How TCP Works

TCP의 주요 기능

Sequence Number & ACK Number(송신자 관점)

• Sequence Number : 바이트 스트림에서 해당 세그먼트의 첫번째 바이트 번호

  • 송신자가 전송하는 세그먼트의 첫 번째 바이트 번호를 나타냄.
  • **초기 시퀀스 번호(Initial Sequence Number)**는 보안을 위해 랜덤하게 선택.
  • 수신자는 이 번호를 사용해 패킷을 올바른 순서로 재조립할 수 있음.
  • 누락된 패킷도 감지할 수 있어 **재전송 요청(ACK)**을 보낼 수 있음.

• ACK Number : 수신자가 전송하는 다음에 받을 바이트 시퀀스 넘버; 누적 ACK

  

  1. 수신자는 수신상태가 손실되면 ACK를 유지(누적)
  2. 송신자는 중복 ACK를 다시 여러번 받았기에 재전송을 시도함
  3. 수신자는 손실된 데이터가 수신되면 ACK를 다시 마지막으로 받았던 패킷의 다음 시퀀스 넘버로 업데이트함

• 송신자와 수신자 입장에서 각각 윈도우를 어떻게 조절하는지 볼 수 있음

  • 송신자: SEQ#고려; 보낼 data 보여줌

  • 수신자: ACK# 고려; 수신완료 보여줌

    ⇒ 송신자는 수신자가 보내온 ACK와
    rwnd(수신 버퍼 여유)를 참고해서
    window를 이동시켜 새로운 데이 터 전송을 시작한다

Retransmission scenarioes

• a: ACK를 못받음; timeout 처리; 재전송
• b: RTT 잘못 설정; premature timeout 처리 (RTT<timeout이어야함)

Stop-and-wait operation

• RTT가 크면 링크 이용률이 낮아짐
  • 데이터 전송 효율성이 낮아짐
• 수신자가 순서가 맞지 않는 세그먼트를 처리하는 방식(TCP 스펙에 규정 X)
  1. 폐기 후 재전송 유도
  2. 순서에 맞지 않은 패킷을 임시 버퍼에 저장 후, 나중에 순서가 맞으면 처리

TCP Window (송신자 관점)

• Pipelining 기법: 여러 패킷을 동시에 연달아 보내 네트워크 자원을 효율적으로 사용.

  • window size를 점점 늘리면서 한번에 보낼 data 크기를 점점 늘리고 조절함

    • MTU 크기는 알아서 조정됨

  • 송신자와 수신자 사이에서 버퍼링이 필요함

    • 송신자: ACK를 받지 못한 패킷을 추적하기 위해 버퍼 유지
    • 수신자: 패킷이 순서대로 도착하지 않았을 경우, 올바르게 정렬하기 위해 버퍼링

  • Go-Back-N 프로토콜과 Selective Repeat 프로토콜 두가지 형식이 있음

    

    • 파이프라이닝을 통해서 링크 이용률이 3배가됨
• **Throughput(전송률)**을 높이는 데 도움.
  • 비는 시간을 최소화함

Flow Control (수신자 관점)

• 수신자의 처리 속도를 고려하여 송신자가 너무 빠르게 보내지 않도록 조절.
• 수신 버퍼가 가득 차는 것을 막아 데이터 손실을 방지.
  • 버퍼의 기본 크기는 4KB(4096바이트) 정도지만, 운영체제나 소켓 옵션을 통해 크기를 조정할 수 있음
  • 일부 OS에서는 자동 조정 기능이 있어 트래픽 양에 따라 버퍼 크기를 동적으로 변화
• Sliding Window 기법을 통해 제어
  • 수신 윈도우는 현재 수신자가 얼마나 더 데이터를 받을 수 있는지를 나타내는 값
    • TCP 헤더에 포함되어 송신자에게 전달됨
  • Window size (N):
    • 송신자가 한 번에 보낼 수 있는 최대 데이터량.
    • rwnd (receiver window)와 congestion window(cwnd) 둘 중 작은 값으로 결정된다.
  • Window moves to right (슬라이딩):
    • 데이터가 성공적으로 ACK되면, 송신 윈도우가 오른쪽으로 슬라이드(move)한다.
    • 슬라이드하면 새로운 데이터 송신이 가능해진다.