📘 [Computer Network] TCP segments & ACK

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💡 TCP/IP datagram

📌 How much overhead?
20 bytes of TCP + 20 bytes if IP = 40 bytes + application layer overhead

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💡 TCP segment

MTU (Maximum Transmission Unit)
한 번에 통과할 수 있는 가장 큰 데이터의 크기
MSS (Maximum Segment Size)
MSS = MTU - (TCP header + IP header)

전체는 IP packet 이다.
만약 MTU 가 1500byte 라면 위 IP packet 의 최대 크기는 1500 byte이다.
MSS는 1500 - (20 + 20) = 1460 byte 이다.

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💡 TCP "Stream of Bytes"

TCP 는 데이터를 stream of bytes 형태로 host에 전송한다.

TCP segment MSS만큼 stream을 잘라서 전송한다.

• Segment sent when :
  • Max segment Size ; MSS
  • "Pushed" by application
    tesxt의 경우 MSS 를 채우기 위해서는 오랜 시간이 걸리기 때문에 카카오톡과 같은 어플에서는 MSS 를 채우지 않고 바로 push 해버린다.

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💡 Sequence Number

Sequence Number
byte stream 의 segment 안, 첫번째 byte의 byte number
segment가 순서에 맞게 도착했는지 알기 위해 packet에 number를 붙인다.

ISN은 랜덤하게 정해진다.

만약 TCP data를 80byte씩 끊고 (MSS is 80byte) ISN이 0 부터라면,
sequence number는 0~80, 81~160, 161~240 세 개의 packet에 대해서
0, 81, 161 이다.

📌 ISN도 sequence number 에 포함인가?

맞다. ISN도 sequence number의 일부이다.

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💡 ACK : acknowledgements

ACK (acknowledgements)
sender 에게 receiver가 data를 잘 받았다고 보내는 메세지
ack에는 다음에 보낼 packet의 sequence number 가 실려있다.

• no loss
  first ack number will be 1000.
  second ack number will be 2000.
  third ack number will be 3000. (because next sequence number is 3000)

• There is loss
  두번째 segment에서 receiver에게 보낼때 loss가 일어나고, 세번째 segment는 잘 전달이 된 상태라면?
  세번째 segment의 ack이 3000이 아니라 loss가 난 1000 이 된다.
  그리고 세번째 segment는 정상적으로 loss가 일어나지 않았기 때문에
  두번째 segment를 retransmit 해주면 두 번째 segment의 ack은 3000이 된다.
  (세번째 segment는 잘 받았기 때문에 ack 2000을 해 버리면 이미 받은 segment를 중복으로 받기 때문이다.)

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💡 Piggybacked

Piggybacked
ACK가 sender에게 다시 보내는 data header에 붙어가는 것을 말함

ACK information is included in the TCP header.
ACK는 TCP header 에 포함되어 있다.

데이터는 대부분 양방향으로 흐른다.
A가 B에게 데이터를 보내고 그 응답으로 B가 A에게 다시 데이터를 보내는 경우가 있다.
ACK는 이 경우 데이터의 header에 업혀서 A에게 보내진다.
이를 Piggybacked 라고 한다.

하지만 B가 A에게 보낼 응답 (데이터)가 없는 경우에는 ACK 단독으로 보내기도 한다.

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💡 Example for TCP seq.number and ACK

앞서 말했듯이 데이터는 양방향 통신이다.
위 그림처럼 한 쪽만 정보를 주는것이 아닌 서로 데이터를 주고받는다.

A → B
A는 B에게 42번부터 시작하는 데이터를 보낸다. (seq=42)
이때 header에 ACK정보를 같이보낸다. → Piggybacking

왜냐하면 A가 B에게 78번까지의 어떠한 데이터를 받았기 때문이다.
데이터를 잘 받았음을 알리기 위해 A는 B에게 ACK을 보낸다. (79번부터 B가 A에게 주면 돼.)


B → A
B는 A로부터 42번부터 시작하는 데이터를 받았다.
A가 요청한 데이터인 79번으로 시작하는 데이터를 보내준다. (seq=79)
이를 보내면서 A에게 데이터를 받았기에 B는 A에게 ACK을 보내줘야한다.
위에서 데이터의 크기가 1byte라고 명시되어있기 때문에 다음에 A가 보낼 데이터는 ACK=43이다.


A → B
A는 B에게 79번으로 시작하는 데이터를 받았다.
B가 ACK으로 "42번까지 데이터는 잘 받았고 43번을 줘" 라고 했으니
A는 43번으로 시작하는 데이터를 보낸다. (seq=43)
보낼 때, B에게 79번 데이터를 잘 받았으니 다음 데이터인 (위에 말했듯이 데이터 크기는 1byte로 명시) 80번을 달라고 한다. (ACK=80)

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위 그림은 A가 'HI!' 라고 보내면 B가 다시 'HI!'라고 보내준다. ( HI! = 3byte )

A → B
A는 B에게 42번부터 (seq=42) 데이터를 보내려고한다.
또한 A는 B에게 78번까지 데이터를 받았다.
데이터를 잘 받았다고 B에게 알려줘야하기 때문에 A는 ACK를 보낸다.

즉, A는 B에게 이렇게 보낸다.
seq=42 (42번 부터의 데이터야!),
ACK=79 (78번까지 데이터를 잘 받았으니 79번부터의 데이터를 보내줘.)


B → A
B는 A에게 요청받은 79번부터의 데이터를 보내게된다. (seq=79)
A에게 42번부터의 데이터를 받았기 때문에 잘 받았다고 ACK를 보내줘야한다. (데이터의 크기는 3byte로 명시)

즉, B는 A에게 이렇게 보낸다.
seq=79 (너가 요청한 79번부터 데이터야.)
ACK=45 (A가 42번부터 시작하는 HI! 라는 3byte를 보냈기 때문에 B는 42-44번까지의 데이터를 받은것이다. 그렇기 때문에 다음 데이터인 45번을 요청한다.)


A → B
A는 B가 요청하는 45번부터의 데이터를 보내줘야한다. (seq=45)
B에게 데이터를 받았기 때문에 잘 받았다고 ACK를 보내줘야한다.

즉, A는 B에게 이렇게 보낸다.
seq=45 (B가 요청한 45번부터의 데이터야!)
ACK=82 (3byte인 HI!를 79번부터 받았으니 A는 B에게 79~81 번의 데이터를 받은것이다. 따라서 다음 데이터인 82번을 요청한다.)

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💡 Cumulative ACK

Cumulative ACK
누적 ACK
앞의 ACK이 오류가 났어도 뒤의 ACK이 잘 도착하면 sender는 오류난 ACK도 잘 도착한 것으로 간주

ACK=30 을 보내는 도중에 ACK에 loss가 났다. (sender는 ACK loss인지 data loss인지 모른다.)
하지만 ACK=40은 정상적으로 sender에게 전달이 되었다.

📌이때 sender는 ACK=30이 오지 않았기 때문에 seq=30을 retransmit 해줄까?
아니다.
왜냐하면 ACK=40이 sender에게 도착했기 때문이다.
ACK=40이라는 뜻은 39번까지의 데이터를 잘 받았음을 의미하기 떄문이다.

이렇게 중간의 ACK이 loss가 나도 후의 ACK이 잘 도착하여 retransmit을 하지 않고 잘 받았다고 생각하는 것을 Cumulative ACK 이라고 한다.

📌만약 seq=20 의 data loss라면?
B는 A에게 ACK=20을 보내서 20부터 시작하는 데이터를 다시 받아야한다.

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💡 Delayed ACK

Delayed ACK
처음 ACK을 보내지 않고 기다리는 ACK이 있으면 그 때 바로 보낸다.

TCP delays transmission of ACKs for up to 500ms

ACK은 cumulative 하기 때문에 처음 ACK은 보내지 않고 두번째 ACK,
즉 기다리는 ACK(첫번째 ACK을 보내지 않았기에 첫번째 ACK이 기다리고 있음)이 있을 시에 바로 ACK을 보내준다.

장점

• ACK 절약
• bandwith, traffic 절약

하지만 이 경우는 ACK 단독으로 보낼때에만 해당된다.
만약 receiver가 sender에게 요청의 응답으로 보내줄 데이터가 있으면 기다리지 않고 바로 데이터의 header로 piggybacking 해서 보내면 된다.

처음 receiver 에게 데이터가 도착하면 500MS 기다리다가
sender에게 보낼 데이터가 있으면 piggybacking 하고,
보낼 데이터가 없으면 ACK을 한 차례 쉰다.

그 뒤로 sender가 보내는 두 번째 데이터를 받고 ACK을 보내준다.
sender에게 데이터가 오지 않으면(receiver가 500MS 를 기다렸는데도 오지 않으면) time out 이다.

📌 Time out 되면 어떻게 될까?
sender는 receiver에게 ACK을 받지 못한것이므로 ACK을 기다리지 않고 보냈던 segment를 retransmit 해준다.

receiver 는 time out이 되면 ACK을 보내지 않고 retransmit을 기다린다.