TCP는 흐름 제어, 오류 제어, 혼잡 제어 이 세 가지 제어 기능으로 안정적인 1:1 송.수신을 구현합니다. 이러한 기능들 덕분에 TCP를 사용할 경우 상위 레이어에만 개발에 집중할 수 있습니다.
흐름 제어
흐름 제어는 상대방의 window size를 고려하여 송신 데이터의 크기를 조절하고 응답에 상관없이 window size만큼 데이터를 연속적으로 송신하는 기능을 담당합니다.
Stop and wait
데이터를 송신하면 상대방이 데이터를 잘 수신 받았는지 여부를 확인하기 위해 ACK 응답을 기다립니다. ACK 응답의 Acknowledge Number를 통해서 수신 여부 및 정말로 보낸 데이터 만큼 잘 수신 받았는지를 확인할 수 있습니다.
Sliding window
sliding window는 TCP가 3-way-hasdshake 과정에서 알아냈던 상대방의 window size만큼 수신 응답을 기다리지 않고 데이터를 연속적으로 보내며 수신자 측은 지금까지 수신받았던 데이터 크기와 Sequence Number를 기반으로 Acknowledge Number를 셋팅하여 한 번에 응답합니다. 이러한 기능 덕분에 TCP의 패킷 당 송.수신 확인 응답으로 인한 지연을 줄일 수 있습니다.
오류 제어
TCP는 일정시간 수신자에게 응답이 없거나 송신 데이터가 잘못되어 NACK(Negative Ack)로 응답이 올 경우 자동으로 재전송하는 ARQ(Automatic Repeat Request) 기법을 사용합니다. 그리고 TCP는 Checksum과 Sequence Number, Acknowledge Number를 이용해서 송.수신 데이터의 오류를 검출하며 Go Back N, Selective Repeat을 혼합한 형태로 오류 제어를 합니다.(Stop and Wait 전송 속도가 매우 느리고 효율이 낮아서 사용되지 않습니다.)
Stop and Wait
데이터를 송신하고 수신자로부터 일정시간 동안 ACK 응답이 없어 timeout이 되거나 NACK가 올 경우 전송했던 데이터를 재전송합니다.
Go Back N ( GBN )
Go Back N 방식은 위와 같이 sliding window를 이용해 연속적으로 데이터를 보내다가 timeout으로 데이터가 유실되었음을 인지하거나 수신자로부터 NACK 응답이 왔을 경우 문제가 발생된 데이터부터 다시 재전송하는 방식을 말합니다. 구현은 간단하지만 잘못된 데이터부터 모두 다시 보내야 한다는 단점이 있습니다.
Selective Repeat( SR )
Selective Repeat은 모든 응답에 대해서 ACK를 보내고 누락되거나 잘못된 패킷에 대해서만 NACK를 통해 재전송 요청을 합니다. 중간에 잘못되거나 누락된 패킷이 재전송되어 수신할 경우 기존에 받았던 패킷들과 순서에 맞게 재조합을 해야하기 때문에 추가적인 작업과 버퍼가 필요합니다. 또한 모든 패킷에 대한 응답이 필요하기 때문에 네트워크 트래픽이 증가될 수 있습니다.
데이터를 연속적으로 송신하다가 중간의 데이터가 유실되어 동일한 ACK가 지속적으로 올 경우 timeout을 기다리지 않고 데이터가 유실되었다고 판단하여 재전송합니다.
혼잡 제어
통신하는 네트워크 내의 트래픽이 과도하게 증가하여 송.수신이 원활하게 이루어지지 않는 상태를 혼잡이라고 합니다. TCP가 패킷 유실률 그리고 응답 속도를 종합하여 혼잡도를 판단합니다. 그리고 혼잡 제어는 네트워크의 혼잡한 현상을 방지하고 제거하기 위해 사용되는 기능입니다.
Awnd는 실제로 수신자가 한 번에 데이터를 수신받을 수 있는 최대 버퍼 크기를 의미합니다.
Cwnd는 TCP가 네트워크 혼잡도에 따라서 실제로 수신자에게 한 번에 송신할 수 있는 데이터 크기를 의미하며, 최대 크기는 Awnd입니다.
Slow Start
TCP는 처음 연결직후 Cwnd의 사이즈를 1로 하고 임계 지점을 Awnd의 1/2로 합니다. 수신자로부터 ACK 응답을 받을 때마다 Cwnd 사이즈를 2베씩 증가시켜가며 Cwnd가 임계 지점에 도달했다면 ACK 응답을 받을 때마다 1씩 증가시켜 Awnd 크기 만큼 증가시킵니다.
timeout이 발생되었다면 네트워크가 혼잡하다고 판단하여 Cwnd를 1로 하고, 임계 지점의 크기를 반으로 줄인 후 다시 Slow Start 방식으로 Cwnd를 증가시킵니다.
Fast Retransmit( 빠른 재전송 ) & Fast Recovery( 빠른 회복 )
sliding window를 통해서 패킷을 송신하는 도중에 중간 패킷이 유실되어 수신자가 유실전 패킷에 대한 ACK를 3번 연속으로 보내게 될 경우 timeout을 기다리지 않고 유실된 패킷을 재전송합니다. 이러한 방식을 Fast Restransmit이라 하며, 이를 통해 TCP는 네트워크의 혼잡함을 인지하여 Cwnd를 1이 아닌 1/2로 줄이며 해당 지점을 임계 지점으로 설정합니다. 이후 ACK를 받을 때마다 1씩 최대 Awnd만큼 증가시키며 이를 Fast Recovery 라고 합니다.
