HTTPS)
    • registered ports
      • 1024 ~ 49151
      • 어떤 비즈니스에서 사용하는 포트
      • 등록해야 사용 가능
    • dynamic ports
      • 49152 - 65535
      • 등록하지 않는 port
      • 관리 주체 X, 자유롭게 사용
      • OS 가 port 자동 생성할 때 이 범위 사용 (NAT)

◆ Terms

  • Socket : IP address + port number

  • Multiplexing & Demultiplexing

    • Transport layer 의 역할
    • Port 생성 / 제거

✦ UDP (User Datagram Protocol)

  • 매우 간단한 protocol
    1. connection-less : 연결 설정 X
    2. unreliable : error, 순서 신경 X
  • 하는 일
    • port 번호 받고 process 에게 보내기
    • checksum 으로 error detection 하기
  • 특징
    • datagram : packet 의 다른 이름
    • sequence number X : 순서 X 중복 detection X
  • 장점 : 쉬움, 가벼움, 빠름

◆ Header

  • Port number (Source / Destination) : 각 16 bit
  • Total length : UDP header + data 길이
  • Checksum : Header 의 checksum

◆ Application using UDP

  • 현재 : TCP 65 ~ 70% / UDP 35% ~ 30%
  • 멀티 미디어 스트리밍 서비스 (유튜브)
  • QUIC (layer 4) : HTTP/3 에서 새로 만든 protocol. TCP 와 유사하지만 조금 더 가벼움. UDP 에 붙여서 사용
  • Multicast application : 여러 사람에게 동시 전송
  • DNS, SNMP 등

✦ TCP (Transmission Control Protocol)

  1. connection-oriented : 연결 설정 O
  2. reliable : 순서 대로, error 없이 전달

◆ Terms

  • Segment : packet 의 다른 이름. 잘라서 보내는 기준
  • bi-directional : 연결 되면 쌍방으로 데이터 전송

  • Buffer : sender / receiver 에 존재하는 데이터 전송 대기 공간. 운영체제 (OS) 관리

  • Number
    • Byte number
      • TCP 는 각 byte 마다 numbering 해서 stream
      • 첫 번째 byte 에 0 ~ 2^{32}-1 중 random number 부여
    • TCP sequence number

      • 각 segment 의 첫 번째 byte number

      • segment number + length 통해 빠진 byte 있나 파악

    • Acknowledgement number
      • ACK 에 들어가는 순서
      • 내가 다음 받아야 할 byte number (그 이전까지는 다 받았다는 의미)

◆ Functions

  • Flow control (흐름 제어)
    • 속도 조절
    • recevier 한테 무리를 주지 않게 전송
  • Congestion control (혼잡 제어)
    • 속도 조절
    • 중간 router 에서 drop 이 발생하지 않도록 전송
  • Error control (오류 제어)
    • ACK 이용 재전송
    • ◆ Error Control

    • Layer 2 에도 error control 존재 → Router 에서 발생한 오류 검출 불가능

    • If layer 4 에서만 오류 검출? → layer 4 은 end point 에만 존재. 중간 router 오류 control 불가능
    • Layer 2 & 4 둘다 Error Control 에 사용

◆ TCP header

  • 각 줄 당 32bit
  • Port number (Source / Destination) : 각 16 bit
  • Sequence number : 내가 보낼 데이터의 sequence number
  • Acknowledgement number : 상대 데이터의 acknowledgement number
    • bi-directional → Sequence & Acknowledgement number 둘다 필요. 서로 다른 byte number 시작
  • HLEN (4 bit) : header length (unit : 4 byte)
    • option 없으면 기본 5
    • TCP option 은 자주 사용 → 유동적으로 변경
  • reserved (6 bit → 4 bit) : 사용 X 예약 bit

  • Flag (6 bit → 8 bit) : 0 or 1

    • URG (Urgent) : 1 이면 중요한 data 있음 (Ctrl + C / Esc 등)

      • urgent pointer (16 bit) 사용

        • data : urgent + normal 로 구성
        • normal data 시작 위치 표시 (이전까진 urgent data)
    • ACK : Acknowledgement 있음 → 맨 처음 빼곤 보통 1
    • PSH (Push) : 1 이면 OS 에게 buffer 에서 바로 올려달라는 의미
      • buffer 에 있는 내용 모두 전송
    • RST (Reset) : 문제 있어서 연결 종료 시 1 (Client & Server 둘 다 전송 가능)
    • SYN (Synchronize) : 처음 연결 설정 시 1 (Client 만)
    • FIN (Finish) : 장상적 연결 해제 시 1 (Client 만)
  • 추가된 flag
    • ECE (ECN-Echo)
      • IP-header 의 ECN 2 bit
        • ECT (ECN-Capable) : ECN 사용 가능?
          • sender 결정
          • 중간에 congestion 있으면 marking 가능
        • CE (Congestion Experience) : 지금 Congestion 있음?
          • router 결정
          • packet drop 대신 CE 1 로 marking
          • receiver 입장에선 여러 CE 가 계속 옴
      • CE marking 된 packet receive → receiver가 ECE 1 로 설정해서 보내기
    • CWR : ECE 1 받은 sender 가 CWR 전송
      • sender : congestion 있다는 거 파악하고 CWND 줄이기
      • receiver 가 CWR = 1 인 packet 받으면 다시 ECE = 0 전송
  • Window size (16 bit)
    • advertised window 의 크기
    • receiver 가 자신 window 얼마 남았는지 전송
      • sender 는 이 size 이상 전송 X
    • flow control

✦ TCP : connection setup/teardown

◆ TCP connection setup

  • bi-directional : client & server 모두 정보 send & receive
  • 3-way handshake
    • Client : SYN 안녕하세요?
    • Server : ACK 반갑습니다 + SYN 안녕하세요?
    • Client : ACK 반갑습니다 → connetion 완료

  • connection 설정 시 data 전송 X → sequence number 그대로 사용
  • SYN flooding attack
    • DoS (Denial-of-Service) attacks
      • Server : SYN 요청 → state 만들고 ACK + SYN 보내고 wait
      • Attacker : SYN 요청 후 → 다른 IP 로 또다시 SYN 요청
      • state 만 늘어남 → 다른 유저 못 받음
    • 방어
      • initial sequence number 로 계속 오는 애들 정보 찾기
      • memory 에 state 남기지 않고 최종 연결 때만 남기기

◆ TCP connection teardown

  • 3-way handshake
    • Client : FIN
    • Server : ACK + FIN
    • Client : ACK → connection 끝

  • half-close : Client 가 FIN 요청 보냈는데 Server 가 아직 data 전송중
    • Server : Client 의 FIN 에 대한 ACK 전송
    • data 전송 완료 후 FIN 전송
    • 이 동안에는 Server 의 단방향 데이터 전송

✦ TCP : sliding window

◆ Send Window

  • sender 에 window 존재
    • window 안에 있는 data 전송

    • ACK 받으면 그만큼 window slide

    • Last Byte ACKed : 가장 최근에 ACK 받은 byte (window 왼쪽)
    • Last Byte Sent : 가장 최근에 보낸 byte (window 안쪽 / 아직 ACK X)
    • Last Byte Written : 가장 최근에 준비된 byte (window 오른쪽 / Application)
      • LastByteAcked ≤ LastByteSent ≤ LastByteWritten

◆ Receive Window

  • receive window

    • LastByteRead : 가장 최근에 ACK 보낸 byte
    • NextByteExpected : 다음으로 받아야 할 byte (그 전까진 모두 받았다 가정)
    • LastByteRcvd : 가장 최근에 받은 byte (중간에 구멍 포함)
      • LastByteRead ≤ NextByteExpected ≤ LastByteRcvd

◆ Window

  • Linked layer 와 차이 → window size
    • linked layer : 조건에 따라 고정
    • TCP : 상황 따라 window size 변경
  • Window size : min (rwnd, cwnd)
    • rwnd (receiver window) : receiver 가 advertise 해주는 window → buffer 에 남은 공간
    • cwnd (congestion window) : network 상태 window (중간 router)

✦ TCP : Sliding Window Control

  • TCP → congestion & flow control
    • Reliable delivery
    • Fast delivert
  • Sliding Window Size
    • Size ↑ → 속도 ↑, drop ↑
      • drop → bandwidth 낭비
    • Size ↓ → 속도 ↓, bandwidth 낭비 ⇒ 적당한 size 찾기!

◆ Flow control

  • receiver 의 Window size 칸 보고 남은 크기 추정
    • 16 bit → 0 ~ 65535 byte
    • TCP option (Window scale) 로 배수 넣을 수 있음
      • n → 2^n 만큼 곱하기
  • MSS (Maximum Segment Size)
    • MTU - IP header (20) - TCP header (20 + α)
    • 보통 1460 인 경우 多
    • 1500 안 넘도록 자르기

✦ Congestion Control

  • Congestion? → router 에서 packet loss 발생! (ACK 가 오지 않음)

    • data 전송 ↑ → capacity ↑, delay ↑
    • throughput : pipe 를 꽉 채워서 보냄 → 노란색 영역이 best!

◆ Slow Start Phase

  • 변수 : CWND
  • 단위 : MSS
  • Initial CWND : 1 MSS
    • 한 번 전송 → ACK 받으면 CWND++
    • ACK 받을 때마다 CWND++ → 지수승 만큼 증가!

  • 각 RTT 마다 2배 → exponential increase
  • 결국 packet drop → congestion 발생
  • Time out : Packet loss 판단 방법
    • Segment 전송 후 일정 시간 동안 안옴 → TIMEOUT ⇒ LOST
    • Timeout 발생 시
      • CWND = 1 로 초기화
      • SSThresh = \frac{\text{CWND}}{2} 로 설정
        • drop 당시 CWND 의 절반!
    • end-to-end 간 packet 이동 → 어느 정도의 시간을 두어야 하는가?
      • margin 을 크게 두어야 함

◆ Congestion Avoidance Phase

  • 다시 Slow Start 시작
  • SSThresh 지점 도달 → 천천히 올라감
  • CWND += MSS * \frac{\text{MSS}}{\text{CWND}}

  • 선형적 증가 : Additive Increase

  • drop 발생 시 같은 방법으로 CWND = 1 초기화 & SSThresh 설정 후 처음부터

✦ Fast Retransmission and Fast Recovery

◆ Fast Retranssmission

  • Timeout → end-to-end 라 오랜 시간 기다려야 함
    • packet loss 결정 느림
  • 대안 : Three duplicate ACK
    • 같은 번호에 대한 ACK 가 3번 반복 → drop 판단
    • 바로 Segment 다시 보내기

◆ Fast Recovery

  • Three duplicate ACK 로 인해 재전송 할 때
    • Timeout : 아예 대부분 Packet 이 제대로 전송 X
    • Three duplicate ACK : 중간에 한 Packet 빼고는 대부분 잘 전송
  • CWND = SSThresh
  • SSThresh = \frac{\text{CWND}}{2}
    • slow start skip 하고 바로 congestion avoidance 단계로 이동

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