컴퓨터 네트워크를 공부하면서 정리를 한 내용들 입니다.

-참고 K-mooc 부산 대학교 유영환 교수님 : 컴퓨터 네트워크 강의

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stop-and-wait 방식을 보면 전체적으로 효율이 어떻게 되는가 살펴봅니다.

Performance Limit of Stop-and-Wait

만약에 한국과 미국 사이에서 통신을 한다고 가정을 합니다.

둘 사이 링크의 밴드위스가 1 Gbps 입니다.

둘 사이의 거리가 멀다 보니까 전파 지연 시간이 15 ms가 걸립니다.

내가 한 번 보내는 패킷의 사이즈가 평균 8000 bit, 1 kB 정도가 된다고 가정을 해 봅니다.

1 kB를 전송 하기 위한 전송 시간(transmission delay) = L / R

R은 1 기가 bps, 10의 9승 bit, L의 크기는 8000 bit이므로 transmission delay는 8 μs입니다.

stop-and-wait 방식은 sender가 1 kB 데이터를 보내고,

ACK를 응답받아야 합니다.

전체적으로 우리가 utilization을 계산 해 보면 U = (L / R) / (RTT + (L / R)) 으로 계산 할 수 있습니다.

한 번 갔다가 오는데 15 ms의 전파 지연 시간이 존재합니다.

전파 지연 시간이 있고 transmission delay가 8 μs 포함 되어 있습니다.

실제 걸리는 시간은 왕복 시간(Round Trip Time),

RTT 30 ms 더하기 전송 지연 시간 R 분의 L, 8 μs 하면 총 30.008 ms가 걸립니다.

전체 30.008 ms 중에서 8 μs.

이것을 계산 해 보면 0.00027 입니다.

결국 퍼센트로 보면 0.027%. 전체 네트워크 자원 중에 0.027% 밖에 사용 하지 않는다는 뜻입니다.

그래서 이것은 실제로 1 Gbps나 되는 링크를 설치 해 놓고 stop-and-wait 방식의 네트워크 프로토콜 때문에

물리 자원을 굉장히 낭비 하는 문제가 있습니다.

Stop and Wait Operation

이것을 시간 축으로 살펴 보면 그림과 같습니다.

세로축이 시간이고 가로축은 sender에서 receiver 까지 가는 거리라고 생각 해 보면

sender가 0초에서 부터 시작을 해서 첫 번째 bit가 receiver에 도달 하는 데 까지 전파 지연 시간이 15 ms가 걸립니다.

다음에 이 사이에 전송 지연 시간이 아까 8 μs가 있는 것이죠.

그래서 15 ms 더하기 8 μs로 receiver에 도착을 하고 receiver의 ACK 메시지가 거의 사이즈가 없다.

여기서는 전송 지연 시간 고려 없이 한다고 하더라도 1 bit 라고만 가정 하더라도,

15 ms의 전파 지연 시간이 있다는 겁니다.

그렇게 해서 총 30.008 ms 중에서 실제 데이터가 전달 되는 시간은 8 μs 밖에 안 된는 것 입니다.

Pipelined Protocols

먼 거리로 데이터를 보낼 때,

예를 들어 미국 서부에서 동부까지 굉장히 긴 거리를 패킷 하나 보내고 ACK 하나 받고 하면 너무 낭비가 심합니다.

따라서 한 번에 여러 개를 보내고 ACK도 병렬적으로 오게 되면 훨씬 효율이 높지 않겠느냐는 것 입니다.

이런 방식을 나중에 좀 더 세분화 해서 go-back-N과 selective repeat이란 방식으로 제안이 되어 있습니다.

Increased Utilization

Pipelined Protocol을 쓰게 되면 앞서 stop-and-wait 보다 utilization을 높일 수 있습니다.

그림에서 보시면 하나의 패킷을 보내고 다음 ack를 기다리고 있는 것이 아니라

다음 패킷을 또 보내고 또 보내고 있습니다.

그러니까 전체적으로 전송 시간이 일단은 세 배로 늘어난 다는 것입니다.

여기서 사용하는 전체 시간은 똑같이 30.008초라고 하더라도

세 개의 패킷이 연달아 왔기 때문에 그 세 배, 8 μs의 세 배인 24 μs를 데이터를 보내는 데 사용을 했다는 것이고

그렇게 하면 0.081%, 이전에 비해서 세 배로 늘어 났다는 것입니다.

물론 0.081%도 매우 낮은 것이지만 예를 들면 세 개를 연달아 보내게 해 주면 이렇게 된다는 것이고

30개, 300개를 한다고 하면 30배, 300배를 보낼 수가 있습니다.

이렇게 pipeline 방식을 사용 해서 연달아 데이터를 보내서 전체 utilization을 높일 수 있습니다.

Pipelined Protocols : Overview

Pipelined protocol은 앞서 말씀 드린 대로 Go-back-N, selective repeat 이렇게 두 가지로 나누어 볼 수가 있습니다.

둘 다 동일하게 한 번에 N개의 데이터를 pipeline 방식으로 전달 할 수 있게 허락을 해 두었습니다.

그런데 Go-back-N과 selective repeat의 가장 기본적인 차이는 뭐냐 하면

차이점1

Go-back-N은 전송 중에 쭉 패킷이 전송 되어 왔을 때,

Sender 입장에서 전달을 했는데 중간에 receiver가 판단을 해 보니 한 지점이 잘못 되었다고 하면 그 다음부터 다시 모두 재 전송을 해야 됩니다.

selective repeat은 중간에 하나가 잘못 되었다면,

잘못된 패킷만 다시 재 전송을 하게 됩니다.

그렇게 하려다 보니까 ACK도 좀 다른 방식을 쓰게 됩니다.

차이점2

go-back-N은 cumulative ack을 쓰게 되고 cumulative라는 것은 누적 ack라는 것입니다.

sender가 여러 개를 동시에 보냈는데 일일이 모든 패킷에 대해서 ack를 보내자니 receiver의 입장에선 상당히 번거롭습니다.

그래서 앞에 세 개를 받았다면 세 번째에 대해서만 ack를 보내는 것입니다.

그러면 이 ack가 뜻하는 바는 해당 패킷만 잘 왔다는 것만 아니라 해당 순번까지 잘 왔다고 알려주는 것이 누적 ack 입니다.

반면에 individual ack는 뒤에는 잘 왔다 하더라도 하나는 잘못 될 수 있기 때문에,

중간에 하나가 잘못 되어서 해당 패킷만 재 전송을 요구 하려면 개별적으로 ack가 필요 합니다.

그래서 selective repeat에서는 여기에 대한 ack가 온다면 이것 하나가 잘 도착했다는 의미지 이 앞이 다 잘 도착했다는 의미는 아닙니다.

차이점3

또 하나의 차이점은 타이머입니다.

go-back-N은 개념 상 잘못된 지점부터 모든 패킷을 다 재전송 하면 되니까

굳이 개별적인 타이머가 필요 없이, ack를 받지 못한 패킷들 중에서 가장 먼저 보낸 패킷에 대해서 타이머가 설정 되어 있고

그 타임 아웃 내에 ack를 받지 못하면 이 뒤에 있는 모든 패킷을 재전송 하면 됩니다.

selective repeat은 모든 패킷에 대해서 별도의 개별적인 타이머를 가지고 있습니다.

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