[CS] Computer Networking - Transport layer(2): rdt

📚컴퓨터 네트워크 전공 수업 정리

rdt(Reliable Data Tranfer)

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RDT(Reliable Data Tranfer): 네트워크를 통해 데이터를 안정적으로 전송하기 위한 규칙 및 메커니즘의 집합

• application layer입장에서는 보내기만 하면 reliable이 보장 된다고 생각한다.
  • transport layer에서는 reliable을 보장해주어야한다
• rdt protocol을 구현할 때, 통신 채널의 신뢰성 여부가 프로토콜의 complex를 결정한다.
  • ex: 만약 데이터 전송 채널이 신뢰적이지 않다면 데이터 패킷이 손상되거나 유실될 가능성이 높아진다.
  • 이를 보완하기 위한 rdt protocol은 더 복잡하고 안정적인 오류 제어 및 재전송 매커니즘이 필요
• APP - TP - NET으로 직접 연결되어있으니 TP는 APP, NET 이렇게 둘만 소통할 수 있으면 된다.
• 이 소통을 위한 인터페이스는 다음과 같다:

1. rdt_send(): APP이 다른 APP으로 데이터를 송신할 때 Trans 계층에게 data를 담아 rdt_send(data)를 호출
2. udt_send(): 데이터를 받은 Trans는 데이터에 Trans header를 붙이고 아래 계층인 NET 계층으로 udt_send(packet)를 한다
3. rdt_rcv(): receiver의 NET은 rdt_rcv(packet)로 받아온 패킷를 올려보낸다
4. deliver_data(): Trans는 Trans header를 빼고 온전한 데이터만을 deliver_data()로 APP에게 올려보낸다

rdt 1.0

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가장 간단하게 손실도 일어나지 않고 비트 에러도 일어나지 않는 reliable 네트워크 상황이라고 가정해보자 → 손실을 위한 재전송 요청을 할 필요도 없고, 에러 체킹도 안해도 된다

FSM은 sender와 receiver 입장 이렇게 2개를 고려

sender는 APP계층에서 rdt_send(data)가 발생 → Trans 계층에서 packet을 생성 → 만든 packet을 NET 계층으로 전송(udt_send(packet))
receiver는 rdt_rcv(packet)으로 패킷이 올라오면 패킷에서 데이터를 추출 → 추출한 data를 deliver_data(data)로 APP 계층에게 올려보냄

rdt 2.0

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이번엔 네트워크에서 bit error가 발생할 수 있다고 가정. 어떤 action을 해야할까?

✅Checksum 필드로 파악 가능 그럼 bit error가 발생했을 때 재요청은 어떻게 구현해야하는가?

• sender측에서 데이터가 잘 보내졌는지 파악해야함 이는 ack(aknownledgements)와 nak(negative aknownledgements)로 판단

• receiver가 잘 받았으면 sender에게 ACK 전송, 못받았으면 NAK 전송
• sender는 데이터를 보내고, receiver에게서 오는 ack또는 nak를 기다림
  • ACK가 오면 해당 데이터 업무 종료, NAK가 오면 데이터 재전송 후 다시 ack또는 nak 기다림

• rdt2.0에서의 새로운 매커니즘(rdt 1.0과 비교)
  ✅ 에러 감지
  ✅ 피드백: receiver가 sender에게 ACK,NAK 전송으로 피드백

ACK, NAK에도 bit error가 발생하는 경우는?

그게 rdt 2.1

rdt 2.1

그럼 데이터를 재전송 하면 되는가? → receiver는 전송된 결과가 이미 왔던건지 모름(중복 패킷 구분 X) → duplicate 가능성 있음

✅ duplicate 해결 방법:

• sender는 ACK, NAK에서 corrupt가 일어나면 패킷 재전송
• sender는 각각의 패킷에 sequence number를 붙임
• receiver는 받은 패킷이 왔던것이면 버리고 새것이면 처리해줌(ACK/NAK은 무조건 보냄)

✅ error ACK/NAKs 처리하기 = duplicate 문제점 해결을 위해 sequence number 이용

sender의 FSM

• sender는 패킷에 0, 1이라는 sequence #를 포함
• 0을 보낼 차례, 1을 보낼 차례를 구분하는 상태로 분리
• 0 전송 상태 → make_pkt에 0을 담아 패킷을 만들고 전송
• 0번 패킷이 잘 도착했는지 기다리는 상태인 wait for ACK or NAK 0
• 비트 에러 판단하는 corrupt()함수 추가
  • 만약 비트에러가 있다면 재전송
  • 멀쩡한 ACK라면 1을 보내야하는 상태로 진입
  • 데이터 내려오면 1을 담아 패킷 전송
  • ACK/NAK waiting

receiver의 FSM

• rdt2.1에서의 새로운 매커니즘(rdt 2와 비교) ✅ACK, NAK 패킷 비트 에러, 중복 패킷 비교, 중복 패킷 버리기 대응을 추가

그럼 ACK, NAK 두 개 전부 필요할까?

ACK만 사용해서 2.1을 구현하는게 rdt 2.2

rdt 2.2

✅ NAK 대신 ACK만 활용 - OK받은 마지막 패킷에 대해 ACK 보내줌 → receiver가 ACK메세지를 보낼 때, ACK메시지에 포함된 시퀀스 번호가 receiver가 받은 패킷 중에서 어떤 패킷을 ACK하고 있는지 명확하게 표시해야한다 (=ACK에 sequence number 포함해서 전송) → 중복된 ACK 받으면 현재 패킷을 전송함

seq #0에 대한 그림(1은 숫자만 바꾸면 됨)

• sender: 0번 전송 후 ACK 0 wating 상태로 전환
  • 만약 ACK 1을 받게되었다면 packet 재전송
• receiver: 0번 패킷 수신 → 체크섬과 함께 ACK 1을 전송 → 1을 기다리는 상태로 전환
  • 만약 0번이 중복으로 왔다면 ACK 1을 재전송

rdt 3.0

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rdt 3.0: bit error뿐만 아니라 packet loss까지 고려한 protocol

❌데이터 패킷과 ACK, NAK도 손실될 수 있음

1. sender가 보낸 packet이 loss된 경우
2. receiver가 보낸 ACK가 loss된 경우 ✅ 무작정 기다릴순 없으니 timer를 만듦
   → 일정시간이 지나면 재전송

• 초기상태: 패킷 만들고 전송 한 후 타이머 시작해서 다음 상태로 넘어감
• 왔는데 시퀀스 넘버가 다르거나 문제가 있으면 타이머는 그냥 흘러가도록 놔두고 상태 유지
• 타임아웃이 걸리면 재전송하고 타이머 다시 시작 하고 상태 유지
• ACK이 제대로 오면 타이머 스탑하고 다음 상태로 넘어감

(b), (c)의 경우 timeout이 되면 다시 정상화

• (d)이미지
  • timer를 짧게해서 ACK가 오기전에 timeout발생
  • 작동은 하지만 불필요한 재전송으로 duplicate가 많다
  • 반면 timer를 너무 길게하면 loss 발생 시 복구가 오래 걸림
  • 적당한 timer구현이 중요

performance of rdt 3.0

rdt 3.0은 stop and wait(timer에 의존) 때문에 성능이 좋지 않음

전송속도 1Gbps, 전파속도 15ms, 8000bit의 패킷을 보낸다, sender-receiver사이가 회선으로 연결되어있다고 가정

• 전송시간 : 패킷 내보내는데 걸리는 시간 : 8 usec
• 전파시간 : 한 패킷이 끝까지 가는데 걸리는 시간 : 15ms
• 보내는데 총 시간 = 전송시간 + 전파시간 = 15.008ms
• ACK은 비트수가 작기 때문에 전송시간 매우 작다고 판단해서 무시하고 전파시간만 고려
• 따라서 패킷이 가는데 걸리는 시간 + ACK이 오는데 걸리는 시간 = 15.008 + 15 = 30.008ms
• 8000비트 보내고 ACK 받는데 30.008ms 소요
• 효율성이 매우 떨어진다. (효율성이 1이 제일 좋음)

이를 보완하기 위해 pipelined protocols 사용

piplined protocols

• ACK의 유무 상관없이 뭉텅이로 패킷을 전송하고 그 뒤에 ACK뭉텅이를 받는다.

• 두가지 일반적인 파이프라인 프로토콜 형태: go-Back-N, selective repeat

  1. Go-Back-N(GBN)

  : 손상된 패킷을 제외한 모든 패킷이 성공적으로 수신되어야만 다음 패킷을 전송할 수 있는 형태의 파이프라인 프로토콜

• sender는 최대 n개의 확인되지 않은 (unacked) 패킷을 파이프라인 상에 가지고 있음
  → 이 때 N은 window size
• receiver는 cumulative ack만을 보낸다
  → 빈 공간이 있을 경우 해당 패킷을 확인하지도, 응답하지 않음 (ack 안함)
• sender는 가장 오래 확인되지 않은 패킷에 대한 timer를 가지고 있으며, 타이머가 만료되면 모든 확인하지 않은 패킷을 다시 전송한다.

2. Selective Repeat

: 패킷 손실이 발생해도 다른 패킷들은 계속 전송될 수 있음 → 전송 시간을 최적화

• sender는 최대 n 개의 확인되지 않은 패킷을 보낼 수 있다.
• receiver는 각 패킷에 대한 individual ack을 보낸다.
• sender는 각 확인되지 않은 패킷에 대한 타이머를 유지한다.
  → 타이머가 만료되면 sender는 해당 확인되지 않은(unacked)패킷만 재전송한다.