4계층: 전송 계층

특징

  • 데이터를 작은 패킷 단위로 분할하여 정상적으로 잘 보내지는지 확인한다.

    • 하나의 통신이 회선 전체를 점유하지 않고 동시에 여러 단말이 통신하기 위한 목적으로 데이터를 분할해 보낸다.

  • 패킷 분할 시 패킷 헤더에 보내는 순서와 받는 순서를 적어 통신하므로 , 패킷이 유실되면 재전송을 요청하고 패킷 순서가 바뀌면 이를 바로잡아 주는 역할을 한다.

  • 보내는 순서는 Sequence Number, 받는 순서는 ACK 번호로 표현된다.

  • 세그먼트 헤더에는 포트/소켓 주소가 포함된다.

  • 일반적으로 TCP/IP 에서는 클라이언트용 프로그램과 서버용 프로그램을 별도로 개발하기 때문에 출발지/도착지 포트 번호가 중요하다.

  • 일반적인 프로토콜이 사용되는 서버 포트는 IANA에 등록되어 있으며 1023번 이하의 포트를 사용하게 된다. HTTP 는 TCP 80, HTTPS는 TCP 443, SMTP는 TCP 25 로 통신하게 된다.

기능

  • 종단간 (End to End) 데이터 통신 보장, 흐름 제어와 오류 제어 등을 통해 데이터 통신을 보장한다.

  • 지연에 따른 왜곡 및 대역폭 부족 문제를 해결한다.

  • 동시에 여러 개의 논리적 연결을 지원한다.

  • 사용자 데이터 분할과 재조립을 통해 과부하를 예방한다.

  • TCP, UDP 프로토콜이 이 계층에 해당한다.

TCP

  • 신뢰할 수 없는 공용망에서도 정보유실 없는 통신을 보장하기 위해 세션을 안전하게 연결하고 데이터를 분할하고 분할된 패킷이 잘 전송되었는지 확인할 수 있다.

  • 각 패킷에 순서를 나타내기 위해 Sequence Number를 부여하고, 잘 전송되었는지에 대한 응답 번호를 나타내기 위해 Acknowledge Number를 부여한다. 두 번호를 통해 순서가 바뀌거나 중간에 패킷이 손실되었는지 파악할 수 있다.

  • 한 번에 얼마나 보내야 할 지에 대한 Window Size를 고려해 통신한다.

  • 3-Way Handshake

    • 데이터 유실없이 안전한 통신을 위해 TCP 연결을 처음 맺을 때 목적지가 데이터를 받을 준비가 되었는지 확인한다.

    • 서버는 서비스를 제공하기 위해 클라이언트의 접속을 받아들일 수 있는 LISTEN 상태로 대기한다.

    • 클라이언트가 서버로 SYN 패킷을 송신하면, 서버는 SYN-ACK 패킷을 클라이언트에 전송한다. 이 때 서버 소켓의 상태는 SYN_RECEIVED가 된다.

    • SYN-ACK 패킷을 수신한 클라이언트는 서버로 ACK 패킷을 보내고 ESTABLISHED 상태가 된다.

    • 서버도 ACK 패킷을 받으면 ESTABLISHED 상태가 된다.

  • TCP 헤더

    • 패킷의 용도를 구분하기 위해 플래그 값을 넣어 통신한다. 플래그의 종류는 다음과 같으며, 패킷이 해당 목적일 때 1로 표시해 보낸다.

      • SYN : 연결 시작 용도로 사용한다.

        • ACK : ACK 번호가 유효할 때 사용한다. 초기 SYN 패킷 외에는 모두 기존 메시지에 대한 응답이 되므로 ACK 플래그가 1로 표기된다.

        • FIN : 데이터 전송을 마친 후 정상적으로 양방향 연결 종료 시 사용된다.

        • RST : 연결 강제 종료를 위해 일방적으로 연결 종료 시 사용된다.

        • URG : 긴급 데이터 용도로 사용한다.

        • PSH : 서버 측에서 전송할 데이터가 없거나 데이터를 버퍼링 없이 즉시 보낼 것을 지시할 때 사용한다.

    • ACK 번호

      • 기본적으로 패킷을 수신하였을 때 ACK 번호를 담아 다음 패킷을 송신한다.

      • ACK 번호는 현재 시퀀스 번호 + 1로 표기한다. 예를 들어 클라이언트는 시퀀스 번호 20이 담긴 패킷에 대해 ACK 번호가 21인 패킷을 보낸다. ACK을 받은 서버는 클라이언트에게 21이라는 시퀀스 번호를 담은 패킷을 보낸다.

  • 송신자가 패킷을 전송하면 수신자는 이를 받은 후 잘 받았다는 의미를 담아 ACK 패킷을 송신자에 보낸다.

  • TCP는 ACK 번호를 확인하여 상대방이 패킷을 잘 받고 있는지 확인한 후 다음 패킷을 전송한다.

슬라이딩 윈도

  • 패킷이 잘 전송되었는지 확인하기 위해 별도 패킷을 받는 것은 통신 시간을 늘리게 된다. 송신자와 수신자가 먼 거리에 떨어져 있으면 왕복 지연시간(Round Trip Time, RTT)이 늘어나므로 응답을 기다리는 시간이 더 길어진다.

  • 따라서, 데이터를 보낼 때 패킷 하나만 보내지 않고 많은 패킷을 한꺼번에 보내고 응답을 하나만 받는다.

  • 한 번에 데이터를 받을 수 있는 데이터 크기를 윈도우 사이즈라 하며, 슬라이딩 윈도우는 윈도우 사이즈를 조절하는 것을의미한다.

  • TCP 헤더에서 윈도우 사이즈는 최대 2^16이다. 하지만 점점 고속화되고 안정화되는 환경에 따라 64K 보다 큰 양의 패킷을 한꺼번에 보내려면, 뒤의 숫자를 무시하는 방법으로 증가시켜 사용할 수 있다.

  • 데이터에 유실이 발생하면 윈도 사이즈를 절반으로 떨어뜨리고 정상적인 통신이 되는 경우, 서서히 하나씩 늘린다.

  • 네트워크에 경합이 발생해 패킷 드롭이 생기면 작아진 윈도 사이즈로 인해 데이터 통신 속도가 느려져 회선을 제대로 사용하지 못할 수 있다. 경합을 피하기 위해 회선 속도를 증가시키거나, 버퍼가 큰 네트워크 장비를 사용하거나, TCP 최적화 솔루션을 사용해야 한다.

소켓 종료

  • 종료를 원하는 Initiator에서 socket.close()와 같은 소켓 종료함수를 호출한다.

  • 해당 소켓에 대한 권한이 tcp커널로 넘어가게 되고, 만약 소켓이 블로킹 소켓이면 위의 종료과정이 완전히 끝날때까지 블로킹되고, 논블로킹 소켓이면 EWOULDBLOCK을 리턴한다.

  • Initiator는 FIN_WAIT상태에 들어가고 상대호스트의 FIN 패킷을 기다린다.

  • FIN 메시지를 받은 Receiver는 받은 메시지에 대한 ACK 신호를 보내고 소켓 종료 함수를 호출해 FIN 패킷을 보내기 전까지 ClOSE_WAIT상태가 된다.

  • Receiver가 종료 함수를 호출하여 FIN을 보내면 Initiator는 받은 FIN에 대한 ACK를 보낸 후 일정 시간 동안 TIME_WAIT 상태가 된다.

    TIME_WAIT은 자신이 보낸 ACK가 잘 도착했는지 확인 하기 위해 기다렸다 종료하는 유예 시간이다. 리눅스의 경우 90초 정도라고 하며, 자신이 보낸 ACK가 손실됬다면 상대는 다시 FIN을 보내게 되고 그에 따른 ACK를 보낼 수 있다.

  • 만약 TIME_WAIT 상태인 포트로 접속하기 위해선 TIME_WAIT이 끝날때까지 기다려야 한다. 따라서 고정적인 포트에 바인딩하는 서버의 경우 에러가 나서 먼저 FIN을 보내고 TIME_WAIT에 걸렸을시 곧바로 서버를 재가동 시키지 못하는 불상사가 발생한다.

UDP

  • 데이터 전송을 보장하지 않으므로 제한도니 용도로만 사용된다.

  • 음성 데이터나 실시간 스트리밍과 같이 시간에 민감한 프로토콜이나 애플리케이션을 사용하는 경우나 사내 방송이나 증권 시세 데이터 전송에 사용되는 멀티캐스트처럼 단방향으로 다수의 단말과 통신해 응답을 받기 어려운 환경에서 주로 사용한다.

  • 스트리밍 서비스의 경우 특히 데이터가 몇 개쯤 유실되는 것보다 재전송하기 위해 잠시 동영상이나 음성이 멈추는 것을 더 이상하게 느낄 것이다.

  • UDP는 TCP의 3방향 핸드셰이크 절차를 사용하지 않지만, 첫 데이터는 리소스 확보를 위해 인터럽트를 거는 용도로 사용되고 유실된다.

  • UDP 프로토콜을 사용하는 애플리케이션은 대부분 TCP 프로토콜로 먼저 연결 확립을 한 후 애플리케이션끼리 연결이 완료되면 실제 데이터만 UDP를 통해 전달한다.

장비

  • 로드 밸런서

    • 애플리케이션 구분자인 포트 번호와 패킷의 시퀀스 번호, ACK 번호를 이용해 부하를 분산한다.

    • 대표 IP는 로드 밸런서가 갖고 로드 밸런서가 각 웹 서버로 패킷의 목적지 IP 주소를 변경해 보내준다.

  • 방화벽

    • 방화벽을 통과하는 패킷의 3,4계층 정보를 확인하여 패킷의 통과/차단 기능을 수행한다.

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