[네트워크] 트랜스포트 계층(4) - RDT(신뢰적인 데이터 전달)

 

서론

[네트워크] 트랜스포트 계층(3) - UDP

이전 게시글에서는 UDP에 대해서 정리해 보았습니다. UDP는 비 연결형으로 신뢰성을 보장하지 않는 반면 TCP는 연결 지향형으로 신뢰성을 보장한다는 특징이 있었습니다. 

이번 게시글에서는 TCP에 대해 정리하기에 앞서 어떻게 신뢰성 있는 데이터를 전송할 수 있을지에 대해서 먼저 알아보겠습니다.

 

rdt1. 0 

rdt(reliable data transfer): 신뢰적인 데이터 전송

rdt1.0은 완벽하게 신뢰적인 채널 상에서의 신뢰적인 데이터 전송을 표현합니다.

rdt 1.0 송신자와 수신자에 대한 유한상태 머신(finite-state machine, FSM)의 이미지는 아래와 같습니다.

rdt1.0 - 완전하게 신뢰적인 채널에서의 프로토콜

위 이미지의 (a)에서 FSM은 송신자의 동작을 정의하고, (b)의 FSM은 수신자의 동작을 정의합니다. 

rdt의 송신 측은 rdt_send(data) 이벤트에 의해 상위 계층으로부터 데이터를 받아들이고 데이터를 포함한 패킷을 생성합니다(make_pkt(data)). 그리고 난 후 패킷을 채널로 송신합니다. 실제로 rdt_send(data) 이벤트는 상위 계층 애플리케이션의 프로시저 호출(예:rdt_send(data))에 의해서 발생합니다.

 수신 측에서, rdt는 rdt_rcv(packet) 이벤트에 의해 하위의 채널로부터 패킷을 수신하고, 패킷으로부터(extract(packet, data)에 의해서) 데이터를 추출한 후 데이터를 상위 계층으로 전달합니다(deliver_data(data)). rdt_rcv(packet) 이벤트는 하위 계층 프로토콜로부터의 프로시저 호출(예: rdt_rcv())에 의해서 발생합니다.

 이러한 간단한 프로토콜에서는 데이터 단위와 패킷 단위의 차이점이 없으며, 모든 패킷 흐름은 송신자로부터 수신자까지 입니다. 즉, 완전히 신뢰적인 채널에서는 오류가 생길 수 없으므로 수신 측이 송신 측에게 어떠한 피드백(feedback)도 제공할 필요가 없습니다.

 

rdt2.0 

rdt(reliable data transfer): 신뢰적인 데이터 전송

rdt2.0은 비트 오류가 있는 채널 상에서의 신뢰적 데이터 전송을 표현합니다.

하위 채널의 더 실질 모델은 패킷 안의 비트들이 하위 채널에서 손상되는 모델입니다. 이러한 채널에서 신뢰적인 통신을 위한 프로토콜은 긍정 확인 응답(positive acknowledgment)와 부정 확인 응답(negative acknowledgment)을 사용합니다.

이러한 두 응답은 데이터가 정확하게 수신되었는지 또는 잘못 수신되어 반복이 필요한지를 수신자가 송신자에게 알려 줄 수 있게 합니다.

rdt2.0 - 비트 오류가 있는 채널에서의 프로토콜

위 이미지는 오류 검출, 긍정 확인 응답 그리고 부정 확인 응답들을 고려한 rdt2.0의 FSM을 보이고 있습니다.

rdt2.0의 송신 측은 2개의 상태를 가집니다. (a)의 왼쪽의 상태에서, 송신 측 프로토콜은 상위 계층으로부터 데이터가 전달되기를 기다립니다. rdt_send(data) 이벤트가 발생하면, 송신자는 패킷 체크섬과 함께 전송될 데이터를 포함하는 패킷(sndpkt)을 생성하고, 그 패킷을 udt_send(sndpkt) 동작을 통해 전송합니다.

체크섬에 대한 내용: https://dkswnkk.tistory.com/570

(a)의 오른쪽의 상태에서는 송신자 프로토콜은 수신자로부터 ACK 또는 NAK 패킷을 기다립니다. 만약 ACK 패킷이 수신된다면(rdt_rcv(rcvpkt) && isACK(rcvpkt)) 송신자는 가장 최근에 전송된 패킷이 정확하게 수신되었다는 것을 알게 됩니다. 그래서 프로토콜은 상위 계층으로부터 데이터를 기다리는 상태로 돌아갑니다. 만약 NAK가 수신되면 프로토콜은 마지막 패킷을 재전송하고 재전송된 데이터 패킷에 대한 응답으로 수신자에 의해 응답되는 ACK 또는 NAK를 기다립니다. 

송신자가 ACK 또는 NAK를 기다리는 상태에 있을 때는 상위 계층으로부터 더 이상의 데이터를 전달 받을 수 없습니다. 즉, rdt_send() 이벤트가 발생할 수 없으며 그러므로 송신자는 수신자가 현재의 패킷을 정확하게 수신했다는 것을 확신하기 전까지 새로운 데이터를 전달하지 않습니다. 이러한 특징 때문에 rdt2.0과 같은 프로토콜은 전송 - 후 - 대기(stop-and-wait) 프로토콜이라고도 부릅니다.

사실 rdt2.0 프로토콜은 잘 동작하는 것 같지만 ACK 또는 NAK 패킷이 손상될 수 있다는 가능성을 고려하지 않았다는 치명적인 결함이 있습니다. 이를 해결하기 위한 간단한 해결책으로 데이터 패킷에 새로운 필드를 추가하고 이 필드 안에 순서 번호(sequence number)를 삽입하는 방식으로 데이터 패킷에 송신자가 번호를 붙이는 방법이 있습니다. 실제로 TCP에서도 이러한 방식을 사용하고 있습니다.

수신자는 수신된 패킷이 재전송 인지를 결정할 때는 이 순서번호만 확인하면 됩니다. 이러한 간단한 stop-and-wait 프로토콜의 경우, 한 비트 순서 번호면 송신자가 이전에 전송된 패킷을 다시 전송할 것인지, 아니면 새로운 패킷을 전송할 것인지를 충분히 알 수 있습니다. 

일반적으로 rdt2.0의 채널은 비트 오류만 있는 채널이고, 패킷을 손실하지 않는 채널이라고 가정하고 있으므로, ACK와 NAK 패킷들은 이들 패킷 안에 확인응답을 하는 패킷의 순서 번호를 표시할 필요는 없습니다.

rdt2.1 송신자

rdt2.1 수신자

위 그림들은 rdt2.0의 수정 버전인 rdt2.1에 대한 FSM을 나타내고 있습니다. rdt2.1 송신자와 수신자 FSM 각각은 이전보다 두 배 많은 상태를 가지고 있는데, 이는 프로토콜 상태가 현재(송신자에 의해서) 전송되고 있거나, 아니면(수신자가) 기다리고 있는 패킷이 순서 번호 0 또는 1을 가져야 하는지를 반영해야 하기 때문입니다.  

프로토콜 rdt2.1은 수신자로부터 송신자까지의 긍정 확인응답과 부정 확인응답을 모두 포함합니다. 순서가 바뀐 패킷이 수신되면, 수신자는 이미 전에 수신한 패킷에 대한 긍정 확인 응답을 전송합니다. 손상된 패킷이 수신되면, 수신자는 부정 확인 응답을 전송합니다. 

 

rdt3.0 

rdt(reliable data transfer): 신뢰적인 데이터 전송

rdt3.0은 비트 오류와 손실 있는 채널 상에서의 신뢰적 데이터 전송을 표현합니다.

비트가 손상되는 것 외에도 인터넷을 포함하는 오늘날 컴퓨터 환경처럼 하위 채널이 패킷을 손실하는 경우가 발생 할 수도 있습니다. 이럴 때는 어떠한 방식으로 해결할 수 있을까요? 

rdt3.0 송신자

위 이미지는 패킷이 손상되거나 손실될 수 있는 채널에서 데이터를 신뢰적으로 전송하는 프로토콜인 rdt3.0에 대한 송신자 FSM을 보여줍니다.

무손실 동작

위 이미지는 프로토콜이 패킷 손실 또는 지연 없이 어떻게 동작하는지와 손실된 데이터 패킷을 어떻게 처리하는지를 보여줍니다.