트랜스포트 계층

트랜스포트 계층의 역할

트랜스포트 계층의 역할은 수신지의 애플리케이션에 데이터를 전달하는 것이다.

트랜스포트 계층에서 사용하는 대표적인 프로토콜로는 전송의 신뢰성을 중시하는 TCP와 전송 속도를 중시하는 UDP가 있다.

트랜스포트 계층은 애플리케이션에 데이터를 전달한다.

트랜스포트 계층은 애플리케이션 계층과 인터넷 계층 사이에 위치한다.

인터넷 계층의 역할이 데이터를 수신지 컴퓨터까지 전달하는 것이라면 트랜스포트 계층의 역할은 컴퓨터가 받은 데이터를 애플리케이션까지 전달하는 것이다.

데이터의 정확한 전달을 중시하는 TCP

트랜스포트 계층의 TCP 프로토콜은 수신지에 데이터가 정확하게 전달되도록 전송 속도를 조절하거나 도달하지 않은 데이터를 재전송한다.

데이터의 전송 속도를 중시하는 UDP

VoIP나 동영상 스트리밍 서비스와 같이 실시간 통신이 필요하다면 전송 속도를 중시하는 UDP를 사용한다.

포트번호

데이터를 어떤 애플리케이션의 어느 프로토콜로 전달할지에 대해서는 포트 번호를 보고 판단한다.

포트 번호는 컴퓨터 내부의 수신지를 표현한다.

트랜스포트 계층에는 인터넷 계층에서 전달한 다양한 종류의 패킷이 들어온다.

이 패킷들은 애플리케이션 계층에 있는 애플리케이션에 각각 전달되어야 하는데 이떄 어느 애플리케이션으로 보내져야할지는 포트번호를 보면 알 수 있다.

포트 번호의 범위

포트 번호는 0 ~ 65535번까지 사용할 수 있고 웰 노운 포트(well-known ports), 레지스터드 포트(registered ports), 다이나밍 포트(dynamic ports) 세 종류로 구분된다.

클라이언트가 사용하는 포트 번호는 그떄그떄 다르다.

클라이언트가 사용하는 포트 번호는 다이나믹 포트 번호 대역에서 자동으로 할당되기 때문에 어떤 번호가 사용될지는 미리 알 수 없습니다.

클라이언트와 서버의 접속이 완료되기까지의 과정

클라이언트와 서버가 서로 통신하기 위해서는 먼저 클라이언트가 사용할 포트를 결정하고 이 후 서버의 포트에 접속하게 된다.

HTTP인 경우 서버 측에서 수신 대기하는 포트 번호는 80번이다. 클라이언트인 웹 브라우저는 다이나믹 포트를 사용하기 떄문에 포트 번호가 애당초 정해져 있지 않다.

1. 웹 브라우저가 사용할 포트를 할당 받는다.

2. 웹 서버는 80번 포트로 대기 중이다.

3. 연결할 웹 서버의 80번 포트에 접속 요청한다.

4. 웹 서버가 접속을 허용하면 통신 가능한 상태가 된다.

5. 통신이 종료되면 포트를 반납한다.

포트 번호와 IP 어드레스의 조합으로 상대방을 식별한다.

서버 측의 포트 번호는 고정되어 있기 때문에 여러 클라이언트가 서버와 통신하는 과정에서 같은 포트로 요청이 몰리게 된다.

서버는 수신 대기를 위해 같은 포트를 사용하는 반면, 접속을 요청한 클라이언트 측은 서로 다른 IP 어드레스와 포트 번호를 사용한다.

서버는 이러한 클라이언트의 IP 어드레스와 포트 번호를 조합하여 클라이언트를 식별할 수 있기 떄문에 여러 클라이언트와 통신하는 상황에서도 혼선이 발생하지 않는다.

클라이언트의 IP 어드레스와 포트를 조합해서 기억해 둔다.

TCP가 정확하게 데이터를 전달하는 방법

TCP가 하는 일

TCP는 트랜스포트 계층의 프로토콜의 하나로서 웹이나 이메일, FTP와 같이 정확한 데이터 전달이 필요한 통신에 사용된다.

TCP는 데이터 전송에 신뢰성을 더하기 위해 데이터를 세그먼트 라는 단위로 분할하고 전송 속도를 조정하며 데이터가 제대로 전달되지 않았을 경우 재전송을 하게 된다.

TCP 헤더의 구조

TCP의 세그먼트는 데이터 본체에 TCP 헤더가 붙은 형태로 구성된다.

TCP 헤더에는 포트 번호나 일련번호와 같은 정보가 포함되어 있다.

세그먼트

컨트롤 비트

TCP 헤더 중에 컨트롤 비트는 현재의 통신 상태를 표현하는 플래그 역할을 하며 통신 상대에게 이 정보를 전달해서 TCP 통신을 제어하는 용도로 사용한다.

9개의 플래그 각각은 1비트 크기를 차지하여 ON/OFF 두 가지 상태를 표현한다.

통신 개시부터 통신 종료까지의 흐름

TCP 통신은 커넥션 연결에서 시작한다. 커넥션을 맺는 과정은 3단계로 진행되기 때문에 이것을 3방향 핸드셰이크 라고 부른다.

커넥션이 맺어지면 데이터를 전송할 수 있는 상태가 되고 데이터 전송이 끝나면 커넥션을 끊는다.

커넥션 연결하기

1. SYN ->

2. <- SYN ACK

3. ACK

통신을 시작하고 싶을 때 SYN을 ON으로 설정하고 통신을 끝내고 싶을때 FIN을 ON으로 설정합니다.

커넥션 연결 끊기

1. FIN ->

2. <- ACK

3. <- FIN

4. ACK ->

ACK는 데이터가 잘 도착했는지 확인 응답을 하기 위한 플래그입니다.

ACK가 ON으로 설정된 패킷이 응답으로 돌아오지 않으면 제대로 전달되지 않은 것이라고 판단합니다.

일련번호와 최대 세그먼트 크기를 사전에 조율한다.

커넥션을 맺을 떄 송신 측과 수신 측은 원할한 통신을 위해 사전에 일련 번호와 최대 세그먼트 크기(MMS, Maximum Segment Size)를 서로 합의하고 조율하는 과정을 거치게 된다.

1. SYN, MSS: 1460 ->

2. <- SYN ACK, MSS: 1000

제시한 MSS 크기가 다를 경우 작은 값을 따라간다.

데이터 전송 과정에서 일련번호는 어떻게 변화하나

커넥션을 맺는 과정에서 일련번호는 1씩 증가하는데 데이터를 전송할 떄는 여기에 전송한 데이터의 바이트 수만큼 더 더해진다.

또한 데이터를 수신한 후에는 수신한 데이터의 바이트 수만큼을 확인 응답 번호에 더하기 때문에 일련번호와 확인 응답 번호를 확인하면 몇 바이트의 데이터를 주고받았는지 알 수 있다.

TCP는 일련번호와 응답 번호 정보를 따로 관리하면서 데이터가 제대로 송수신되는지 확인합니다.

송신 실패 여부를 판단한다.

인터넷에서 통신하다 보면 패킷 일부가 제대로 전달되지 않거나 패킷 자체는 전달되었더라도 응답 패킷이 전달되지 않는 경우가 발생할 수 있다.

송신 측에서는 일정 시간이 지난 후에도 수신 측으로부터 응답이 오지 않을 경우 송신 실패로 간주하고 최근에 정상적으로 응답을 받은 후부터 데이터를 재전송한다.

연속된 데이터를 몰아서 보내면 전송 속도가 빨라진다

앞서 보낸 데이터에 대한 응답을 받은 후에 다음 데이터를 보내는 방식은 통신이 정상적으로 완료되기 까지 다소 많은 시간이 소요된다.

대신 응답을 기다리지 않고 연속된 데이터를 몰아서 보내면 전송 속도를 더 빠르게 향상시킬 수 있다.

연속으로 몰아서 보내는 방식을 사용하면 확인 응답 번호를 확인하는데 시차가 발생합니다.

동일한 확인 응답 번호가 연속으로 들어오면 전송이 실패한 것으로 간주합니다.

한번에 받을 수 있는 데이터 크기를 통보한다

연속해서 몰아 보내는 데이터의 양이 너무 많으면 수신 측이 제떄 처리하지 못할 수 있따.

그래서 수신 측은 수신한 데이터를 일시적으로 보관할 수 있는 버퍼라는 저장 영역을 가지고 있다.

수신 측은 TCP 헤더의 윈도우 사이즈에 버퍼의 크기를 설정하고 송신측에 통보함으로써 어느 정도의 크기까지 받아 낼 수 있는지를 알려주게 된다.

한 번에 받아 낼수 있는 데이터의 양을 조절한다

수신 측은 도착한 패킷들을 버퍼에 쌓아 두는 것과 동시에 이미 버퍼에 쌓인 데이터를 순차적으로 꺼내서 처리하게 된다.

이떄 만약 수신 측 컴퓨터의 성능이 낮다면 데이터가 들어오는 속도보다 처리하는 속도가 느려서 문제가 될 수 있다.

그래서 수신 측은 응답을 보낼 때 윈도우 사이즈를 설정하여 현재 어느 정도 수신할수 있는지를 수시로 알려주게 된다.

이러한 과정을 흐름 제어라고 한다.

버퍼가 가득 찬 경우

버퍼가 가득 차면 윈도우 사이즈가 0으로 설정되고 데이터 전성은 일단 멈추게 된다.

다시 전송을 재개할 시점을 알기 위해서 송신측은 탐색 패킷 혹은 윈도우 프로브라고 하는 패킷을 수신 측에 보내게 되고 수신 측의 응답을 받아 현재 윈도우 사이즈를 확인한 후에 전송 재개 여부를 결정한다.

네트워크의 혼잡 상태를 확인한다.

버퍼에 빈 공간이 있더라도 네트워크 경로가 혼잡한 상태라면 통신 속도를 낮춰야 하는 경우가 있다.

이때 인터넷 계층의 헤더 안에 혼잡 플래그가 ON으로 설정되고 송수신 측 양쪽이 ECE 플래그와 CWR 플래그를 사용해서 통신 속도롤 조절하게 된다.

UDP가 고속으로 데이터를 전달하는 방법

UDP는 다른 처리 없이 전송만 한다

UDP는 TCP에 비해 상당히 간단한 프로토콜로서 단순히 데이터를 보내는 역할만 한다.

통신 과정에서 데이터의 손실이 발생할 수 있는데 VoIP와 같은 음성 서비스나 동영상 스트리밍 서비스는 일부 데이터가 누락되거나 왜곡되더라도 큰 문제가 없기 때문에 UDP를 주로 사용한다.

UDP 헤더

데이터 그램

브로드캐스트와 멀티캐스트

TCP에는 없는 기능으로 UDP에는 하나의 패킷을 여러 수신지에 전달하는 브로드캐스트와 멀티캐스트라는 기능이 있다.

브로드캐스트는 파일공유나 DHCP와 같이 네트워크 내의 여러 컴퓨터나 통신 장비와 정보를 교환할 때 사용된다.

UDP를 애플리케이션 계층으로 둘러싼다

실시간 처리가 필요한 온라인 게임에서는 전송 속도가 우선인 UDP를 사용하긴 하지만 데이터 전송의 신뢰성 역시 속도에 못지않게 중요하다.

이런 경우에는 애플리케이션 계층에서 흐름 제어나 혼잡 제어를 구현해서 부족한 신뢰성을 보완하게 된다.