[Network] OSI 7 계층의 Top Layer(전송 계층)에 대한 개념 정리

전송 계층의 기능

전송 계층에서는 네트워크 끝단에 위치하는 통신 주체가 중간의 논리적인 선로를 통해 데이터를 주고받는다. 이 과정에서 흐름 제어, 오류 제어, 패킷의 분할과 병합 등의 기능을 수행한다. 이를 지원하기 위하여 주소 표현, 멀티 플렉싱, 연결 관리 등에 대한 고려가 이루어져야 한다.

연결 설정

연결 설정은 연결을 요청하는 프로세스의 연결 설정 요구인 Conn_Req와 상대편 프로세스에서 연결 수락을 의미하는 Conn_Ack의 회신으로 완료된다. 이와 같은 2단계 설정 과정은 통신 양단의 연결 설정을 위한 최소한의 단계이다. 실제 통신 환경에서는 오류 가능성 때문에 3단계 설정이 이루어지는데, 3번째 단계에서 전송할 데이터가 있으면 바로 데이터를 전송하고, 그렇지 않으면 2번째 단계에 대한 응답을 전송해야 한다.

TCP 프로토콜

TCP는 IP 프로토콜 위에서 연결형 서비스를 지원하는 전송 계층 프로토콜로, 인터넷 환경에서 기본으로 사용한다. TCP는 전이중 방식의 양방향 가상 회선을 제공하기 때문에 신뢰성 있는 데이터 전송을 보장한다. 전송 계층 프로토콜은 운영체제의 내부 기능으로 구현되기 때문에 TCP 서비스를 사용하려면 상위 계층에서 시스템 콜이라는 프로그램 호출 방식을 이용해야 한다.

혼잡 제어

TCP 프로토콜의 ECN 기능은 혼잡을 인지한 라우터가 송신 프로세스에 명시적으로 혼잡 발생을 알려주어 송신 프로세스 스스로 트래픽을 완화하는 기술이다. 이를 위하여 TCP 헤더에 CWR 필드와 ECE 필드를 정의한다. ECE 비트는 네트워크 트래픽이 많아질 때 라우터가 송신 프로세스에 명시적으로 혼잡을 알리려고 사용하며, ECE 비트를 수신한 송신 프로세스가 전송 윈도우 크기를 줄였음을 통지하기 위한 목적으로 CWR비트가 사용된다.

포트 번호

포트 번호는 TCP와 UDP가 상위 계층에 제공하는 주소 표현 방식이다. 소켓 시스템 콜을 이용해 TCP 연결 설정이 되면 통신 양단의 프로세스가 사용하는 고유 주소는 해당 호스트의 IP 주소와 호스트 내부의 포트 번호가 조합된 형태이다. 클라이언트-서버의 연동은 서버가 먼저 실행되고, 클라이언트가 서버와 연결을 시도하는 방식으로 이루어진다. 이때 연결을 원하는 서버와 접속하려면 서버의 IP주소와 포트 번호를 알아야 한다. 인터넷 환경에서 많이 사용하는 네트워크 응용 서비스의 서버 프로세스에 할당된 포트 번호를 Well-Known포트라 한다.

데이터 전송

TCP는 전이중 방식의 양방향 통신을 지원하므로 가상 회선으로 연결된 두 프로세스가 동시에 데이터를 전송할 수 있다. 연결형 서비스를 제공하는 TCP에서 데이터를 전송하려면 연결 설정, 데이터 전송, 연결 해제라는 3단계를 순차적으로 진행해야 한다. 연결 설정은 3단계 설정 방식을 사용하며, 연결 해제는 양자의 합의 아래 이루어진다.

ECN의 동작 원리

ECN기능은 TCP의 혼잡 제어 기능을 지원한다. 이를 위해 TCP 헤더의 ECE, CWR 플래그와 IP 헤더의 ECN필드가 정의되었다. ECN 기능을 사용하기 위해서는 TCP 연결 설정 단계에서 ECN 기능의 사용 여부를 협상해야 한다. 데이터 전송 단계에서는 혼잡을 인지한 라우터가 수신 프로세스에 혼잡을 통지한다. 그러면 수신 프로세스는 다시 송신 프로세스에 혼잡을 통지함으로써 송신 프로세스가 전송하는 데이터의 양을 줄이는 방식으로 혼잡 제어가 이루어진다.

UDP 프로토콜

하부의 IP프로토콜을 이용해 비연결형 서비스를 지원하는 UDP는 작지만 빠른 전송이 가능하다. 헤더와 전송 데이터에 대한 체크섬 기능을 제공하며, Best Effort전달 방식을 사용하기 때문에 TCP보다 신뢰성이 떨어져 일반 응용프로그래머들 사이에서는 선호도가 낮은 편이다. 하지만 프로토콜을 처리하는 기능이 작아 TCP보다 데이터 처리가 빠르므로 데이터 전송 시간에 민감한 응용 환경에서는 UDP를 사용하는 것이 유리하다.

UDP의 데이터 전송

UDP는 비연결형 서비스를 이용하여 데이터그램을 전송하며, 각 데이터그램은 전송 과정에서 독립적으로 중개된다. 그리고 데이터그램이 목적지까지 도착할 수 있도록 최선을 다하지만, 반드시 목적지에 도착하는 것을 보장하지 않는다. 또한 슬라이딩 윈도우 프로토콜과 같은 흐름 제어 기능도 제공하지 않아, 버퍼 오버플로에 의한 데이터 분실 오류가 발생할 수 있다.

RTP 프로토콜

RTP(Real Time Protocol)은 실시간 멀티미디어 데이터의 전송을 지원한다. 음성, 영상 정보를 인터넷에서 실시간으로 서비스하면 데이터그램 변형이나 분실 오류를 복구하는 기능이 상대적으로 덜 중요해진다. 대신 데이터그램의 도착 순서, 수신한 패킷의 지터 분포의 균일성과 데이터 압축에 의한 전송 정보량의 최소화가 중요하다. TCP와 UDP를 근간으로 인터넷 환경에서 실시간 서비스를 제공하는 가장 현실적인 방법 중 하나는 UDP에 데이터그램의 순서 번호 기능을 추가하는 것이다. 이러한 프로토콜의 대표적인 예가 실시간 멀티미디어 데이터의 전송을 지원하는 RTP이다. RTP는 유니캐스팅뿐 아니라 멀티캐스팅도 지원한다.

지터

실시간 데이터를 전송하는 환경에서는 지터라는 중요한 변수를 고려해야 한다. 지터 분포는 데이터그램의 도착 시간을 측정하였을 때 각 데이터그램의 도착 시간이 일정하지 않고 불규칙하게 도착하는 정도를 나타낸다.

RTP의 실시간 전송

RTP는 실시간 서비스를 제공하기 위해 작고 빠른 전송 기능을 제공하는 UDP위에서 구현된다. 따라서 비연결형 서비스를 제공하는 UDP의 데이터그램 분실이나 도착 순서 변경과 같은 전송 오류는 RTP 자체에서 해결한다. 그리고 UDP에서 제공하는 포트 주소 기능 등을 사용해 송수신 프로세스 간의 연결을 관리한다. RTP는 하나의 완전한 프로그램 단위로 구현되지 않고, 기능별로 개별적으로 구현된다. 즉, 각각의 응용 서비스의 종류에 따라 요구 조건이 다른 기능들이 추가되는 형식으로 완전한 RTP모듈이 완성된다. 이를 위해 RTP 헤더 부분에 첨삭이 용이하도록 설계된다.

RTCP 프로토콜

RTP 제어 프로토콜을 데이터 전송 프로토콜과 구분하기 위해 RTCP라 부른다. 데이터 전송 프로토콜은 세션 참가자 사이의 멀티캐스트 기능을 이용한 사용자 데이터의 전송을 담당하지만 RTCP는 제어와 관련된 기능을 수행한다. RTCP는 RTP처럼 UDP를 하부 전송 계층으로 사용하며, 세션 참가자는 RTCP 패킷을 다른 모든 멤버에게 주기적으로 전송한다.