[네트워크] principles of reliable data transfer (rdt의 원리)

📿 신뢰성 있는 데이터 전송이란?

컴퓨터 네트워크에서는 데이터를 정확하고 완전하게 주고받는 것이 중요하다. 이를 신뢰성 있는 데이터 전송이라고 한다. 실제로는 데이터를 전송할 때 오류가 생기거나, 데이터가 아예 사라지는 일이 자주 발생하기 때문에, 이런 문제를 해결할 수 있는 프로토콜(약속된 규칙)이 필요하다.

 

이 신뢰성 있는 전송은 응용 계층, 전송 계층, 링크 계층에서 모두 중요한 역할을 한다.

 

 

 

⚠️ 발생할 수 있는 문제와 해결책

1. 손상 (Bit-error)
   • 데이터가 전송 중에 잘못 바뀌는 경우이다.
   • 해결 방법:
     • 체크섬(checksum): 보내는 쪽에서 계산한 숫자를 같이 보내고, 받는 쪽도 계산해서 비교한다.
     • 같으면 정상, 다르면 손상되었다고 판단한다.
     • 수신자가 이상 없다고 판단되면 ACK (Acknowledgement), 즉 “잘 받았다”라는 신호를 보낸다.
2. 패킷 손실
   • 데이터가 아예 중간에서 사라지는 경우이다.
   • 해결 방법:
     • 타이머(timer): 보내는 쪽이 일정 시간 동안 응답이 없으면 “아, 손실됐구나!“라고 판단하고 재전송한다.
     • 시퀀스 번호(sequence number): 각 데이터에 번호를 붙여서 순서 보장 및 중복 방지에 사용한다.

 

🧑‍💻 기본 구성 요소

송신자 측 (send side)

• rdt_send(): 상위 계층(예: 애플리케이션)에서 데이터를 받아오는 함수이다.
• udt_send(): 실제로 패킷을 네트워크에 보낸다. 하지만 이 네트워크는 신뢰할 수 없다 (즉, 오류나 손실이 있을 수 있다).

 

수신자 측 (receive side)

• rdt_rcv(): 패킷이 도착하면 자동으로 불리는 함수이다.
• deliver_data(): 데이터를 잘 받았을 경우, 이를 상위 계층으로 넘겨주는 함수이다.

 

💬 rdt 프로토콜의 발전 과정

1. rdt1.0 – 완전무결

• 가정: 네트워크가 완전 무결하다. 오류도 없고 손실도 없다.
• 동작:
  • 송신자는 데이터를 포장해서 보내고
  • 수신자는 이를 잘 받아서 다시 풀어 상위 계층에 넘겨준다.
• 문제점: 실제 세상은 이렇게 완벽하지 않다. 그래서 더 발전이 필요하다.

 

 

2. rdt2.0 – 비트 오류가 있음

• 가정: 패킷의 비트가 전송 중 바뀔 수 있다.
• 추가 기능
  • 체크섬을 사용해서 오류를 감지
  • receiver가 보낸 패킷에 대해 다음 중 하나를 응답:
    • ACK: 문제 없음
    • NAK: 오류 있음 → 송신자가 재전송

❗ 문제점

- ACK나 NAK 자체가 손상되면 어떻게 할까?

• sender는 receiver의 상태를 모르기 때문에 재전송할 수밖에 없다.
• 이로 인해 중복 데이터가 발생할 수 있다.
• 해결책: 시퀀스 번호를 붙여서 중복 여부를 판단한다.

 

 

 

3. rdt2.1 – 중복까지 처리하는 프로토콜

• 기능:
  • 시퀀스 번호 0, 1을 번갈아가며 사용한다.
  • receiver는 중복된 시퀀스 번호는 무시한다.
  • ACK나 NAK가 손상되어도 재전송을 통해 안전하게 복구할 수 있다.
• 이 프로토콜은 일명 “Stop-and-Wait” 방식이다
  • 하나의 패킷을 보내고
  • 응답이 올 때까지 기다리며
  • 그다음 패킷을 보낸다.

 

송신자 동작 흐름

1. 시퀀스 번호 0 패킷을 만든다 → 전송한다
2. ACK/NAK 수신을 기다린다
   • 손상이거나 NAK면: 같은 패킷 재전송
   • 정상 ACK면: 시퀀스 번호 1로 넘어간다
3. 위와 같은 방식으로 계속 반복한다

 

수신자 동작 흐름

1. 시퀀스 번호 0을 기다린다
   • 오류가 있으면 NAK
   • 오류 없고 시퀀스 맞으면: 데이터 전달 + ACK
   • 오류 없고 시퀀스 틀리면: 중복 → ACK만 보냄
2. 다음으로 시퀀스 1을 기다림…(동일 과정)

 

 

rdt2.2 – NAK 없이도 되는 프로토콜

• NAK을 없애고, ACK만으로도 오류 처리를 가능하게 만든 버전이다.
• 핵심 아이디어:
  • 수신자가 이전 시퀀스 번호의 ACK를 보내면, 송신자는 “내가 보낸 게 중복됐구나” 하고 재전송을 멈춘다.

 

 

✨ 정리

버전	특징	문제 해결 방식
rdt1.0	오류 없음	단순 전송
rdt2.0	비트 오류 있음	체크섬 + ACK/NAK
rdt2.1	중복 문제 있음	시퀀스 번호 사용
rdt2.2	NAK 제거	ACK만으로 처리

 

 

 

rdt3.0: 패킷 손실까지 고려한 신뢰적 전송 프로토콜

 

❗️기존 rdt2.x의 한계

• rdt2.0과 rdt2.1은 비트 오류는 처리할 수 있었지만, 패킷 손실은 고려하지 않았다.
• 즉, 패킷이 아예 도착하지 않으면 아무런 응답도 없어서 송신자는 아무것도 못 함.
• 따라서 타임아웃(Timeout) 개념이 도입되어야 한다.

 

✅ rdt3.0 주요 아이디어

• ACK/NAK 손상 또는 응답 없음(손실) → 송신자 타이머 만료 → 재전송
• 여전히 stop-and-wait 방식 사용: 한 번에 하나의 패킷만 전송 후 응답 기다림

 

작동 방식

- 송신자 (Sender)

1. 상위 계층에서 데이터 수신 → 패킷 생성 및 전송
2. 타이머 시작
3. ACK 수신 시: 다음 패킷 준비, 타이머 정지
4. 타임아웃 발생 시: 동일 패킷 재전송, 타이머 재시작

 

- 수신자 (Receiver)

  패킷 받을 때...

• 손상되었거나 순서 번호가 예상과 다르면: 중복된 패킷으로 판단 → 이전 ACK 재전송
• 정상적이면: 데이터 전달 + ACK 전송

 

 

🚨 비효율성 문제

• 한 번에 하나의 패킷만 전송해야 해서 대역폭 낭비 심함
• 예: RTT가 길면 데이터 하나 보내고 오래 기다림

 

 

🚀 파이프라인 전송 기법

💡 개요

• 성능 개선을 위해 한 번에 여러 패킷을 보내는 방식
• 이 방식을 파이프라이닝(pipelining)이라 부른다

 

 

대표적인 두 가지 프로토콜

이름	특징
Go-Back-N (GBN)	오류 발생 시, 그 이후 모든 패킷을 재전송
Selective Repeat (SR)	오류 난 해당 패킷만 재전송, 효율적

 

 

📤 Go-Back-N (GBN)

기본 개념

• 송신자는 윈도우(window) 안에 있는 여러 패킷을 전송
• 수신자는 순서대로만 수신하며, 순서 안 맞는 패킷은 모두 버림

 

🔁 동작 흐름

 

송신자

• 기대하는 ACK 번호를 추적 (base)
• 윈도우 범위 안에서 새로운 패킷 전송 가능
• 타이머는 base에 대해서만 존재 (첫 전송 패킷 기준)
• 타임아웃 발생 시 → base 이후 모든 패킷 재전송

 

수신자

• 순서대로만 수용 (in-order)
• 순서가 맞지 않는 패킷 → 무시, ACK도 전송 안 함 (or 마지막 정상 패킷 ACK만 보냄)

 

🚨 단점

• 하나라도 손실되면 많은 패킷을 재전송 → 비효율적

 

✅ Selective Repeat (SR)

핵심 아이디어

• 각 패킷마다 별도 확인 및 재전송
• 수신자는 순서 상관없이 버퍼에 저장하고 ACK 전송 가능

 

🧠 동작 방식

 

송신자

• 여러 패킷 전송 가능
• 각 패킷마다 개별 타이머 관리
• ACK 받지 못한 패킷만 개별적으로 재전송

 

수신자

• 순서 맞지 않아도 수신 후 저장
• 모두 수신하면 상위 계층에 순서대로 전달
• 수신 즉시 ACK 전송

 

 

🎯 장점

• GBN보다 효율적
• 손실이 생겨도 해당 패킷만 재전송하면 됨

 

 

⚠️ 구현 복잡성 증가

• 버퍼 관리 복잡
• 각 패킷마다 타이머 필요
• 중복 수신 방지, 윈도우 크기 제한 등 신경 써야 할 부분 많음

 

 

윈도우 크기 주의점

• SR에서 윈도우 크기는 N이라면, 순서 번호 공간은 최소 2N이어야 함
• 그렇지 않으면 중복 패킷과 새 패킷을 구분 못함

 

 

🎓 정리

항목	rdt3.0	GBN	SR
다중 패킷 전송	❌	✅	✅
손상 처리	✅	✅	✅
손실 처리	✅	✅	✅
재전송 방식	전체 재전송	전체 재전송	개별 재전송
구현 복잡도	낮음	보통	높음
효율성	낮음	보통	높음