기출 sliding window

질문

네트워크 전송에서 슬라이딩 윈도우(Sliding Window) 알고리즘에 대하여 설명하시오.

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답변

1. 슬라이딩 윈도우(Sliding Window) 알고리즘 개념

슬라이딩 윈도우 알고리즘은 데이터 전송의 흐름 제어(Flow Control)와 오류 제어(Error Control)를 위해 사용되는 방식입니다. 송신 측과 수신 측 간의 데이터 흐름을 동적으로 조절하여, 효율적인 데이터 전송과 안정성을 보장합니다.

• 윈도우(Window):
  송신 측에서 ACK(Acknowledgment)를 받기 전에도 송신 가능한 데이터 블록의 최대 크기를 의미.

  • 송신 윈도우(Send Window)
  • 수신 윈도우(Receive Window)

• 데이터는 순차적으로 전송되며, 송신 측은 수신 측으로부터 ACK를 받아야 윈도우를 슬라이딩하며 다음 데이터를 전송할 수 있습니다.

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2. 슬라이딩 윈도우의 주요 동작 원리

2.1. 윈도우 크기

윈도우 크기는 송신 측과 수신 측 간의 협상에 의해 결정되며, 네트워크 상태와 수신 측 버퍼 크기에 따라 변경됩니다.

• 송신 가능 데이터 = min(CWND, RWND)

2.2. 주요 개념

1. 송신 버퍼(Send Buffer)

   • 송신된 데이터 중 ACK를 받지 않은 데이터가 저장됨.
   • 송신 측은 ACK를 받으면 해당 데이터를 삭제하고, 새로운 데이터를 버퍼에 추가함.

2. 수신 버퍼(Receive Buffer)

   • 수신된 데이터가 임시로 저장되는 공간.
   • 순서대로 정렬된 데이터만 애플리케이션 계층으로 전달됨.

3. ACK 응답

   • 수신 측은 받은 데이터의 순서를 확인하고, 정상적으로 수신한 경우 ACK를 송신 측으로 보냄.
   • 중복 ACK가 발생하면 송신 측은 패킷 손실 가능성을 인지함.

2.3. 데이터 전송 절차

1. 초기 상태:

   • 송신 측은 수신 측이 제시한 윈도우 크기만큼 데이터를 전송 가능.

2. ACK 수신:

   • 수신 측이 ACK를 송신하면, 송신 윈도우는 ACK된 데이터 크기만큼 슬라이딩(이동).
   • 이후 새로운 데이터를 추가로 전송.

3. 재전송:

   • 패킷 손실이 발생하면, 송신 측은 손실된 패킷을 재전송.
   • 일반적으로 타임아웃(Timer) 또는 중복 ACK를 통해 손실을 감지.

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3. 슬라이딩 윈도우 종류

3.1. Stop-and-Wait

• 가장 단순한 형태의 오류 제어 기법.
• 특징:
  1. 한 번에 한 패킷씩 전송하고, ACK를 받을 때까지 대기.
  2. 단순하지만, 대역폭 활용률이 낮음.
• 단점: 네트워크 지연이 긴 경우 전송 속도가 급격히 저하됨.

3.2. Go-Back-N

• 송신 측은 N개의 패킷을 한 번에 전송 가능.
• ACK를 받지 못한 패킷 이후의 모든 패킷을 재전송.
• 특징:
  1. 순서 보장.
  2. 패킷 손실 시 재전송량 증가 가능.

3.3. Selective Repeat

• Go-Back-N의 비효율성을 개선한 방식.
• 손실된 패킷만 재전송.
• 특징:
  1. 재전송량 감소.
  2. 구현 복잡도 증가.

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4. 슬라이딩 윈도우의 장단점

4.1. 장점

1. 대역폭 효율적 활용:
   송신 측이 ACK를 기다리지 않고 여러 패킷을 전송 가능.

2. 데이터 전송 속도 향상:
   Stop-and-Wait 방식 대비 높은 처리량 제공.

3. 유연성:
   네트워크 상태와 수신 측 버퍼 크기에 따라 윈도우 크기를 조정 가능.

4.2. 단점

1. 복잡성 증가:
   Go-Back-N, Selective Repeat 구현이 비교적 복잡.

2. 버퍼 관리 문제:
   수신 측과 송신 측에서의 버퍼 관리가 필요.

3. 패킷 손실 시 성능 저하:
   패킷 손실이 빈번하면 재전송으로 인해 성능 저하 가능.

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5. 슬라이딩 윈도우와 TCP에서의 활용

TCP(Transmission Control Protocol)는 슬라이딩 윈도우 알고리즘을 기반으로 작동합니다.

1. 혼잡 제어:
   CWND(Congestion Window)와 함께 슬라이딩 윈도우를 사용하여 혼잡 상황을 제어.

2. 흐름 제어:
   RWND(Receive Window)를 활용하여 수신 측의 처리 용량에 맞게 전송량을 제한.

3. 데이터 신뢰성 보장:
   패킷 손실 시 재전송을 통해 데이터의 순서 보장.

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6. 전망 및 개선 방향

1. 고속 네트워크 지원:
   고속 네트워크 환경에서 슬라이딩 윈도우 크기를 동적으로 확장하는 연구 필요.

2. 에너지 효율 개선:
   무선 네트워크에서 전송 효율을 높이고, 전력 소모를 줄이는 알고리즘 도입.

3. 머신러닝 활용:
   네트워크 상태를 학습하여 최적의 윈도우 크기를 동적으로 조정.

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결론
슬라이딩 윈도우 알고리즘은 데이터 전송의 효율성과 신뢰성을 보장하는 핵심 기법으로, TCP와 같은 주요 프로토콜에서 널리 사용됩니다. Go-Back-N, Selective Repeat 등 다양한 변형 방식으로 활용되며, 네트워크 기술 발전에 따라 지속적으로 개선되고 있습니다.