🌐 Chapter 03: Transport Layer

3.1 Transport-Layer Services

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🚛 3.1.1 Transport Services and Protocols

• Transport layer는 종단 시스템(end system)에만 존재하고, 네트워크 내부 장비(라우터 등)에는 존재하지 않음
• Transport service는 서로 다른 호스트(host) 사이에 논리적 통신(logical communication)을 제공
• Transport protocol은 end system에서 실행되며, 대표적인 프로토콜:
  • TCP (Transmission Control Protocol)
  • UDP (User Datagram Protocol)

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End System vs Host

📌 정의

용어	정의
End system (종단 시스템)	네트워크의 끝단에서 데이터를 송수신하는 장치
Host (호스트)	네트워크에 연결되어 IP 주소를 가진 장치

📦 주요 차이점

구분	End system (종단 시스템)	Host (호스트)
정의	데이터를 송수신하는 모든 장치	네트워크에 논리적으로 연결된 IP 장치
포괄 범위	Host 포함 + 기타 IoT 장치	전통적 컴퓨터/서버 중심 개념
역할 중심	사용자와 인터넷 간 종단 통신 주체	IP 기반 통신 주체
계층적 위치	OSI 7계층 모두 사용	OSI 3계층 이상 사용
예시	스마트폰, 웹 서버, IoT 장치 등	웹 서버, 클라이언트 PC, 라즈베리파이 등

✅ 포함 관계

모든 Host는 End system이지만,
모든 End system이 반드시 Host인 것은 아님.

예:

• 스마트워치, 스마트센서 등은 End system이지만 Host로 분류되지 않을 수 있음

🎯 용어 사용 팁

• End system: 인터넷 아키텍처, OSI 7계층 설명 시 사용
• Host: IP 통신, DNS, 라우팅 관련 개념에서 자주 등장

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🧭 송수신 과정

• 송신 측: Application Layer 메시지를 세그먼트(segment)로 분할하고, Network Layer로 전달
• 수신 측: 받은 segment를 재조립(reassembly)하여 Application Layer로 전달

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🔄 3.1.2 Transport Layer vs. Network Layer

계층	통신 단위	주소 체계	목적
Transport Layer	Process 간 통신	Port Number	End-to-End 논리적 연결
Network Layer	Host 간 통신	IP Address	호스트 간 패킷 전달

• Transport Layer는 프로세스 간의 연결을 다루며, 포트 번호로 구분
• Network Layer는 호스트 간의 연결을 다루며, IP 주소를 사용

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🌐 3.1.3 Internet Transport Layer Protocols

✉️ UDP (User Datagram Protocol)

• Unreliable, Unordered 데이터그램 전송
• 연결 설정 없이 작동 → Connectionless
• 지연에 민감(delay-sensitive): 실시간 전송에 적합 (ex: VoIP, 스트리밍)
• 오류 검출은 있으나, 오류 복구 기능은 없음

📦 TCP (Transmission Control Protocol)

• Reliable, In-order 데이터 전송 보장
• 데이터 전송 전 연결 설정 필요 → Connection-oriented
• 3-Way Handshaking을 통해 연결 수립
• 지연 허용(latency-tolerant): 정확성이 중요한 데이터 전송에 적합 (ex: 파일 전송, 이메일)

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📌 요약

항목	UDP	TCP
신뢰성	❌	✅
순서 보장	❌	✅
연결 설정	❌ (비연결형)	✅ (3-Way Handshake)
사용 예시	실시간 서비스	파일/데이터 전송
오류 처리	없음	있음

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3.2 Multiplexing and Demultiplexing

📦 3.2.1 개념 정리

• Multiplexing (다중화): 송신 측에서 여러 애플리케이션 프로세스의 데이터를 모아 하나의 네트워크 연결로 전송
• Demultiplexing (역다중화): 수신 측에서 받은 데이터를 올바른 애플리케이션 프로세스로 전달

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🚀 3.2.2 송신 측: Multiplexing

• 여러 개의 소켓(socket)에서 데이터를 받아옴
• 각 데이터에 전송 계층 헤더(transport header)를 추가
  • 여기엔 16비트 포트 번호(port number) 포함
• 생성된 세그먼트(segment)를 Network Layer로 전달
  

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📥 3.2.3 수신 측: Demultiplexing

• 수신된 segment에서 헤더 정보를 확인
• IP 주소와 포트 번호를 기준으로 적절한 소켓에 데이터 전달

🔍 Demultiplexing 작동 방식

1. 호스트는 IP datagram을 수신
2. datagram은 source IP, destination IP 포함
3. 포함된 transport-layer segment는 source/destination 포트 번호 포함
4. 수신 측은 IP 주소와 포트 번호로 해당 소켓을 식별

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📤 3.2.4 UDP: 비연결형(Connectionless) Demultiplexing

• UDP 소켓은 고유한 host-local port number를 가짐
• 송신자는 datagram 생성 시 목적지 IP 주소와 포트 번호를 명시해야 함

✅ 수신 예시

• 호스트가 UDP segment를 수신하면:
  • segment의 destination port 번호를 기반으로 해당 소켓에 전달
  • source IP가 달라도 목적지 포트가 같다면 같은 소켓으로 전달됨

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🔗 3.2.5 TCP: 연결형(Connection-Oriented) Demultiplexing

• TCP 소켓은 4가지 정보로 식별되는 고유한 연결 구성

  1. source IP 주소
  2. source port 번호
  3. destination IP 주소
  4. destination port 번호

• 수신자는 이 4가지 튜플(tuple)을 기준으로 정확한 소켓에 연결

🧩 다중 연결 처리

• 하나의 서버 호스트는 여러 클라이언트와 동시 접속 가능
• 각 클라이언트마다 독립적인 TCP 소켓 생성
• 대표 예: 웹 서버는 접속한 클라이언트마다 별도 소켓 유지

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📝 요약

항목	UDP (Connectionless)	TCP (Connection-Oriented)
소켓 식별 기준	Destination Port	4-Tuple (Src/Dst IP & Port)
연결 여부	❌ 없음	✅ 있음
같은 포트로 수신 시	모두 같은 소켓	각 연결마다 소켓 다름
서버 동시 연결	단일 소켓	클라이언트마다 소켓 별도

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3.3 UDP: User Datagram Protocol

3.3.1 UDP 기본 개념 [RFC 768]

• "No Frills", "Bare Bone" 인터넷 전송 프로토콜
• 가능한 최선을 다하지만:
  • 패킷 유실(lost) 가능
  • 순서 뒤바뀜(out-of-order) 가능
• Connectionless: 송신자와 수신자 간 handshaking 없음
  • 각 UDP 세그먼트는 독립적으로 처리됨
  • 여러 세그먼트를 보내더라도 각각 별도로 전송 및 수신
  • 재조립, 순서 보장, 오류 복구 없음

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✅ UDP 사용 사례

• 🎥 멀티미디어 스트리밍: 손실 허용(lost tolerant), 전송 속도 민감(rate sensitive)
• 🌐 DNS (Domain Name System)
• 📡 SNMP (Simple Network Management Protocol)

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⚠️ 신뢰성 보장

UDP는 기본적으로 신뢰성을 제공하지 않음
→ Application Layer에서 직접 신뢰성 로직을 구현해야 함
(예: 재전송, 응답 확인 등)

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❓ 왜 UDP를 사용할까?

장점	설명
연결 설정 없음	Connection establishment 과정 없이 바로 전송 가능 (지연 감소)
상태 없음	송수신 측 모두 connection state 없음
헤더 작음	TCP보다 작은 헤더 크기
혼잡 제어 없음	네트워크 상황과 무관하게 빠르게 전송 가능 (애플리케이션 제어 가능)

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3.3.2 UDP Checksum

UDP는 비신뢰성이지만, 최소한의 오류 검출 기능(error detection)은 제공

🛠️ Checksum 작동 방식

• 오류 원인: 전송 중 비트가 바뀌는 flipped bits (주로 링크 계층에서 발생)
• 송신 측:
  • segment의 데이터와 헤더를 16비트 정수 시퀀스로 나눔
  • 1의 보수 덧셈(1's complement sum)으로 모두 더함
  • 결과값을 checksum 필드에 저장
• 수신 측:
  • 수신한 segment의 내용을 바탕으로 checksum 재계산
  • 수신된 checksum과 비교
  • 값이 같으면 → 정상 수신
  • 값이 다르면 → 오류 발생 인지

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📝 요약

항목	UDP 특징
연결 여부	❌ 비연결형 (Connectionless)
신뢰성	❌ 없음 (애플리케이션이 구현 필요)
순서 보장	❌ 없음
사용 사례	스트리밍, DNS, SNMP
오류 탐지	✅ Checksum 제공
전송 속도 제어	❌ 혼잡 제어 없음

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3.5 Connection-Oriented Transport: TCP

3.5.1 TCP Overview [RFC 793, 1122, 1323, 2018, 2581]

✅ 핵심 개요

• Point-to-Point

  • 한 연결에 송신 측 1개 ↔ 수신 측 1개만 존재

• Reliable, In-order Byte Stream

  • 바이트 단위의 신뢰성 있는 전송 보장
  • TCP는 메시지 단위 개념이 없음
    • 즉, "한 번에 보낸 메시지"의 경계는 구분하지 않음
    • 애플리케이션에서 직접 경계를 정의해야 함

• Pipelined (파이프라인 전송)

  • 데이터를 여러 개 동시에 전송함으로써 전송 효율을 증가
  • TCP는 슬라이딩 윈도우(sliding window) 기법을 통해 pipelining 구현
  • 혼잡 제어(congestion control), 흐름 제어(flow control)와 연계됨

• Full Duplex Data

  • 양방향 데이터 전송 가능
  • 하나의 TCP 연결로 동시에 송수신 가능
  • MSS (Maximum Segment Size): 세그먼트당 전송 가능한 최대 데이터 바이트 수

• Connection-Oriented

  • 데이터 교환 전에 3-Way Handshaking을 통해 연결 설정
  • 송수신 측의 상태를 초기화하여 신뢰성 있는 통신 기반 마련

• Flow Controlled

  • 송신자는 수신자의 버퍼 용량을 초과하지 않도록 전송
  • 수신자가 처리 가능한 만큼만 데이터를 보냄으로써 버퍼 오버플로우 방지

3.5.2 TCP Segment Structure

📌 TCP Sequence Number (Seq)

• 바이트 단위로 시퀀스 번호 부여
• 각 TCP 세그먼트에는 시작 바이트 번호(Sequence Number) 포함
• 해당 세그먼트에서 전송되는 첫 바이트의 번호를 의미

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📌 TCP Acknowledgements (ACKs)

• 수신자가 다음에 기대하는 바이트 번호를 ACK 번호로 설정
• 즉, 지금까지 정상적으로 받은 마지막 바이트 + 1
• 누적 확인 방식(Cumulative ACK)
  • ACK 번호는 "지금까지 연속적으로 잘 받았습니다"라는 의미

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3.5.3 🔁 TCP Round Trip Time (RTT) & Timeout 설정

❓ Timeout 값을 어떻게 설정할까?

• RTT보다 커야 함
• RTT는 시간에 따라 변화하므로 고정값을 사용할 수 없음

경우	문제점
너무 짧은 Timeout	조급한 재전송, 불필요한 트래픽 발생
너무 긴 Timeout	손실된 세그먼트에 대한 느린 대응

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⏱️ SampleRTT와 EstimatedRTT

• SampleRTT: 세그먼트 전송 시점부터 ACK 수신까지 걸린 시간
  (재전송된 세그먼트는 제외)

• EstimatedRTT: 최근 여러 SampleRTT의 가중 평균

  EstimatedRTT = (1 - α) * EstimatedRTT + α * SampleRTT

  • 지수 가중 이동 평균 (EWMA: Exponential Weighted Moving Average)
  • 최근 값일수록 더 큰 영향
  • 일반적으로 α = 0.125

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🧮 Timeout Interval 계산

1. 편차(Variation) 측정:

   DevRTT = (1 - β) * DevRTT + β * |SampleRTT - EstimatedRTT|

   • RTT의 변화량 추정
   • 일반적으로 β = 0.25

2. 최종 Timeout 값 계산:

   TimeoutInterval = EstimatedRTT + 4 * DevRTT

   • 안전 여유(Safety Margin)를 더한 값
   • 변화가 심할수록 여유를 크게 잡음

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3.5.4 TCP Reliable Data Transfer (RDT)

• TCP는 불완전한 IP 서비스 기반 위에서 신뢰성 있는 데이터 전송(RDT)을 구현
• 주요 특징:
  • pipelined segments
  • 누적 ACKs
  • 단일 재전송 타이머 사용

🔁 재전송 조건

• Timeout 이벤트
• 중복된 ACKs 수신

(가정: 중복 ACK, 흐름 제어, 혼잡 제어는 무시)

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📤 송신 측 이벤트

1. Application에서 데이터 수신

   • 세그먼트 생성, 시퀀스 번호 = NextSeqNum
   • 세그먼트를 Network Layer(IP)로 전송
   • NextSeqNum += len(data)
   • 타이머가 꺼져 있으면 시작

2. ACK(y) 수신

   if (y > SendBase) {
       SendBase = y
       if (미수신 segment 존재)
           타이머 재시작
       else
           타이머 중지
   } else {
       // 중복 ACK 수신 → segment loss 추정?
   }

3. Timeout 발생

   • SendBase에 해당하는 segment 재전송
   • 타이머 재시작

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📦 재전송 시나리오

1. Lost ACK

• 데이터는 수신되었으나, ACK가 유실
• 송신자: 타임아웃 후 재전송
• 수신자: 중복 데이터 무시, ACK 재전송

2. Premature Timeout

• ACK가 도착하기 전 타이머 만료
• 송신자: 재전송
• 수신자: 중복 ACK 전송

3. Cumulative ACK

• TCP는 누적 ACK 사용 → 이전 ACK 유실되어도 무방

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3.5.5 TCP ACK Generation

✅ 1. 예상대로 도착 + 이전까지 모두 ACK 완료

• Delayed ACK: 최대 500ms 대기 후 전송

✅ 2. 순서대로 도착 + ACK 대기 중

• 누적 ACK 즉시 전송

✅ 3. 순서 어긋난 세그먼트 도착

• 중복 ACK 반복 전송 (예: ACK=1000 반복)

✅ 4. 누락 구간 채움

• 연속성 복구 → 즉시 ACK 전송

✅ 왜 2개까지만 기다릴까?

• RTT 측정 불가, 타임아웃 위험 방지
  → RFC 1122 기준

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3.5.6 TCP Fast Retransmit

• 중복 ACK 3개 수신 시 → 타이머 없이 빠르게 재전송
• 가장 작은 Seq#의 segment 재전송
• 혼잡 제어와 연계

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3.5.7 TCP Flow Control

• 송신자는 수신자의 버퍼 크기 초과 방지
• 수신자: rwnd 값을 통해 버퍼 여유 공간을 알림
• 송신자: rwnd를 기반으로 전송량 제한

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3.5.8 Connection Management

🤝 TCP 3-Way Handshake

1. SYN (Client → Server)

   • SEQ=x, SYN=1

2. SYN+ACK (Server → Client)

   • SEQ=y, ACK=x+1

3. ACK (Client → Server)

   • SEQ=x+1, ACK=y+1

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🔚 TCP: Closing a Connection

1. A → B: FIN, SEQ=x
2. B → A: ACK, ACK=x+1
3. B → A: FIN, SEQ=y
4. A → B: ACK, ACK=y+1

→ 완전 종료

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3.7 TCP Congestion Control

• TCP는 손실이 발생할 때까지 전송 윈도우(cwnd)를 점차 증가시켜 사용 가능한 대역폭을 탐색
• 기본 전략: Additive Increase / Multiplicative Decrease (AIMD)

전략	설명
Additive Increase	RTT마다 cwnd를 1 MSS씩 증가
Multiplicative Decrease	패킷 손실 발생 시 cwnd를 절반으로 감소

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3.7.1 Details

• 송신자는 다음 조건을 만족하는 범위에서만 데이터 전송:

  LastByteSent - LastByteAcked <= min(cwnd, rwnd)

• cwnd는 네트워크 상태에 따라 동적으로 변화
• TCP 전송률(approx):

  TCP Sending Rate ≈ cwnd / RTT (bytes/sec)

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3.7.2 TCP Slow Start

• 연결 초기, cwnd = 1 MSS
• 매 RTT마다 ACK 1개당 cwnd += 1 MSS → 지수 증가

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3.7.3 Detecting & Reacting to Loss

• Timeout 발생 시:

  • cwnd = 1 MSS
  • 지수적으로 증가 (slow start 재시작)

• 중복 ACK 3개 수신 (TCP Reno):

  • cwnd = cwnd / 2
  • 이후 선형 증가 (Congestion Avoidance)

• TCP Tahoe:

  • 손실 발생 시 항상 cwnd = 1 MSS로 재설정

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3.7.4 Slow Start → Congestion Avoidance 전환

• 전환 기준: cwnd ≥ ssthresh

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3.7.5 TCP Throughput

• W: 혼잡 윈도우 최대 크기
• 평균 처리량:

  Throughput ≈ (3/4) * W / RTT

• 실제 윈도우는 손실 발생 전의 평균값인 3/4 W에 수렴

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3.7.6 TCP Fairness

• TCP는 각 연결이 공평하게 대역폭을 나누는 것을 목표로 함
• 병목 링크 용량이 R일 때, 연결이 k개라면 각 연결은 R/k를 목표

⚠️ Fairness vs. UDP

• UDP는 혼잡 제어 없음 → 항상 동일한 속도
• TCP는 혼잡 발생 시 전송 속도 감소
• UDP와 TCP가 함께 쓰이면 TCP는 불리함 → 공정성 깨짐

⚠️ Fairness vs. Parallel TCP

• 여러 개의 TCP 연결을 병렬로 사용하면 총 전송량 증가
• 하나의 연결 vs. 11개 연결 → 자원 점유 비율 다름
• 결과: 다중 연결 앱이 더 많은 자원을 차지 → 공정성 붕괴

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3.7.7 Explicit Congestion Notification (ECN)

구성 요소	설명
IP 헤더 ECN 비트	혼잡 상태를 명시적으로 표시 (2비트)
라우터	혼잡 발생 시 ECN 비트 설정
수신자	ECE=1인 ACK 전송
송신자	ECE=1 수신 시 cwnd 감소 등 혼잡 반응 수행

과정 요약:

1. 송신자 → 수신자: 평상시 전송 (ECN=00)
2. 라우터: 혼잡 감지 시 ECN=11 설정
3. 수신자: ECN=11 감지 → ECE=1 포함한 ACK 전송
4. 송신자: 혼잡 인식 → 혼잡 제어 수행