ARQ와 TCP 의 차이점, 그리고 TCP Reno

ARQ와 TCP는 패킷의 오류를 제어한다는 특징을 가지고 있습니다.
그렇기에, 무엇이 다른지 알아보고자 합니다.  

⭐ Automatic Repeat Request (ARQ)

데이터의 신뢰성을 보장하기 위해 사용하는 오류 제어 메커니즘을 Automatic Repeat Request(이하 ARQ)라 부릅니다.

ARQ 종류에는 Stop-and-Wait ARQ , Go-Back-N ARQ , Selective Repeat ARQ 가 있습니다.

 

• Stop-and-Wait ARQ

전송후 대기 프로토콜로 부르기도 합니다.

이 방식은 패킷을 전송하고 그 패킷에 대한 수신 확인 응답(ACK)을 받고나서, 다음 패킷을 전송하는 방식입니다.

 

장점은 순차적으로 패킷을 보내기 때문에 구현이 쉽고, 패킷에 손상이 적은 환경에 적절합니다.

단점은 하나의 패킷당 네트워크를 왕복하는 시간이 걸리기 때문에 많은 패킷을 보내거나 패킷 손상이 많은 환경에서 효율이 떨어집니다.

 

• Pipelining (파이프라이닝)

이후에, 전송된 패킷에 대한 수신 확인 응답을 받지 않고도 여러 요청을 보낼 수 있는 파이프라이닝이 나오게 되었습니다.

파이프라이닝을 통해 수신 확인 응답을 받지 않아도 다음 패킷을 전송하게 되었습니다.

이 파이프라이닝 기법을 사용한 것이 Go-Back-N ARQ , Selective Repeat ARQ 입니다.

 

• Go-Back-N ARQ

송진자는 수신 확인 응답(ACK)를 받지 않고도, 일정 수의(N개) 패킷을 연속적으로 전송합니다.

만약, 수신자가 패킷의 오류를 감지하면 NAK메시지 대신 해당 패킷의 Sequence Number 를 가지고 ACK로 송신자에게 알려줍니다.

이렇게 손실된 단 하나의 패킷 Sequence Number 만을 보내고, 그 이전에 받은 Sequence Number 는 보내지 않는 다는 의미에서 누적ACK  방식이라 합니다.

그리고, 송신자는 해당 Sequence Number 로 SendBase 를 갱신합니다.

* Sequence Number : 패킷의 순서를 매긴 번호입니다.

* SendBase : 송신자가 가장 먼저 전송한 데이터 중 아직 ACK를 받지 못한 가장 작은 Sequence Number

 

• Selective Repeat ARQ

Go-Back-N 방식처럼 수신 확인 응답(ACK)를 받지 않고, 일정 수의(N개) 패킷을 연속적으로 전송합니다.

하지만, Go-Back-N ARQ 와 다르게 손실된 패킷에 대해서만 재전송합니다.

또한, 손실 패킷에 대한 정보를 알려주는 방식이 다릅니다. 누적 ACK방식이 아닌 NAK 메시지를 통해 손실된 패킷을 송신자에게 알려줍니다.

 

⭐TCP와 ARQ의 차이점은 무엇인가?

1. TCP는 패킷을 올바르게 수신하지 못할 때, NAK 를 보내지 않는다.

 

TechTarget :NACK (NAK, negative acknowledgment, not acknowledged) 의 일부 입니다.

"TCP는 손실되거나 손상된 메시지의 재전송을 시작하기 위해 일반적으로 명시적인 NACK(Negative Acknowledgment) 메시지를 사용하지 않는다." 를 말하고 있습니다.

TCP does not ordinarily use an explicit NACK message to initiate a retransmission of a dropped or damaged message.

 

그러면 TCP는 어떤 방법을 사용할까요? 

Wikipedia - Fast retransmit 에는 다음과 같이 설명합니다.

 

TCP는 수신자가 중복된 3개의 ACK 응답을 받으면 해당 패킷을 '빠른 재전송' 기법으로 손실된 패킷을 보냄으로써 NAK(NACK) 메시지를 대체합니다. 

* 빠른 재전송 : 타임아웃에 상관없이 ACK에 해당하는 패킷을 재전송하는 것입니다.

* 타임아웃 : TCP에서 송신자가 패킷을 보내고, 수신자에게 ACK를 받기 까지의 시간을 재는데 이 시간을 넘기는 것을 타임아웃이라 합니다.

타임아웃이 발생하면 송신자는 패킷이 손실된 것으로 간주하고, 패킷을 다시 보내게 됩니다.

When a sender receives three duplicate acknowledgments, it can be reasonably confident that the segment carrying the data that followed the last in-order byte specified in the acknowledgment was lost

Fast retransmit is an enhancement to TCP that reduces the time a sender waits before retransmitting a lost segment. A TCP sender normally uses a simple timer to recognize lost segments. If an acknowledgment is not received for a particular segment within a specified time (a function of the estimated round-trip delay time), the sender will assume the segment was lost in the network and will retransmit the segment.

 

2. ARQ는 전송 & 데이터 링크 계층에서 사용, TCP 는 전송 계층에서 사용합니다.

 

3. ARQ 는 패킷의 오류만을 제어하지만, TCP는 패킷의 오류 제어, 혼잡 제어, 흐름 제어도 합니다.

 

• TCP의 오류 제어

TCP에서 패킷의 오류가 발생했을 때, Go-Back-N 의 누적 ACK 방식처럼 작동하다는 점에서 Go-Back-N 메커니즘을 사용합니다. 하지만, 오류가 발생한 패킷 이후로 전체 보내지 않고, Selective-Repeat 처럼 해당 패킷만 재전송합니다.

이를 통해, TCP의 오류제어는 Go-Back-N 과 Selective-Repeat 을 혼합한 방식을 사용하고, 오류가 발생한 패킷을 받기 위해 중복된 3개의 ACK 응답 & 빠른 재전송을 사용합니다.

 

• TCP의 흐름 제어

송신 측과 수신 측이 데이터 전송 속도를 조절하여 송신 측이 보낸 데이터를 수신 측이 처리하지 못하는 상황을 방지하는 것입니다. 이를 위해 수신 측은 송신 측에게 받을 수 있는 데이터 양(window size)을 TCP 헤더의 window 필드에 담아 보냅니다. 만약, 수신 측이 0을 window 필드에 담아서 보내게 되면 송신 측은 데이터 전송을 중단하고, persist Timer 를 시작합니다. 이 Timer 가 끝나면 송신 측은 수신 측에게 작은 패킷을 보내 데이터를 보내도 되는지 확인합니다.

 

• TCP의 혼잡 제어

패킷의 과도한 전송으로 인해 발생하는 혼잡을 방지하고, 네트워크 성능을 최적하기 위해 TCP가 사용하는 메커니즘입니다. 혼잡 제어의 전략으로 TCP Reno, TCP Tahoe 가 있는데 TCP Reno 에 대해 가볍게 소개하겠습니다.

 

⭐TCP Reno 동작 원리

1. Slow start - 느린 시작

초기 연결이 설정되면 송신 측은 처음부터 많은 데이터를 보내지 않고, 작은 혼잡 윈도우(congestion window, 이하 cwnd) 크기인 (1, 2, 4, 10 , Max Segment Size 이하 MSS)로 시작합니다. 이러한 cwnd 의 크기는 RTT(왕복 시간) 마다 2배로 늘립니다.

그러다 cwnd 가 OS임계값에 도달하게 됩니다.

 

2. Congestion Avoidance - 혼잡 회피

cwnd 가 OS의 특정 임계값에 도달하면 혼잡 회피 단계로 cwnd 를 최대 1 Segment Size 씩 늘리게 됩니다.

 

3. Fast Retransmit - 빠른 재전송

TCP Reno 는 중복된 3개의 ACK 가 발생하면, 해당 패킷이 손실되었다고 판단하여 타임아웃을 기다리지 않고 즉시 손실된 패킷을 재전송합니다. 이 때, TCP Tahoe 는 타임아웃이 발생할 때까지 기다린다는 차이에 의해 TCP Reno 가 재전송을 더 빠르게 처리하게 됩니다.

 

4. Fast Recovery - 빠른 회복

패킷의 손실이 발생된 후 TCP Tahoe 와 TCP Reno 모두 임계값을 현재 cwnd 의 절반으로 설정합니다.

하지만, TCP Tahoe 는 이 단계에서 cwnd 의 값을 1 로 줄이며 '느린 시작' 단계로 돌아가지만, TCP Reno 는 cwnd 를 절반으로 줄이고, '혼잡 회피' 단계를 유지합니다.

 

 

출처

- StackOverflow : Differences between TCP and Go Back N

- JSCODE : 네트워크 - TCP & UDP,

- TCP Tahoe and TCP Reno

- wikipedia - TCP congestion control

- GeeksForGeeks - ARQ,