TCP Flow, Congestion, Error Control

TCP 서비스의 특징은 네트워크 상황과 수신자의 처리 능력에 맞춰 데이터 전송 속도를 조절한다는 것이다. 다음은 TCP의 흐름 제어, 혼잡 제어, 그리고 오류 제어 메커니즘에 정리한 내용이다.

흐름 제어 (Flow Control)

→ 송신자가 수신자의 처리 능력을 초과하지 않도록 전송 속도를 조절하는 메커니즘

RWND (Receive Window)

RWND(Receive Window)는 수신자가 현재 받을 수 있는 데이터의 양을 나타낸다.

RWND의 계산

RWND = 수신 버퍼 크기 - (수신했지만 애플리케이션이 읽지 않은 데이터)

동작 예

 
수신자 버퍼 크기: 8192바이트
 
현재 버퍼 사용량: 2048바이트
 
→ RWND = 8192 - 2048 = 6144바이트
 

슬라이딩 윈도우 (Sliding Window)

TCP는 슬라이딩 윈도우 방식을 사용하여 효율적인 데이터 전송을 구현한다.

윈도우 구성 요소

윈도우 슬라이딩

윈도우 동작 원리는 다음과 같다.

• 데이터 수신 시: Left Wall 이동 → rwnd 감소 → Close
• 데이터 처리 시: Right Wall 이동 → rwnd 증가 → Open
• Right Wall: 왼쪽으로 이동하지 않음 (= Shrink 없음)

Zero Window 문제

수신자의 버퍼가 가득 차면 RWND = 0이 되어 Zero Window 상황이 발생한다.

Zero Window 처리

1. Window Probe: 송신자가 주기적으로 1바이트 데이터 전송
2. Window Update: 수신자가 버퍼 여유 생기면 윈도우 크기 업데이트
3. Keep-alive: 연결 유지를 위한 주기적 확인

혼잡 제어 (Congestion Control)

혼잡 제어는 네트워크의 혼잡 상황을 감지하고 전송 속도를 조절하여 네트워크 전체의 성능을 최적화한다.

CWND (Congestion Window)

CWND(Congestion Window)는 네트워크 혼잡 상황을 고려한 송신 윈도우 크기다.

실제 전송 윈도우

실제 윈도우 크기 = min(RWND, CWND)

• RWND: 수신자 기준 제한
• CWND: 네트워크 기준 제한

TCP 혼잡 제어 알고리즘

1. Slow Start

• 목적: 네트워크 용량을 점진적으로 탐색
• 동작: CWND를 지수적으로 증가
• 초기값: 일반적으로 1 MSS

 
RTT 0: CWND = 1 MSS
 
RTT 1: CWND = 2 MSS (각 ACK마다 +1)
 
RTT 2: CWND = 4 MSS
 
RTT 3: CWND = 8 MSS
 
...
 

2. Congestion Avoidance

• 시작 조건: CWND가 ssthresh(slow start threshold)에 도달
• 동작: CWND를 선형적으로 증가
• 증가율: RTT당 1 MSS씩 증가

3. Fast Retransmit

• 감지 조건: 동일한 ACK 3번 연속 수신
• 추정: 패킷 손실 발생
• 동작: 타임아웃 대기 없이 즉시 재전송

4. Fast Recovery

• 시작: Fast Retransmit 후
• 동작: Slow Start 건너뛰고 Congestion Avoidance 진입
• 목적: 성능 급격한 저하 방지

오류 제어 (Error Control)

TCP는 데이터의 신뢰성을 보장하기 위해 다양한 오류 제어 메커니즘을 사용한다.

오류 검출

1. Checksum

• 범위: TCP 헤더 + 데이터 + Pseudo Header
• 알고리즘: 16비트 1의 보수 체크섬
• 한계: 단순한 오류만 검출 가능

2. Sequence Number

• 순서 검증: 데이터 순서 확인
• 중복 검출: 중복된 데이터 식별
• 손실 검출: 누락된 데이터 발견

오류 복구

1. ARQ (Automatic Repeat Request)

Stop-and-Wait ARQ

Go-Back-N ARQ

• 윈도우 내 모든 데이터 재전송
• 간단하지만 비효율적

Selective Repeat ARQ

• 오류난 세그먼트만 선택적 재전송
• 효율적이지만 복잡함

2. 타임아웃과 재전송

RTO (Retransmission Timeout) 계산

 
SRTT = (1-α) × SRTT + α × RTT_sample
RTTVAR = (1-β) × RTTVAR + β × |SRTT - RTT_sample|
RTO = SRTT + 4 × RTTVAR
 
**일반적인 값**:
α = 1/8, β = 1/4
 

지수적 백오프

 
첫 번째 타임아웃: RTO
두 번째 타임아웃: 2 × RTO
세 번째 타임아웃: 4 × RTO
 
...
 
최대: 64 × RTO
 

각종 시나리오

1. Normal Operation

• Rule 1: 응답 데이터가 있을 경우, 즉시 ACK
  • 클라이언트가 서버로 데이터를 전송할 때(Seq: 1201–1400), 이전에 받은 데이터(Ack: 4001)에 대한 ACK를 동시에 전송
  • 서버도 마찬가지로 데이터 전송(Seq: 4001–5000) 시 클라이언트의 데이터에 대한 ACK(Ack: 1401)를 함께 보냄
• Rule 2: 일정 시간(예: 500ms) 내에 응답할 데이터가 없을 경우, 타이머 만료 시 ACK 전송
  • 클라이언트가 서버로부터 4001–5000을 수신하고 나서도 보낼 데이터가 없을 경우
  • ACK-delay timer가 시작되고, 500ms 이내에 전송할 데이터가 없으면 타이머 만료 시점에 단독 ACK (Ack: 5001) 전송
• Rule 3: 지연 ACK 타이머 도중 추가 데이터 수신 시 즉시 ACK
  • 5001–6000 수신 후 ACK-delay 타이머 시작
  • 타이머가 만료되기 전에 6001–7000까지 수신되면
  • 클라이언트는 즉시 ACK (Ack: 7001) 전송 → 지연 중단하고 즉시 응답

ACK는 무조건 바로 보내지 않고, 상황에 따라 지연된다. 응답할 데이터가 생기면 그 데이터와 함께 ACK를 묶어서 전송한다. 지연 ACK 타이머가 돌고 있는 중에 새로운 데이터가 오면 바로 ACK 응답한다.

2. Lost Segment

• Rule 3: 순서대로 받은 데이터에 대해 ACK 전송
• Rule 4: 순서가 어긋난 데이터는 버퍼에 저장하되, ACK는 여전히 기대하는 번호(701)를 보냄
• Rule 5: 누락된 데이터를 재전송받고, 순서 맞춰 모두 수신한 경우 → 누적 ACK 전송

중간에 손실된 세그먼트가 있으면 ACK 번호가 멈춘다. 서버는 뒤에 오는 데이터들을 버퍼에 저장하지만, 누락된 부분이 들어오기 전까지 ACK는 고정한다. 누락된 세그먼트 재수신 시 모든 데이터가 순서대로 정리하여 누적 ACK로 복구된다.

3. Fast Retransmit

• Rule 3: 순서대로 수신된 경우 → 다음 기대 시퀀스 번호로 ACK
• Fast retransmit: 같은 ACK를 3번 받으면 타이머 기다리지 않고 즉시 재전송

클라이언트는 중복 ACK가 3번 연속 오면 해당 세그먼트를 즉시 재전송한다. 이 방식은 RTO(타임아웃)를 기다리지 않아서 빠르게 손실을 복구할 수 있다. 서버는 누락된 세그먼트를 받고 나면 정상적으로 누적 ACK를 전송한다.

4. Lost acknowledgement

데이터가 아니라 ACK가 손실된 상황으로, 수신자는 이미 받은 데이터를 다시 받지만, 중복 수신으로 처리한다. 신뢰성 보장을 위해 ACK를 받지 못한 쪽이 재전송을 수행한다.

SACK (Selective Acknowledgment)

기본 TCP의 누적 ACK 한계를 극복하기 위한 확장

SACK 블록 예제

SACK의 장점

• 선택적 재전송: 손실된 세그먼트만 재전송
• 성능 향상: 불필요한 재전송 감소
• 네트워크 효율성: 대역폭 절약