누적 확인 응답

누적 확인 응답은 TCP와 같은 신뢰성 있는 데이터 전송 프로토콜에서 사용되는 핵심 메커니즘이다. 이 방식은 수신 측이 송신 측에게 데이터 세그먼트의 성공적 수신을 알리는 ACK 패킷을 보낼 때, 단순히 마지막으로 받은 패킷 하나만을 확인하는 것이 아니라, 특정 시점까지 수신한 모든 데이터를 누적하여 확인한다는 개념이다.

기본 동작 원리는 다음과 같다. 수신 호스트는 연속적으로 도착하는 데이터 세그먼트의 시퀀스 번호를 추적한다. 수신 측는 정상적으로 수신된 가장 높은 시퀀스 번호를 기반으로 ACK 번호를 생성하여 송신 측에 보낸다. 이 ACK 번호는 '이 번호보다 작은 모든 데이터를 성공적으로 수신했다'는 의미를 가진다. 예를 들어, 송신 측이 시퀀스 번호 1000, 1500, 2000의 세그먼트를 순서대로 보냈을 때, 수신 측이 모두 정상 수신하면 ACK 번호 2500(다음에 기대하는 시퀀스 번호)을 한 번만 보내면 된다. 이는 각 세그먼트마다 개별적인 ACK를 보내는 것보다 네트워크 오버헤드를 줄인다.

이 방식은 패킷 손실이나 순서 바뀜이 발생했을 때의 동작도 정의한다. 수신 측은 연속적인 데이터 흐름에서 빈 공간이 생기면, 즉 순서가 틀어져서 도착하거나 패킷이 손실되면, 가장 최근에 정상 수신된 연속된 데이터 블록의 끝을 가리키는 ACK 번호를 반복적으로 보낸다. 이는 송신 측에게 특정 지점 이후의 데이터가 아직 도착하지 않았음을 알리는 신호가 된다. 송신 측은 동일한 ACK 번호를 여러 번 받으면(일반적으로 3회[2]) 해당 데이터의 재전송을 시작한다.

ACK 번호는 누적 확인 응답 메커니즘의 핵심 요소로, 수신자가 송신자에게 '어느 데이터까지 성공적으로 수신했는지'를 알리는 역할을 합니다. 이 번호는 TCP 세그먼트 헤더에 포함되어 전송됩니다.

ACK 번호의 값은 수신자가 성공적으로 수신한 바이트 스트림에서, 다음으로 기대하는 바이트의 순서 번호를 나타냅니다. 예를 들어, 송신자가 1번부터 1000번 바이트를 담은 세그먼트를 보냈고, 수신자가 이를 오류 없이 받았다면, 수신자는 ACK 번호 1001을 담은 확인 응답을 보냅니다. 이는 "1000번 바이트까지 모두 받았으니, 다음에는 1001번 바이트부터 보내라"는 의미입니다. 이 방식은 특정 패킷의 수신을 개별적으로 확인하는 것이 아니라, 특정 시점까지의 모든 데이터 수신을 한 번에 확인(cumulative)하는 효과를 냅니다.

ACK 번호의 동작은 다음과 같은 표로 요약할 수 있습니다.

이 표에서 보듯, 2001–3000번 데이터가 손실되면 수신자는 계속 ACK 번호 2001을 반복적으로 보냅니다. 이 중복 ACK(duplicate ACK)는 송신자에게 패킷 손실 가능성을 알리는 신호가 됩니다. 따라서 ACK 번호는 단순한 확인 신호를 넘어, 흐름 제어와 혼잡 제어를 위한 중요한 피드백 정보로도 작동합니다.

누적 확인 응답은 슬라이딩 윈도우 프로토콜의 효율적인 동작을 가능하게 하는 핵심 메커니즘이다. 슬라이딩 윈도우 프로토콜은 수신 측이 한 번에 수신할 수 있는 데이터의 양, 즉 수신 윈도우를 송신 측에 알려주고, 송신 측은 이 윈도우 크기 내에서 확인 응답을 기다리지 않고 연속적으로 데이터 세그먼트를 전송한다. 이때 누적 확인 응답은 수신된 데이터의 가장 마지막 바이트 위치를 나타내는 ACK 번호를 통해, 해당 번호 이전의 모든 데이터가 정상적으로 수신되었음을 한 번에 통보한다. 이로 인해 송신 측은 누적 ACK 번호를 기준으로 송신 윈도우를 앞으로 이동시키고, 새로운 데이터의 전송을 계속할 수 있다.

두 기술의 관계는 다음 표를 통해 명확히 구분할 수 있다.

요약하면, 슬라이딩 윈도우는 '얼마나 많은 데이터를 보낼 수 있는지'의 구조를 정의하고, 누적 확인 응답은 '어디까지 데이터가 도착했는지'라는 정보를 제공하여 그 구조 내에서 윈도우가 순조롭게 슬라이딩(이동)하도록 만든다. 만약 누적 확인이 아닌 개별적인 확인 응답을 사용한다면, 윈도우의 이동이 불연속적이고 복잡해져 프로토콜의 효율성이 크게 저하된다.

지연된 ACK는 수신 측이 패킷을 받은 후, 곧바로 확인 응답을 보내지 않고 짧은 시간(일반적으로 200ms 이내) 동안 기다리며 추가로 도착할 수 있는 데이터 패킷을 확인한 후, 하나의 ACK로 묶어서 응답하는 메커니즘이다. 이는 단기간에 연속된 패킷 수신 시 발생할 수 있는 ACK 폭주를 줄이고 네트워크 효율을 높이기 위한 목적을 가진다.

반면, 누적 확인 응답은 수신한 데이터의 연속된 바이트 스트림 중, 가장 마지막으로 올바르게 수신된 바이트의 다음 번호(ACK 번호)를 송신 측에 알리는 근본적인 TCP 확인 응답 방식이다. 지연된 ACK는 '언제' ACK를 보낼지에 대한 타이밍 제어 기법이라면, 누적 확인 응답은 ACK 패킷이 '무엇을' 담고 있어야 하는지에 관한 의미론적 규칙이다. 따라서 지연된 ACK는 누적 확인 응답 방식을 사용하는 TCP 위에서 동작하는 하나의 구현 최적화 기법으로 볼 수 있다.

두 개념의 핵심 차이는 목적과 작동 수준에 있다. 다음 표를 통해 비교할 수 있다.

요약하면, 지연된 ACK는 '하나의 ACK로 여러 패킷 수신을 확인한다'는 점에서 표면적으로 유사해 보일 수 있으나, 이는 전송 타이밍의 최적화에 가깝다. 누적 확인 응답은 프로토콜 차원에서 '수신한 데이터의 누적 범위를 하나의 번호로 보고한다'는 더 근본적이고 필수적인 규약이다.

누적 확인 응답은 TCP에서 데이터그램 전송 시 네트워크 대역폭을 더 효율적으로 사용하도록 돕는다. 핵심은 수신자가 여러 개의 세그먼트를 수신한 후, 마지막으로 올바르게 수신된 데이터의 위치를 가리키는 하나의 ACK 번호만을 송신자에게 회신하는 방식이다. 이로 인해 각각의 데이터 패킷에 대해 하나의 확인 응답 패킷을 보내야 하는 오버헤드가 크게 줄어든다. 결과적으로 네트워크 상에서 실제 데이터 전송에 사용할 수 있는 대역폭의 비율이 증가한다.

이 효율성은 특히 왕복 시간이 길거나 대역폭 지연 곱이 큰 네트워크 환경에서 두드러진다. 예를 들어, 지구 정지 궤도 위성 통신이나 대륙 간 해저 케이블 링크와 같이 지연이 큰 링크에서는 ACK 패킷이 차지하는 트래픽의 상대적 비중이 높을 수 있다. 누적 확인 응답은 이러한 불필요한 트래픽을 최소화하여, 제한된 대역폭 내에서 더 많은 유용한 데이터를 실어 나를 수 있게 한다.

효율성 향상은 다음과 같은 간단한 비교를 통해 설명할 수 있다.

표에서 보듯이, 수신자가 10개의 연속된 데이터 세그먼트를 성공적으로 받았다면, 개별 확인 응답 방식은 10개의 ACK 패킷을 보내야 한다. 반면 누적 확인 응답은 '세그먼트 10번까지 모두 수신함'을 의미하는 하나의 ACK 번호(예: ACK 11)만 보내면 된다. 이로 인해 네트워크 자원이 데이터 전송에 더 집중될 수 있어 전체적인 처리량이 향상된다.

누적 확인 응답은 네트워크 내 패킷 수를 줄여 혼잡을 완화하는 효과를 가져온다. 표준적인 동작에서 수신자는 연속된 데이터 세그먼트를 받을 때마다 각각에 대한 ACK를 즉시 보내야 한다. 이는 작은 크기의 제어 패킷이 빈번히 전송되어 네트워크 자원을 소모하고, 특히 혼잡 구간에서는 추가적인 부하를 유발한다. 누적 확인 응답을 사용하면, 수신자는 여러 데이터 세그먼트를 수신한 후 하나의 ACK로 이를 통합하여 응답한다. 이로 인해 네트워크를 오가는 패킷의 총 개수가 감소하고, 결과적으로 라우터의 버퍼 오버플로우 가능성이 낮아져 혼잡이 감소한다.

이 메커니즘은 혼잡 제어 알고리즘과 시너지 효과를 낸다. TCP의 혼잡 제어는 패킷 손실을 혼잡의 주요 신호로 간주한다. 불필요한 ACK 패킷의 수가 줄어들면, 네트워크 경로상의 큐잉 지연이 감소하고 패킷 손실 가능성도 낮아진다. 이는 송신 측의 혼잡 윈도우가 불필요하게 줄어드는 것을 방지하여 전체적인 처리량을 안정적으로 유지하는 데 기여한다. 간접적으로, 네트워크의 여유 대역폭을 데이터 전송에 더 효율적으로 사용할 수 있게 된다.

따라서 누적 확인 응답은 단순히 효율성을 높이는 것을 넘어, 네트워크의 건강한 상태를 유지하고 혼잡 붕괴를 예방하는 데 기여하는 중요한 기능이다.

누적 확인 응답의 가장 큰 장점은 네트워크 혼잡을 줄이고 대역폭 사용 효율을 높이는 것이다. 여러 개의 개별 패킷에 대해 각각 ACK를 보내는 대신, 하나의 누적 ACK로 여러 패킷의 수신을 확인하므로 네트워크 상의 제어 트래픽이 크게 감소한다. 이는 특히 왕복 시간이 길거나 대역폭이 제한된 네트워크 환경에서 전체 처리량을 향상시키는 데 기여한다.

또한, 수신 측의 버퍼 관리와 데이터 재조립을 단순화한다. 누적 ACK 번호는 '이 번호까지의 모든 데이터를 성공적으로 수신했다'는 명확한 정보를 제공하므로, 송신 측은 해당 번호 이전의 데이터에 대한 재전송을 고려할 필요가 없어진다. 이는 TCP와 같은 신뢰성 있는 프로토콜에서 재전송 메커니즘을 효율적으로 동작시키는 기반이 된다.

마지막으로, 슬라이딩 윈도우 프로토콜과 자연스럽게 결합되어 흐름 제어를 효과적으로 수행할 수 있다. 송신 측은 수신 측으로부터 받은 최신 누적 ACK 번호를 기준으로 송신 윈도우를 앞으로 이동시켜 연속적인 데이터 전송을 가능하게 한다. 이는 전송 지연을 최소화하고 처리량을 극대화하는 데 핵심적인 역할을 한다.

누적 확인 응답은 네트워크 혼잡을 줄이고 효율성을 높이지만, 몇 가지 고유한 단점과 구현 시 주의해야 할 사항이 존재한다.

가장 큰 단점은 패킷 손실에 대한 정보 제공이 제한적이라는 점이다. 수신자가 누적 확인 응답을 보낼 때, ACK 번호는 지금까지 성공적으로 수신한 가장 높은 연속된 바이트 시퀀스를 가리킨다. 따라서 중간에 하나의 세그먼트가 손실되면, 그 이후에 도착한 모든 데이터에 대한 ACK도 동일한 번호로 반복되어 전송된다. 송신자는 이 중복 ACK를 통해 손실을 추측할 수 있지만, 정확히 어떤 패킷들이 성공적으로 도착했는지 알 수 없다. 이는 불필요한 재전송을 유발하거나, Selective ACK 같은 확장 기능이 없을 경우 복구 속도를 저하시킬 수 있다.

또한, 버퍼 관리와 애플리케이션 설계에 주의가 필요하다. 수신 측에서는 아직 도착하지 않은 이전 패킷을 기다리며 후속 패킷들을 버퍼에 보관해야 한다. 만약 버퍼 공간이 부족하거나 애플리케이션이 데이터를 순차적으로 처리해야 하는 경우, 이러한 대기로 인해 지연이 발생할 수 있다. 네트워크 상태가 불안정하여 패킷 손실이 빈번하게 일어난다면, 누적 확인 응답의 효율성은 크게 떨어지고, 오히려 성능을 해칠 수도 있다.

TCP 혼잡 제어 알고리즘은 네트워크의 혼잡을 감지하고 조절하여 패킷 손실을 최소화하고 공정한 대역폭 분배를 목표로 합니다. 이 알고리즘들은 누적 확인 응답을 통해 수신된 데이터의 범위를 송신 측에 알려주며, 이 정보를 바탕으로 혼잡 윈도우의 크기를 동적으로 조정합니다. 혼잡 윈도우는 한 번에 전송할 수 있는 데이터의 양을 결정하는 핵심 매개변수입니다.

주요 TCP 혼잡 제어 알고리즘은 다음과 같은 단계와 메커니즘으로 구성됩니다.

이러한 알고리즘들은 Reno, NewReno, CUBIC 등 다양한 변형으로 발전해 왔습니다. 예를 들어, CUBIC TCP는 윈도우 증가를 시간의 3차 함수에 기반하여 조정함으로써 고대역폭·고지연 네트워크에서 더 나은 성능을 보입니다. 모든 알고리즘의 공통점은 누적 확인 응답을 통해 네트워크 상태를 간접적으로 추정하고, 그 피드백에 따라 전송 속도를 조절한다는 점입니다.

Selective ACK (SACK)은 누적 확인 응답의 한계를 보완하기 위해 설계된 TCP 확장 옵션이다. 기본적인 누적 확인 응답은 수신자가 연속된 데이터 세그먼트 중 가장 높은 순서 번호까지의 모든 데이터를 성공적으로 수신했음을 의미한다. 따라서 단일 세그먼트의 손실이 발생하면, 그 이후에 도착한 모든 정상적인 세그먼트에 대해 중복 ACK를 보내게 되어, 송신자는 손실된 하나의 세그먼트만 재전송하는 대신 손실 지점부터 모든 데이터를 재전송해야 할 수 있다. 이 현상을 '굽은 파이프 현상(go-back-N)'이라고 부른다.

SACK은 이 문제를 해결하기 위해 수신자가 비연속적으로 수신한 데이터 블록의 정확한 범위를 송신자에게 알릴 수 있게 한다. SACK 옵션은 TCP 헤더에 포함되며, 수신된 데이터의 시작과 끝 시퀀스 번호를 쌍으로 나열한다. 이를 통해 송신자는 정상적으로 수신된 데이터 블록을 파악하고, 정확히 손실되거나 누락된 세그먼트만 선택적으로 재전송할 수 있다. 이는 네트워크 효율성을 크게 향상시킨다.

SACK의 동작은 협상에 기반한다. 연결 설정 단계인 3방향 핸드셰이크 동안, 양쪽 호스트가 각자의 SYN 세그먼트에 SACK 허용 옵션을 포함시켜야 한다. 협상이 성공하면, 데이터 전송 단계에서 수신자는 중복 ACK와 함께 SACK 블록 정보를 포함시켜 송신자에게 피드백한다. 일반적인 구현에서는 최대 3개의 SACK 블록까지 한 번에 알릴 수 있어, 여러 곳에서 발생한 손실도 효율적으로 처리할 수 있다.

SACK은 네트워크 혼잡 상황에서 특히 효과적이다. 높은 패킷 손실률 환경에서 불필요한 재전송을 줄여 대역폭 낭비를 감소시키고, 전체적인 처리량을 향상시킨다. 이 기술은 TCP Reno나 TCP NewReno와 같은 기존 혼잡 제어 알고리즘과 결합되어 사용되며, 이후 등장한 더 발전된 알고리즘들의 기본적인 구성 요소가 되었다.