[Network] 신뢰성 있는 데이터 전송의 원리

Principles of Reliable Data Transfer

Reliable Channel

1. 전송된 Data가 손상되지 않는다.
2. 전송된 Data가 손실되지 않는다
3. 모든 Data는 전송된 순서대로 전달된다.

 

Reliable Data Transfer 1.0 => Perfectly Reliable Channel

1. Data 단위와 Packet 단위의 차이가 존재하지 않는다.
2. 모든 Packet의 흐름은 송신자와 수신자간에 발생한다.
3. 완전히 신뢰적인 채널 (Perfectly Reliable Channel)이기 때문에 오류가 발생하지 않는다.
4. 즉, 수신자는 송신자에게 Feedback을 제공할 필요기 없다.
5. 송신자가 Data를 송신하자마자 Data를 수신할 수 있다고 가정했다.
6. 즉, 수신자는 송신자에게 Data를 천천히 송신하라고 요청할 필요가 없다.

 

Reliable Data Transfer 2.0 => Channel with Bit Errors

• ARQ (Automatic Repeat reQuest) Protocol
  • 재전송을 기반으로 신뢰성있는 Data 전송을 가능하게하는 Protocol이다.
  • Positive Acknowledgment
    • Data를 정확하게 수신되었는지 확인하는 용도로 사용
  • Negative Acknowledgment
    • Data가 잘못 수신되어 재전송이 필요하다고 수신자가 송신자에게 알려주는 용도로 사용
• ARQ Protocol 구현을 위한 3가지의 Additional Protocol Capabilities
  1. Error Detection
     • Error가 발생한 경우 수신자가 Error를 감지해야한다.
     • UDP의 경우 Error Detection을 위해 Checksum Field가 존재한다
     • 수신자가 Bit Error를 검출하고 복구할 수 있도록 해준다.
     • Error 검출을 위한 추가적인 Bit가 필요하다.
  2. Receiver Feedback
     • 일반적으로 송신자와 수신자는 수천 km 떨어진 서로 다른 End System에서 동작한다.
     • 송신자가 Packet이 정확히 수신했는지 알기 위해, 수신자가 송신자에게 Feedback을 제공해야한다
       • ACK (Acknowledgement)
       • NAK (Negative Acknowledgement)
  3.  Re-transmission
     • 오류가 있는 Packet은 송신자에 의해 재전송된다.

 

 

 

Reliable Data Transfer 3.0: Sending Side => Lossy Channel with Bit Errors 

• Sending Side
  
  • 어떻게 Packet 손실을 검출할 것인가?
    • 송신자에게 손실된 Packet의 검출과 회복 책임을 부여할 것이다.
    • [Case1] Packet이 손실된 경우
    • [Case2] ACK가 손실된 경우
    • 송신자에게는 어떠한 응답도 없다
  • Packet 손실이 발생하는 경우 어떤 행동을 할 것인가?
    • 해당 Packet에 대해 Re-transmission을 수행한다.
  •  Time-Based Retransmission Mechanism을 구현하기 위해, 주어진 시간이 경가된 후 송신자를 Interrupt 할수있는 Counterdown Timer가 필요하다.
    1. Packet이 송신될 때 타이머를 시작한다.
    2. Timer Interrupt에 따라 적절한 동작을 수행한다.
    3. Timer를 중지시킨다.

The TCP Connection

• rdt3.0은 Stop-and-Wait Protocol로 인해 성능 문제가 발생한다.
• 가정
  • ☑ 수신자는 Data Packet의 마지막 Bit가 수신되자 ACK Packet을 송신할 수 있다.
  • ☑ ACK Packet은 크기가 매우 작아 전송 시간을 무시할 수 있다.
•  Network Protocol이 하위 Network Hardware가 제공하는 기능/능력을 제한할 수 있다.
  • 지연이 증가하고 성능이 더욱 나빠진다
• Pipelining
  
  • 확인응답 (Acknowledgements)을 기다리지 않고 여러 Packet을 전송하도록 허용하는 방식을 사용한다.
  • Ex> ACK를 기다리기 전에 Sender가 3개의 Packet을 전송하도록 허용 => Utilization이 3배 증가한다
  • Sequence Number의 범위가 커져야한다.
    • ☑ 각각의 전송 중인 Packet은 유일한 Sequence Number를 가져야한다
    • ☑ 전송 중이고 확인 응답이 안된 여러 Packet이 있을지도 모르기 떄문이다.
  •  Protocol의 Sender와 Receiver은 하나 이상의 Packet을 Buffering 해야한다.
    • ☑ 최소한 Sender는 ACK을 받지 못한 Packet을 Buffering 해야한다.
  •  Plpelining 오류 회복의 두 가지 기본적인 접근방법이 있다.
    • ☑ Go-Back-N (GBN) => ACK를 기다리지 않고 여러 Packet 전송이 가능하다.
    • ☑ Selective Repeat (SR)