[CS] Computer Networking - Transport layer(1): Multi/Demulti, UDP

📚컴퓨터 네트워크 전공 수업 정리

Transport Layer

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Transport Layer: 서로 다른 컴퓨터에서 실행 중인 프로그램들이 마치 직접 연결된 것처럼 데이터를 주고받을 수 있게 해주는 역할

Transport layer는 Application layer에서 message를 받으면 segment로 나눔.
그 segment는 Network layer에서 packet형태로 변환되어 receiver에서 수신됨

Two principal Internet transport protocols

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TCP(Transmission Control Protocol)

• reliable 데이터 전송: 데이터가 손실되지 않도록 보장
• in-order delivery: 보낸 순서대로 데이터가 도착함
• congestion control: 네트워크 상황에 따라 데이터 전송 속도 조절
• flow control: 수신자의 처리 능력에 맞춰 데이터 전송
• connection setup: 데이터 전송 전에 연결을 먼저 설정

UDP(User Datagram Protocol)

• unreliable: 데이터 손실이 발생할 수 있음
• unordered delivery: 보낸 순서와 다르게 도착할 수 있음
• 단순함: TCP보다 단순한 구조

❌다음 두 서비스는 TCP와 UDP 모두 제공 안함

• delay guarantees: 특정 시간 내에 데이터가 도착한다는 보장 없음
• andwidth guarantees: 특정 전송 속도를 보장하지 않음

Multiplexing/Demultiplexing

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Multiplexing: 다수의 소켓으로부터 데이터를 수집하여 네트워크 층에서 처리 가능한 데이터를 만들기 위해 분할하는 과정
Demultiplexing: 수신 측에서 도착한 세그먼트를 해당 소켓으로 전달하기 위해 수신 측 포트 번호를 사용하여 세그먼트를 구분하는 과정

즉, Multiplexing은 원하는 Socket으로 보내기 위한 과정**이고 **Demultiplexing 은 Segment에서 넘어온 정보를 받는 과정

Multiplexing

• Client1(프로세스 p3 실행), Client2(프로세스 p4 실행)
• Server(프로세스 p1, p2 실행)

p1 ↔ p3, p2 ↔ p4 연결됨

• p1, p2에서 소켓을 통해 transport layer로 데이터를 밀어낸다.
• 하지만 transport layer는 하나이다.
• 때문에 transport layer는 오는 데이터를 각 소켓에서 transport header를 붙여 segment로 만든다.(캡슐화)
• 그리고 segment들을 네트워크 계층으로 전달한다

Demultiplexing

Demultiplexing은 다음과 같이 동작:

1. host가 IP datagram을 수신한다.
2. 각 datagram은 source IP, destination IP주소를 가지고 있음
3. 각 datagram은 transport-layer segment를 carrie한다!
4. 각각의 segment는 source, destination의 port 번호를 가진다.
5. host는 IP adderss & port number를 사용하여 segment를 적절한 socket으로 전달

source, dest port # 는 각각 16bits
약 65,000개 port 지정 가능!

Connectionless Demultiplexing : UDP

UDP socket 생성 → destination IP, destination port의 socket으로 전달 → 받는 쪽에서 IP, port를 본다 (transport layer에서는 port 만 확인) → connectionless에서는 destination만 같으면 같은 socket으로 연다

• 서로 다른 클라이언트에서 온 데이터그램이라도 destination port가 같으면 socket을 하나만 연다

Connextion-oriented demultiplexing : TCP

• TCP는 UDP와 달리 4-tuple로 socket을 식별한다:
  1. source IP address
  2. source port number
  3. dest IP address
  4. dest port number

dest IP/port가 같아도 source IP/port에 따라 connection이 달라짐
socket을 각각 연다 → destination IP/port가 같아도 source IP/port가 다르면 각각 connection이 되고, socket도 각각 생성됨

UDP(User Datagram Protocol)

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no frills, bare bones Internet transport protocol : 아무런 장식없고 필수적인 것만을 갖춘 프로토콜

• best effort 서비스: 빠르게 데이터를 전송하되 신뢰성은 보장 X
• connectionless 통신: 연결 설정 및 해제 과정이 없음

✅UDP 특징:

1. Connectionless
   • handshaking 과정이 없음
   • 각 UDP segment는 독립적으로 처리
   • sender와 reciever 간에 연결 상태 정보 유지 안 함
2. Unreliable Transfer
3. Congestion control 없음
   • 네트워크 상황에 관계없이 데이터를 빠르게 쏟아부음

Source Port(16bits): 응답이 필요 없는 경우 0으로 설정할 수 있음
Destination Port(16bits): 데이터를 올바른 애플리케이션으로 전달하는 데 사용
Length(16bits): UDP header와 data를 포함한 전체 segment의 length(바이트 단위) Checksum(16bits): 전송 중 발생한 오류를 검출하기 위한 값

✅UDP 장점:

• no connection establishment: (딜레이가 추가될 수 있는) 연결설정 없음
• simple: 연결이 없기 때문에 간단함

• small header size

• UDP used by:
  • 스트리밍 멀티미디어(ex: youtube)
  • DNS 조회
  • SNMP (Simple Network Management Protocol)
  • HTTP/3(UDP 기반이지만 애플리케이션 계층에서 신뢰성 추가)
  • 온라인 게임

UDP Checksum

segment 전송 과정에서 error가 있는지 확인 = 깨진 bit가 있는지 확인

📚기본 개념:

1. sender는 데이터에 대한 체크섬 값을 계산하여 함께 전송
2. receiver는 받은 데이터에 대해 동일한 방식으로 체크섬을 다시 계산
3. 계산된 체크섬이 전송된 체크섬과 일치하지 않으면 오류가 발생했다고 판단

📝Checksum 계산 방법 UDP 체크섬은 1의 보수 합을 기반

1110 0110 0110 0110  (첫 번째 16비트 정수)
+ 1101 0101 0101 0101  (두 번째 16비트 정수)
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1 1011 1011 1011 1011  (합계, 맨 앞의 1은 carry)

  1011 1011 1011 1011  (결과)
+                   1  (carry를 다시 더함 - wraparound)
---------------------
  1011 1011 1011 1100  (최종 합계)
  
  0100 0100 0100 0011  (체크섬 - 1의 보수)

• sender는 계산된 값을 UDP header의 checksum 필드에 저장한다.
• receiver도 동일하게 계산하고 수신된 segment의 checksum 값과 비교
• 일치하지 않으면 오류가 감지된 것이고, 일치하면 오류가 없는 것으로 판단