컴퓨터 네트워크 3 : transport layer 1

1. Transport-layer services

1. Transport services and protocols

• logical communication : 각기 다른 host에 존재하는 application이 서로 연결된 것처럼 보이게 하는 것
• segments : transport 계층에서 packet을 부르는 말
• TCP, UDP : network application에서 사용 가능한 하나 이상의 transport layer protocol

2. Transport vs. network services and protocols

• network layer : hosts 사이의 logical communication
• transport layer : process 사이의 logical communication
• 편지 배달로 비유하기
  • application message : 봉투안의 편지
  • process : 형제들
  • host : 집
  • transport protocol : '앤', '빌'
  • network protocol : 우편 서비스

3. Transport Layer Actions

• cf) 각 layer 별 packet 이름
  • application : message
  • transport : segment
  • network : datagram, packet
  • link : frame
• sender
  • application layer로 부터 message 받음
  • segment header 결정
  • segment를 IP(network layer)로 보낸다.
• receiver
  • IP로부터 segment 받음
  • header를 체크해서 application layer message 추출
  • demultiplex message

4. Two principal Internet transport protocols

• TCP (Trnasmission Control Protocol)
  • reliable, in-order : 안정적이며(packet 손실x), 순서대로
  • congestion control 수행
  • 신뢰적, 연결지향
• UDP (User Datagram Protocol)
  • unreliabel, unordered
  • 비신뢰, 비연결성
• TCP와 UDP 모두 보장하지 못하는 것
  • delay guarantee
  • bandwidth guarante

2. Multiplexing and Demultiplexing

1. Introduction

• demultiplexing
  • transport layer로 도착한 data(segment)를 올바른 socket(application layer의 process)로 전달하는 역할
• multiplexing
  • sender의 host에서 segment를 생성하기 위해 transport header 정보로 캡슐화 하여 network 계층으로 보내는 작업

2. How Demultiplexing works

• IP address(host에 대한 정보)와 port number(process에 대한 정보) 를 이용해서 segment를 올바른 socket으로 보낼수 있다.

3. Connectionless demultiplexing (UDP)

• source IP주소나 port #이 다른 UDP segment의 경우 dest IP와 port #가 같다면 같은 도착지로 source가 이동한다.
• 식별자로 source port #와 dest port #을 가진다.

4. Connection-oriented demultiplexing (TCP)

• UDP 소켓과의 차이점은 TCP는 source IP, port #, dest IP, port # 네개의 식별자를 가진다는 점
• demux : 수신자는 4개의 모든 식별자를 사용해서 적합한 socket 찾는다.
• segment의 식별자에 source의 port#이 다르고 도착지 port #이 같은 경우라면 다른 dest socket으로 들어간다. (UDP와의 차이점)
  

3. Connectionless transport : UDP

1. UDP : User Datagram Protocol

• UDP는 최소한의 기능만을 가지는 가벼운 transport protocol이다.
• 특징
  • best effort <-> guaranteed
  • connectionless
    • no handshaking -> no RTT incurred
    • handled independently
• 왜 UDP 쓸까
  • simple, small header size, fast
• 사용분야
  • Streaming multimedia apps
  • DNS
  • SNMP
  • HTTP/3

2. UDP : Transport Layer Actions

• sender
  • message 보내기
  • UDP segment header 결정, segment 만들기
  • IP에게 segment 보내기
• receiver
  • IP로부터 segment 받기
  • UDP checksum header 체크
  • message 추출
  • demultiplexing

3. UDP segment header

4. UDP checksum

• 목표 : detect errors in transmitted segment
• 시나리오
  • sender 입장에서 checksum에 3,4,7,5의 합인 19를 가지고 있다.
  • receiver 입장에서 3,4 8(달라진 숫자),5 라면 checksum이 20이 되므로 sender가 보낸 것과 다른 값이 들어왔음을 통해 error를 detect 할 수 있다.

5. Internet checksum

4. Principles of reliable data transfer

1. RDT (reliable data transfer)

• 추상화
• sender는 receiver의 상태를 모른 상태로 정보를 주고받아야 한다.

2. RDT: interfaces

3. RDT: getting started

• unidirectional data transfer 만 고려
• FSM (finite state machine) 로 sender와 receiver 나타냄
  • $\frac{event}{actions}$ 형태

4. rdt 1.0: reliable transfer over a reliable channel

• 아래의 계층은 안정적이라는 것을 가정
  • no bit error
  • no loss of packets
• sender와 receiver를 분리 (손실없이 안정적인 상황)
  

5. rdt 2.0: channel with bit errors

• 아래의 계층에서 packet의 bit flip이 일어날 수 있다.
• 그렇다면 어떻게 해결할 것인가?
  • data가 깨졌는지 확인 -> 다시 보내달라고 요청하기
  • sender가 data 보내고 stop
  • wait 해서 ACK or NAK 체크 후 다시 동작
• error를 recover하는 방법!
  • acknowledgements(ACKs)
    • 제대로 신호를 받은 경우 sender에게 알려주기
  • negative acknowledgements(NAKs)
    • 데이터가 깨진 경우 다시 보내달라는 신호 주기

6. rdt 2.0: FSM specifications

• receiver의 상태는 모른다..
  

7. rdt 2.0: operation with no errors

8. rdt2.0 has hatal flaw

• ACK과 NAK이 깨질 때
  • sender는 receiver에서 무슨일이 일어났는지 모른다
  • 재전송을 한다면 복제되는 문제 발생
• handling dulplicate (복제 문제 해결책) -> rdt2.1
  • ACK/NAK corrupt 되면 sender는 현재의 pkt 다시 전송 이때 sequence number를 pkt에 추가하여 보내기!!!
  • receiver는 복제된 pkt 삭제

9. rdt2.1 sender

10. rdt2.1 receiver

11. rdt2.2: a NAK-free protocol

• rdt2.1이랑 기능은 같지만 NAK이 없다!
• 대신 ACK이 seq #를 가지고 있다.
• TCP가 쓰는 방식
  

12. rdt3.0: channels with errors and loss

• lose packet 한 경우 고려하기
• timeout을 통해 해결
  • sender는 ACK을 기다리는 시간의 최대점을 두고 이 시간을 넘어서도 ACK이 오지 않는다면 loss된 것으로 생각

13. rdt3.0 sender

14. rdt3.0 sender (specific view)

15. rdt3.0 in action

16. performance of rdt3.0 (stop-and-wait)

• Utilization vs Throughput
  • Utilization : 전체중에서 몇 %를 일했는가
  • Throughput : 단위 시간중 유용한 일을 한 시간! (packet 전송을 성공한 경우만 생각)
• Utilization of sender(사실은 throughput)계산 예시
  
  • $D_{trans}=\frac{L}{R}=\frac{8000bits}{10^9bits/sec}=8\mu sec$
  • $utilization = \frac{8\mu sec}{15ms+15ms+8\mu sec}$

17. rdt3.0: stop-and-wait operation

• rdt3.0 protocol의 performance는 매우 좋지 않다.
• 이유는 packet을 하나 보내고 그에 대한 확인이 올때까지 다른 일을 안하기 때문에
• packet을 여러개 한번에 보내서 해결한다.

18. rdt3.0 pipelined protocol operation

• pipelining : receiver의 확인 없이 packet을 계속 보내는 방식
  
• stop and wait 방식은 성능이 좋지 않아서 아래의 두가지 방식 쓴다
  • Go-back-N
  • Selective repeat

19. Go-Back-N: sender

• 최대 N개의 window size를 가지고 packet을 받아오기
  
• cumulative ACK
  • ACK(n)은 n번까지의 packet을 잘 받았다는 의미
  • window size도 n만큼 뒤로 밀어주기!
  • timeout(n) : timeout이 발생한 경우 window size 내의 모든 packet을 재전송 한다.

20. Go-Back-N: receiver

• ACK only : 순서대로 ACK 전송한다.
• IF) 순서가 달라진 경우.... 폐기하거나 버퍼에 저장한다.(이것은 구현을 어떻게 하느냐에 따라 다르다)

21. Go-Back-N in action

• sender가 보낸 것이 loss된 경우 receiver는 올바른 순서가 오기 전까지 discard하고 제대로 동작한 마지막 ACK을 보낸다
• sender 입장에서 올바른 ACK이 오지 않아서(duplicate ACK만 온다) timeout 발생 -> window size안에있는 모든 packet 다시 재전송
• loss된 경우 packet을 discard하는것이 낭비이다 -> selective repeat으로 해결

22. Selective Repeat

• sender
  • send_base를 가지고 있어서 ACK을 받지 못한 가장 오래된 packet에 대한 정보를 가진다.
  • timeout(n) : packet n을 다시 보낸다. (timer 초기화)
  • ACK(n) in [sendbase, sendbase+N]
    • window size 범위안에 있는 것에 대한 ACK 받음
    • n이 ACK이 오지 않은 가장 작은 packet이라면 window size를 ACK이 오지 않은 가장 작은 다음 packet까지 옮긴다.
• receiver
  • rcv_base를 통해 예상되지만 아직 받지 못한 곳을 알려준다.
  • packet n in [rcvbase, rcvbase+N-1]
    • send ACK(n)
    • 순서 바뀐 경우 : buffering
    • 순서 맞은 경우 : 전달
  • packet n in [rcvbase-N, rcvbase-1]
    • send ACK(n)
  • otherwise
    • 무시

23. Selective Repeat in action

• go back n과 달리 individual ack을 사용한다.

24. Selective repeat's dilema

• seq #에 따라 이전까지 모두 잘 보내져서 새로운 패킷이 들어오는 것인지 아니면 모든 패킷이 다 loss되서 이전 패킷이 들어오는지 구별 못하는 문제 발생할 수 있다.
  • 해결 : seq#의 크기 >= 2*window_size