[풀스택] TCP - connection-oriented protocol

 

 

 

Transmission Control Protocol

• TCP is a connection-oriented protocol
• it creates a virtual connection between two TCPs to send data.
• In addition, TCP uses flow and error control mechanisms at the transport level.

• 에러 검출, 복구 및 흐름 제어(Layer 4)에 충실한 통신 프로토콜 TCP
• 클라이언트 - 서버 간 연결 요청, 응답, 최종 결정 
• 에러 검출, 흐름 관련 메커니즘이 있다.  

 

 

 

• 일반적인 동영상 스트리밍 
  TCP(에러 검출 및 복구) or UDP(빨리 빨리)
  둘 중 하나를 쓰든 상관 없다.
  -> TCP를 씀 
• 버퍼링 - 오류가 아니라, 버퍼에 쌓는 것 
  에러가 나면? 에러 검출 및 복구를 해서 가져옴
  계속 복구 하면서 뒤에다 쌓아 두고, 15초 뒤에 뿌리는 것
• 자본 base의 영상 - 실시간이라고 착각하는데, 이미 만들어진 영상임
  녹화된 영화 - TCP 베이스
  줌, 스트리밍 방송 - live 
  지연이 줄어야 한다면, UDP를 섞음
• 음성 - 허용되는 지연 시간 100, 150ms delay는 인간에게 감지되지 않음
  내가 지금 제공하는 컨텐츠가 어떤 특성을 반영하느냐에 따라 적절한 통신 기술을 써야한다. 

 

 

 

Stream Delivery Service

• TCP is a stream-oriented protocol
• TCP creates an environment in which the two processes seem to be connected by an imaginary “tube” that carries their data across the Internet.
• TCP 도 IPC ! 서로 다른 프로세스 간 통신, 연결을 의미한다.
• 바이트가 줄줄 들어간다 - stream
  유닉스 - 통신교환기 / 이를 위한 cpp
  기본 철학 - logical한 물줄기를 만들고,
  송신단에서 수신단으로 바이트 덩어리를 줄줄이 보낸다. 

 

 

 

Sending and Receiving Buffers

• Because the sending and receiving processes may not produce and consume data at the same speed, TCP needs buffers for storage.
• One way to implement is to use a circular array

 

• 송신단의 버퍼
• 상대방이 못 받았다면 다시 보내야 한다. 
  따라서 보낸 것의 복사본을 갖고 있어야 함
• sent
  아직 잘 받았다는 이야기를 못 받음
  재전송을 위해 저장해 둠
• not sent 
  상대방이 못 받을거 같아서 쌓아두고, 아직 보내지 못 함
  새로운 정보들이 쌓여가는 곳

 

• 수신단의 버퍼
  나는 최선을 다해 버퍼에 올리고,
  어플리케이션 여유가 될 때, 버퍼에서 알아서 가져가는 것
• 받아서 저장했는데 아직 어플이 안 가져간 정보
• 새로운 정보 쓰일 곳
  -> 상대방 TCP의 가용 공간을 채우는 것 
  TCP의 수신 버퍼 사이즈만큼 송신단에서 보내는 것 
• 따라서 수신단은 가용 공간 사이즈를 송신단으로 끊임없이 알림
  수신 버퍼 클수록 통신 늘어남 
  버퍼 사이즈 - 그리 크지 않음 (4/50년 동안 쓰이고 있다.)
  tcp 소프트웨어 - 버퍼사이즈 한계로 많이 보낼 수 없다 (성능 제한) 

 

 

 

Segments

• At the transport layer, TCP groups a number of bytes together into a packet called a segment.
• TCP adds a header to each segment (for control purposes) and delivers the segment to the IP layer for transmission.
• The segments are encapsulated in IP datagrams and transmitted.
• This entire operation is transparent to the receiving process.
• Segments received out of order, lost, or corrupted may be resent.

 

• 유독 tcp만 segment 독특한 단어를 씀
• 주고 받는 정보의 유닛 - 바이트
• 헤더가 있고 테일이 있는 단위 - 세그먼트 = 일종의 메세지

 

 

 

Full-Duplex Service

• TCP offers full-duplex service :
  After two application programs are connected to each other, they can both send and receive data.
• Piggybacking :
  When a packet is going from A to B, it can also carry an acknowledgment of the packets received from B

 

• 양에 영향을 받지 않음, 메세지의 개수에 영향을 받음
• 통신 프로그램 - 주고받는 양 보다, 초당 처리할 수 있는 메세지의 개수에 영향을 받음 
• 내가 받을 게 있고, 니가 보낼 게 있어 -> 2개가 되면 
• 내가 보내는 메세지 + 상대가 보낸 것에 대한 나의 정보(잘 받았다 ACK)를 포함
• 돼지가 큼 + 꼬리(내가 보내는 정보)는 작음 -> piggybacking 🐷
• 함께 섞어서 보낼 수 있다.

 

•  Connection-Oriented Services
  • A’s TCP informs B’s TCP and gets approval from B’s TCP
  • A’s TCP and B’s TCP exchange data in both directions
  • After both processes have no data left to send and the buffers are empty, two TCPs destroy their buffers
• Reliable Service
  • TCP uses the acknowledgment mechanism to check the safe and sound arrival of data

 

• TCP - 연결 설정 과정이 있다. 
  클: 나 너랑 연결하고 싶어
  서버: okay
  클: ok
• 서로 버퍼 사이즈를 주고 받음
  연결 설정 - 어떤 정보를 주고 받아, 해당 정보를 기반으로 통신을 할 때 
  -> 내가 받을 수 있는 버퍼 사이즈를 알려줌
• UDP 
  그런거 없음
  보내면 받는 거고,
  못 받으면 어쩔 수 없지 뭐  

 

 

 

Byte numbers

• There is no field for a segment number value.
• Instead, there are two fields called the sequence No. and the acknowledgment No.
  These two fields refer to the byte No.
• All data bytes being transferred in each connection are numbered by TCP.
• The numbering starts with a randomly generated number.
• Number range for first byte : 0 ~ 2^32 -1
  (If random number is 1,057 and total number 6,000 bytes, the bytes are numbered from 1,057 to 7,056)
• Byte numbering is used for flow and error control.

 

• 왜 스트림이라고 하고, 세그먼트라고 할까? 바이트? 
  TCP 제외한 대부분의 통신 소프트웨어 
  counting -> 메세지 기반
  바이트를 모으고, 헤드 트레일러 붙여서, 쟤한테 보냄
  메세지, 패킷, 프레임 등등 
• TCP - 바이트 기반으로 
  번지수 1~99까지 잘 받아
  1000~1999 바이트 보내니까 잘 받아
  segment에는 1000이라고 쓰여있음 
  메세지 단위로 받지 않음
  수많은 데이터 중, 일일이 바이트 단위로 번호를 매기고
  segment 앞에, 첫번째 데이터의 순서를 알려줌
• iostream
  tcp - byte 번호
  cpp - 배열의 이름은 그 배열 첫번째 element 주소값
  segment 번호 - 바이트들 중 첫번째 바이트의 sequence 번호 
• 왜?
  재전송 할 때, 메세지 베이스로 전송해야 함
  tcp -> error 나면? -> 쪼개서 에러를 피해봐
  2개로 쪼개
  tcp : 바이트들을 스트림으로 보낼건데,
  요만큼 짤라서 보낼거야 

 

 

 

Sequence number

•  After the bytes have been numbered, TCP assigns a sequence number to each segment that is being sent.
• Segment number for each segment is number of the first byte carried in that segment.
• 바이트 번호를 써야한다 -> 세그먼트 1.2.3 이런 개념 X 

 

 

 

Acknowledgment number

• The value of the acknowledgment field in a segment defines the number of the next byte a party expects to receive.
• The acknowledgment number is cumulative. (누적된다)
• ACK가 중요 ✨
  수신 측에서 정보를 잘 받았다고 말할 때
  1, 2를 보내면 -> 3번을 줘! (이게 ack)
• 대부분의 통신 프로토콜은 이렇게 말함

 

 

 

TCP format

 

 

 

Control field

• Enabling flow control, connection establishment and termination, and mode of data transfer in TCP
• 연결 설정 및 해제를 담당하는 6비트 부분을 말한다. 
• 이 SYN 번호를 맞추면 -> 1비트 세팅 - 연결 요청
• 이에 대한 응답은 ack 비트
• fin 연결 해제 - 피날래 
  이 비트가 세팅되어 있으면 연결 해제 요청

 

 

 

TCP is connection-oriented

•  A connection-oriented transport protocol establishes a virtual path between the source and destination.
• All the segments belonging to a message are then sent over this virtual path.
• Using a single virtual pathway for the entire message facilitates the acknowledgment process as well as retransmission of damaged or lost frames.
• You may wonder how TCP, which uses the services of IP, a connectionless protocol, can be connection-oriented. The point is that a TCP connection is virtual, not physical. TCP uses the services of IP to deliver individual segments to the receiver, but it controls the connection itself.

 

•  TCP transmits data in full-duplex mode. (이중 통신)
• When two TCPs in two machines are connected, they are able to send segments to each other simultaneously.
• This implies that each party must initialize communication and get approval from the other party before any data are transferred.

 

 

 

Connection Establishment

• TCP 서버가 먼저 살아있다는 가정
• 클 - TCP 프레임 보냄
  syn 비트 1로 킴
  첫번째 seq 번호 - 난수로 띄움
• 동의의 의미로 ack 킴
  + syn 비트 1로 킴
  8000 잘 받았으니까, 8001을 줘
  나의 seq 첫번째 바이트인 15000을 줌
• 여기서 syn 거절하면 -> 1방향 통신이 됨
  연결 해제할게 -> 동의할게 
  하지만 나는 아직 너에게 할 말이 있어
  이런 것도 가능 
• 클 - 15001 줘 -> 이 과정을 통해 두 TCP 연결 완료 
  흐름 제어를 위한 준비가 완료됨

 

•  Simultaneous Open
  • Simultaneous Open may occur when both processes issue an active open.
  • In this case, both TCPs transmit a SYN+ACK segment to each other, and one single-connection is established between them.
• SYN Flooding Attack
  • SYN Flooding Attack happens when a malicious attacker sends a large number of SYN segments to a server, pretending that each of them is coming from a different client by faking the source IP addresses in the data-grams.
  • The SYN flooding attack belongs to a type of security attack known as a denial-of-service attack, in which an attacker monopolizes a system with so many service requests that the system collapses and denies service to every request.
  • syn 거부 할 순 없음 -> 이건 통신 안하겠다는 의미 
    syn 엄청 많이 보내면, tcp 서버가 죽음 -> 이게 해킹
    but, tcp 연결 요청을 거절할 수 없잖아 
    -> ip 주소를 연결함: 또 계속 오면 - 수상함 -> 블랙리스트에 올림
    간헐적으로 떨굼 (정상일 수 있으니깐)
    의도가 사악한거 같아 -> 완전 차단
    * 이건 tcp 서버가 할 수 있는게 아니야 (파이어월)
    

 

 

 

Data transfer

• Pushing Data
  • The application program at the sending site can request a push operation that the sending TCP must not wait for the window to be filled.
  • It must create a segment and send it immediately.
• Urgent Data
  • When the sending application program wants a piece of data to be read out of order by the receiving application program.
  • Sender can send a segment with the URG bit set.
  • When the receiving TCP receives a segment with the URG bit set, it extracts the urgent data from the segment, using the value of the pointer, and delivers them, out of order, to the receiving application program.
  • 비트 속에 SYN FIN ACK 말고,
    PUSH / URG 비트가 있다.
    푸쉬 비트 - 가장 먼저 보낸다.
    어전트 - 긴급한 메세지이니까, 받자 마자 위로 올려라

 

 

 

Connection termination

• 클라이언트가 보낼 데이터는 다 보냈고, 서버 입장에서는 더 보낼 데이터가 있었음 
• 서로 안 보내려고 연결 해제 함 -> ack가 안오는건 아니다.
• 데이터를 안 보내는게 연결 해제, 하나로 합치는 게 눈속임 

 

 

flow control

• 수신 버퍼 사이즈의 변화를 알려주는 것 
• 리시브윈도우: rwnd -> 수신 버퍼 사이즈 보내준다
  r window : 한번에 보낼 수 있는 최대 바이트는 800이야
  본인이 보낸 시퀀스 넘버 - 중요하지 않아.
• 잘 받았으니 200 지웠다.
  하지만 보낼 수 있는건 600이니깐, 길이를 600으로 유지
  얘네가 길이 조절 함
• 흐름 제어 - flow control
  이렇게 숫자와 버퍼 갖고 하는 것

 

 

 

Normal operation

⏰ 타이머가 터짐
상대방이 보내는 데이터 족족 애크를 넘기면
부하를 그대로 넘기기 때문에, 둘 다 죽을 수 있다.
적정 시간이 지났을 때 ACK를 보내는 것
-> 상대방이 처리할 ACK의 부하를 줄이는 것 

 

통신은 
초당 메세지 처리 개수 packet / sec 
데이터가 아니라!

 

 

 

Lost segment

• 바로 재전송 하지 않음
• 타이머가 터지고 재전송
• 에러가 난 상황에서 온건지, 내가 보내기 전에 보낸게 이제 온건지 알 수 없다.
• 따라서 애크가 내가 보낸거 뒤에 도착했다는 이유 만으로
  에러사항이라고 판단할 수는 없다
• 그래서 타이머로 계속 기다려주는 것 

 

Fast retransmission

• 중간에 하나 날라감
  똑같은 ACK가 3번 연속 왔다.
• 굉장히 많은 데이터를 끊임없이 보내는 상황
  상대가 받았는데, 에러 -> 같은 seq num ACK 3개가 연달아 도착
• 바로 재전송을 쏴버림 (시간을 비운다는 거 - 아무 것도 안 한다는 것)
  대량의 데이터를 보내고, 네트워크가 안정화되었다는 가정 하에,
  재전송 판단하고 바로 쏜다. 

 

 

 

Slow start, exponential increase

• TCP를 버리게 된 근본적인 원인
• 수신 윈도우 16비트 늘릴 수 없다 
  수신 버퍼 사이즈가 적다
  이것이 tcp의 첫번째 한계
• 수신 버퍼 사이즈를 앎에도 불구하고, 
  전송과 관련된 필터가 더 있다.
  천천히 시작하고, 지수적으로 증가한다. 

 

• 한 번에 버퍼를 다 채울 수 없다. 
  Cwindow -> congestion 윈도우
  초기 연결 설정 끝난 이후,
  1 = 최대 세그먼트사이즈 하나를 보낼 수 있음 
• 왜? 
  수신 버퍼 사이즈? -> 상대방 컴퓨터의 프로세스를 위한 버퍼
  중간의 네트워크가 어떻게 될 지 모르기 때문에 
  한꺼번에 쏴 버리면 -> 나같은 애들이 많이 있을 때, 인터넷이 망가질 수 있다.
  따라서 최초 연결 설정 시, cwnd 1로 설정되어 있으면, 상대방 버퍼를 무시함 
• 이후 그 값이 늘어남
  cwnd - max segmentsize 의미 -> 즉 이제는 2개를 보낼 수 있게 된다. 
  꾸준하게 ACK를 주고 받으며, 2배씩 지수적으로 증가해서 64 KB까지 간다. 
•  Congestion avoidance, additive increase
  • 리니어하게 증가할 수도 있다: 4->5->6

 

 

 

Linear vs Exponential increase

• 언제는 지수적, 언제는 리니어? 
  내가 상대방에게 ACK 없이 보낼 수 있는건 세그먼트 하나
  ACK 제대로 옴 -> 2 -> ACK -> 4 -> ACK -> 8
• 타임 아웃 발생 : ACK 안 오거나, 정보가 못 갔거나, ACK 늦게 오거나 셋 중 하나
  어쨋든 센더는 타이머가 터졌고, 에러로 감지
  -> 다시 초기 값인 1로, 뚝 떨어짐
• error: 인터넷이 붐비고 있다는 것
  상대방 컴퓨터로 가기 위한 네트워크 줄 or 그 경로들 중 하나 등등 붐빈다는 것
  붐비지 않도록 줄이는 것 
• 수신 버퍼와 상관 없이 다시 1로 떨군다. 
  터진 8 / 2 -> 4 (타임 아웃을 2로 나눈 값 -> 경계가 된다.)
  1 -> ACK -> 2 -> ACK -> 4 
  이 상한선 4 에 도달 -> 지수적이 아니라, 선형적으로 리니어하게 증가 
  또 에러 나면 다시 1 
  -> 이번에는 12니까 6이 경계 (그 이후는 리니어)

 

 

 

Additive increase, multiplicative decrease

• TCP의 톱니 바퀴가 성능 저하의 가장 큰 원인
• 네트워크의 상황과 상관 없이, 최초 연결시에는 TCP는 일단 무조건 느리다.
• CWND가 1에서 시작하니까, 무조건 느림
• 네트워크 상황에 따라 발생하는 에러 -> 내 손으로 어떻게 할 수 없는 상황
• 이렇게 되면 TCP는 최저 상황으로 돌아감

 

• 애초에 TCP 지원하는 네트워크 
• 최저 인터넷 속도 지원 자체가 불가능한 네트워크 
• 인터넷을 가로지르는 경우에는, 어떠한 퀄리티도 보장할 수 없다.