전송 계층

전송 계층

전송 계층은 목적지까지 신뢰할 수 있는 데이터를 전달하기 위해 존재한다. 해당 계층의 기능은 크게 두가지가 있다.

• 오류를 점검하는 기능으로 오류 발생시 재저송을 요청하여 데이터를 정확하게 전달한다.
• 전송된 데이터의 목적지가 어떤 애플리케이션인지 식별하는 기능이다.

또한, 전송 계층에드 크게 2가지 통신 방법이 있다.

• 연결형 통신 : 신뢰할 수 있고 정확한 데이터를 목적지에 문제 없이 전달하는 통신
• 비연결형 통신 : 데이터를 빠르고 효율적으로 전달하는 통신

TCP

Transmission Control Protocol의 약자로, 신뢰성 있는 데이터 전송을 제공한다. 특징은 아래와 같다.

• 연결형 : 데이터를 보내기 전에 연결을 맺음
• 신뢰성 보장 : 데이터 손실 시 재전송
• 순서 보장 : 보낸 순서대로 수신 측에 전달
• 흐름 제어 : 수신자가 감당 가능한 만큼 전송
• 혼잡 제어 : 네트워크 혼잡 상황에 따라 전송량 조절
• 속도 상대적으로 느림 : 여러 제어 기능 때문에 UDP보다 느림

사용하는 곳은 아래와 같다.

• 웹 HTTP/HTTPS
• 파일 전송
• 이메일
• SSH
• 데이터베이스 연결

3-way Handshake

TCP는 데이터를 주고받기 전에 먼저 연결을 맺는다. 이 과정을 3-way Handshake라고 한다. 과정은 아래와 같다.

• Client → Server : SYN
  • 클라이언트가 서버에게 연결 요청을 보낸다.
  • 이후 클라이언트는 CLOSED에서 SYN-SENT 상태로 변한다.
• Server → Client : SYN + ACK
  • 서버는 클라이언트의 요청을 받고 응답한다.
  • 이후 서버의 상태는 LISTEN에서 SYN_RECEIVED 상태로 변한다.
• Client → Server : ACK
  • 클라이언트가 서버의 응답을 확인한다.
  • 이후 Client와 Server은 ESTABLISHED 상태로 변한다.

단순 연결 여부만 확인하는 것이 아닌 아래와 같은 주요 목적을 가진다.

• 클라이언트가 서버에게 보낼 수 있는지 확인
• 서버가 클라이언트에게 보낼 수 있는지 확인
• 양쪽이 서로의 초기 순서 번호를 동기화

그러기 때문에 Sequence Number를 사용하여 데이터를 순서대로 관리한다. 따라서 연결 시작 시점에 양쪽이 초기 Sequence Number를 주고 받아야 한다.

4-way Handshake

TCP 연결을 종료할 때는 4-way Handshake 방식을 사용한다. 연결과 달리 4번의 메시지를 주고 받는 이유는 TCP가 양방향 통신이기 때문이다. 클라이언트가 더 이상 보낼 데이터가 없어도 서버가 아직 보낼 데이터가 남아 있을 수 있기 때문이다. 과정은 아래와 같다.

• Client → Server : FIN
  • 클라이언트가 연결 종료 요청을 보낸다.
  • 이후 클라이언트는 ESTABLISHED에서 FIN_WAIT_1 상태로 변한다.
• Server → Client : ACK
  • 서버는 클라이언트로 받은 요청을 받았다고 응답을 보낸다.
  • 서버의 상태는 ESTABLISHED에서 CLOSE_WAIT로 변한다.
  • 서버로부터 ACK를 받은 클라이언트는 FIN_WAIT_1에서 FIN_WAIT_2 상태로 변한다.
  • 이 과정에서 아직 서버는 데이터를 보낼 수 있다.
• Server → Client : FIN
  • 서버도 보낼 데이터를 모두 처리한 뒤 클라이언트에게 종료 요청을 보낸다.
  • 서버의 상태는 CLOSE_WAIT에서 LAST_ACK로 변한다.
• Client → Server : ACK
  • 클라이언트가 서버로부터 온 종료 요청을 확인했다고 응답을 보낸다.
  • 이때 클라이언트는 FIN_WAIT_2 → TIME_WAIT → CLOSE 순서로 상태가 변한다.
  • 서버는 ACK를 받으면 LAST_ACK에서 CLOSED로 상태가 변한다.

마지막에 클라이언트가 TIME_WAIT 상태를 가지는 이유는 아래와 같다.

• 클라이언트가 서버에게 보낸 마지막 ACK가 유실될 수 있다.
  • 유실될 경우 서버가 FIN를 다시 보낸다.
  • 이때, 클라이언트가 CLOSED가 되버리면 서버의 재전송에 대응할 수 없다.
• 이전 연결의 패킷이 새 연결에 섞이는 것을 방지한다.
  • 네트워크 지연으로 인해 패킷이 뒤늦게 도착할 수 있다.
  • 이때, 같은 IP와 포트 조합으로 새로운 연결이 바로 만들어졌을 때, 패킷이 섞이는 문제가 발생할 수 있다.

UDP

User Datagram Protocol의 약자로, 빠른 전송을 우선한다. 특징은 아래와 같다.

• 비연결형 : 연결 과정 없이 바로 데이터 전송
• 신뢰성 보장 없음 : 손실되어도 재전송하지 않음
• 순서 보장 없음 : 먼저 보낸 데이터가 먼저 도착한다는 보장 없음
• 흐름 제어 없음 : 수신자의 처리 능력을 고려하지 않음
• 혼잡 제어 없음 : 네트워크 혼잡 상황을 직접 제어하지 않음
• 속도 빠름 : 제어 기능이 적어 오버헤드가 적음

사용하는 곳은 아래와 같다.

• 실시간 영상 스트리밍
• 온라인 게임
• 음성 통화
• DNS
• DHCP

흐름 제어

송신자가 수신자의 처리 능력을 초과해서 데이터를 보내지 않도록 조절하는 기능이다. 흐름 제어가 필요한 이유는 아래와 같다.

• 송신자는 데이터를 빠르게 보낼 수 있지만, 수신자는 데이터를 처리하는 속도가 느릴 수 있다.
• 송신자가 초당 100MB를 보내는데, 수신자가 초당 10MB밖에 처리하지 못하면 수신 버퍼가 가득 찬다.
  • TCP 수신 측에는 데이터를 임시로 저장하는 수신 버퍼가 있다.
  • 수신 애플리케이션이 데이터를 읽기 전까지 데이터는 이 버퍼에 저장된다.
• 버퍼에 가득 차면 이후 들어오는 데이터가 버려질 수 있기 때문에 TCP는 흐름 제어를 사용한다.

TCP는 윈도우라는 개념을 사용해 송신량을 조절한다. 수신자는 ACK를 보낼 때 현재 얼마나 데이터를 더 받을 수 있는지를 알려준다. 이 값을 수신 윈도우라고 한다.

TCP는 데이터를 하나 보내고 ACK를 기다리는 방식이 아닌 슬라이딩 윈도우 방식을 사용하여 데이터를 보낸다. ACK를 받으면 윈도우가 오른쪽으로 이동하면서 새로운 데이터를 보낼 수 있게 된다.

혼잡 제어

네트워크가 감당할 수 있는 만큼만 데이터를 보내도록 조절하는 기능이다. TCP는 네트워크 혼잡 정도를 고려해서 혼잡 윈도우를 조절한다. 송신자가 한 번에 보낼 수 있는 데이터 양은 수신 윈도우와 혼잡 윈도우의 최솟값으로 결정된다. 혼잡 제어 방식은 크게 4가지가 있다.

• Slow Start
  • 혼잡 윈도우의 값을 작은 값으로 시작한 뒤, ACK를 받을 때마다 빠르게 증가시킨다.
  • 일반적으로 지수적으로 증가한다.
• Congestion Avoidance
  • 어느 기준값에 도달하면 더 이상 지수적으로 증가시키지 않고, 선형적으로 증가시킨다.
  • 이때 기준값을 ssthresh Slow Start Threshold라고 한다.
• Fast Retransmit
  • TCP는 중간에 패킷이 손실되면 재전송을 해야하며, 이 과정에서 동일한 ACK가 3번 중복해서 오면 송신자는 특정 세그먼트가 손실되었다고 판단한다.
  • 이를 3 Duplicate ACKs라고 한다.
  • 이때 타임아웃까지 기다리지 않고 즉시 재전송하는 방식을 Fast Retransmit라고 한다.
• Fast Recovery
  • Fast Retransmit 이후 혼잡 위도우를 완전히 처음부터 다시 시작하지 않고, 어느 정도 줄인 상태에서 회복을 시도한다.

일반적으로 타임아웃이 발생하면 혼잡 윈도우값을 크게 줄이고, Slow Start를 시작한다. 반면 3 Duplicate ACK가 발생하면 Fast Retransmit과 Fast Recovery가 동작한다.

포트 번호 체계

포트 번호는 한 컴퓨터 안에서 어떤 프로세스 또는 애플리케이션으로 데이터를 전달하지 구분하는 번호이다. IP 주소가 컴퓨터를 찾기 위한 주소라면, 포트 번호는 컴퓨터 안의 프로그램을 찾기 위한 번호이다. 포트 번호의 번호는 0번부터 65535번까지 사용할 수 있다. 이는 포트 번호가 16비트이기 때문이다.

• 0 ~ 1023 : 주요 서비스가 사용하는 포트, Well-known Port
• 1024 ~ 49151 : 특정 애플리케이션이 등록해서 사용하는 포트, Registered Port
• 49152 ~ 65535 : 클라이언트가 임시로 사용하는 포트, Dynamic/Private/Ephemeral Port

서버는 보통 정해진 포트를 열고 기다린다. 클라이언트는 요청을 보낼 때 임시 포트를 사용한다.

NAT

Network Address Translation의 약자로, IP 주소를 변환하는 기술이다. 주로 사설 IP와 공인 IP를 변환할 때 사용한다. 동작 과정은 아래와 같다.

• 노트북과 공유기가 있다고 가정을 한다.
  • 노트북 사설 IP: 192.168.0.10
  • 공유기 공인 IP: 203.0.113.10
  • 웹 서버 IP: 142.250.207.14
• 노트북이 웹 서버에 접속한다.
  • 192.168.0.10:52341 → 142.250.207.14:443
• 해당 요청이 공유기를 지나면서 NAT가 적용된다.
  • 203.0.113.10:60001 → 142.250.207.14:443
• 공유기는 내부적으로 NAT 테이블을 저장하여 내부 주소와 변환된 외부 주소를 관리한다.
• 웹 서버가 응답을 보낸다.
  • 142.250.207.14:443 → 203.0.113.10:60001
• 해당 응답을 받은 공유기는 NAT 테이블을 보고 원래 내부 주소로 다시 변환한다.
  • 142.250.207.14:443 → 192.168.0.10:52341

여러 내부 기기가 하나의 공인 IP를 함께 사용할 수 있는 이유는 포트 번호까지 함께 변환하기 때문이다. 이를 PAT 또는 NAPT라고 한다.

• 장점
  • 공인 IP 절약
  • 내부망 보호
  • 네트워크 관리 용이
• 단점
  • 외부에서 내부 기기로 직접 접근 어려움
  • P2P 통신 복잡
  • NAT 테이블 관리 필요
  • 종단 간 연결성 약화

NAT 환경에서는 외부에서 내부 서버에 직접 접근하기 어렵다.

• 집 내부의 PC에서 웹 서버를 실행하고 있다.
  • 내부 서버: 192.168.0.10:8080
  • 공유기 공인 IP: 203.0.113.10
• 외부 사용자가 다음 주소로 접속한다.
  • 203.0.113.10:80
• 공유기가 이 요청을 내부 서버로 전달하도록 설정할 수 있다.
  • 203.0.113.10:80 → 192.168.0.10:8080

이것을 포트 포워딩이라고 한다.