빠른 재전송 기법

재전송 트리거 조건은 빠른 재전송 기법이 기존의 타임아웃 기반 재전송과 구분되는 핵심 메커니즘이다. 이 기법은 패킷 손실을 더 빠르게 감지하기 위해, 수신 측으로부터 오는 확인응답 패킷의 특정 패턴을 신호로 삼는다.

주요 트리거는 중복 확인응답의 수신이다. 송신 측이 동일한 시퀀스 번호를 가진 확인응답을 연속적으로 세 번 받으면[2], 해당 확인응답이 요청하는 다음 데이터 패킷이 손실되었다고 간주하고 즉시 재전송을 시작한다. 이는 정상적인 흐름에서는 발생하지 않는 현상으로, 수신 측이 예상한 패킷이 도착하지 않아 이미 수신한 마지막 패킷에 대한 확인응답을 반복적으로 보내기 때문에 발생한다.

이 조건은 네트워크의 일시적인 혼잡에 의한 단일 패킷 손실에 최적화되어 있다. 반면, 연속적인 다중 패킷 손실이나 버퍼 오버플로우로 인한 급격한 변화에는 타임아웃이 여전히 주요 재전송 트리거로 작동한다. 따라서 빠른 재전송은 타임아웃 메커니즘을 대체하지 않고 보완하는 역할을 한다.

빠른 재전송 기법의 핵심은 중복 확인 응답을 효율적으로 감지하고 해석하는 ACK 관리 방식에 있다. 일반적인 TCP에서는 누적 ACK 방식을 사용하여 특정 시퀀스 번호까지의 모든 데이터가 정상 수신되었음을 알린다. 빠른 재전송은 이 기본적인 ACK 관리 방식을 확장하여, 연속되지 않은 세그먼트의 도착을 나타내는 중복 ACK의 패턴을 특별한 신호로 활용한다.

구체적으로, 수신자는 예상된 순서와 다른 세그먼트가 도착할 때마다, 마지막으로 정상 수신한 시퀀스 번호에 대한 중복 ACK를 송신측에 보낸다. 송신측은 이러한 중복 ACK를 단순한 중복이 아닌, 특정 패킷이 손실되었을 가능성을 나타내는 지표로 해석한다. 일반적으로 3개의 중복 ACK[3]가 연속으로 수신되면, 해당 ACK가 가리키는 다음 시퀀스 번호의 데이터 패킷이 손실되었다고 판단하고, 재전송 타이머가 만료되기 전에 즉시 해당 패킷을 재전송한다.

이 방식은 기존의 타임아웃 기반 재전송과 근본적으로 다르다. 타임아웃은 네트워크 왕복 지연 시간에 크게 의존하며, 일반적으로 수백 밀리초에서 수초에 이르는 긴 대기 시간을 필요로 한다. 반면, 중복 ACK 기반의 ACK 관리는 데이터 흐름 내에서 실시간으로 피드백을 생성하므로, 손실 감지 및 복구까지의 지연을 크게 단축시킨다. 이는 혼잡 창 크기를 급격히 줄이는 혼잡 회피 알고리즘의 동작을 유발하기 전에 손실을 신속히 복구하여 전체 처리량을 유지하는 데 기여한다.

TCP Fast Retransmit은 빠른 재전송 기법의 핵심적인 구현 방식 중 하나이다. 이 방식은 TCP의 전통적인 타임아웃 기반 재전송 메커니즘의 단점을 보완하기 위해 고안되었다. 표준 TCP는 세그먼트 손실을 감지하기 위해 RTT(왕복 시간)를 기반으로 계산된 재전송 타임아웃 값을 사용한다. 그러나 네트워크 지연이 변동할 경우 RTT 추정이 부정확해져 타임아웃이 불필요하게 길어질 수 있으며, 이는 처리량을 현저히 저하시킨다.

TCP Fast Retransmit은 세 개의 중복 ACK 패킷을 수신하는 것을 패킷 손실의 강력한 지표로 간주한다. 송신 측이 동일한 시퀀스 번호를 가진 ACK를 연속적으로 세 번 받으면, 해당 ACK가 확인응답하는 다음 예상 시퀀스 번호의 데이터 세그먼트가 손실되었다고 판단하고, 타임아웃을 기다리지 않고 즉시 해당 세그먼트를 재전송한다. 이는 손실 감지까지 걸리는 시간을 크게 단축시킨다.

이 기법의 동작을 구체적으로 설명하면 다음과 같다. 수신 측은 순서대로 도착하지 않은 세그먼트를 받을 때마다 마지막으로 정상적으로 받은 순차적인 데이터에 대한 ACK를 반복적으로 보낸다. 예를 들어, 송신 측이 패킷 1, 2, 3, 4, 5를 보냈을 때 패킷 2가 손실되고 패킷 3, 4, 5가 도착하면, 수신 측은 패킷 1에 대한 ACK를 세 번 추가로 보내게 된다. 송신 측이 이 중복 ACK를 세 번 받는 순간 패킷 2의 손실을 확신하고 재전송을 시작한다.

이 방식은 타임아웃이 발생할 때까지의 공백 시간을 제거하여 전송 지연을 줄이고 대역폭 활용도를 높인다. 그러나 연속적인 패킷 손실이 발생하거나 윈도우 크기가 매우 작은 경우에는 충분한 중복 ACK가 생성되지 않아 기법이 동작하지 않을 수 있으며, 이때는 기존의 타임아웃 메커니즘에 의존하게 된다.

Selective Acknowledgment은 TCP의 빠른 재전송 기법을 보완하는 옵션이다. 기존의 누적 확인 응답 방식은 수신자가 연속된 데이터 세그먼트 중 일부만 손실되어도, 손실된 시퀀스 번호 이후의 모든 데이터에 대해 중복 확인 응답을 보내야 했다. 이로 인해 여러 개의 데이터 세그먼트가 한꺼번에 손실된 경우, 송신자가 모든 손실을 정확히 파악하고 효율적으로 재전송하기 어려웠다.

SACK 옵션은 TCP 헤더에 포함되어, 수신자가 비연속적으로 수신한 데이터 블록의 정확한 범위를 송신자에게 알려준다. 이를 통해 송신자는 어떤 특정 패킷들이 손실되었는지 정확히 식별할 수 있다. 예를 들어, 수신자가 시퀀스 번호 1000-1999, 3000-3999의 데이터는 성공적으로 받았지만, 그 사이의 2000-2999 데이터는 받지 못했다면, SACK 옵션을 통해 이 두 개의 수신된 데이터 블록 정보를 함께 전송한다.

이 방식은 특히 대역폭 지연 곱이 큰 네트워크에서 여러 패킷 손실이 발생할 때 처리량을 크게 향상시킨다. 송신자는 한 번의 재전송 타임아웃 주기 안에 여러 개의 손실된 세그먼트를 선택적으로 재전송할 수 있어, 네트워크 활용도를 높인다. SACK의 동작은 수신자와 송신자 모두에서 해당 옵션을 협상하고 지원해야 하며, 현대 대부분의 TCP 구현체에서 표준적으로 사용된다.

빠른 재전송 기법의 핵심 목표는 패킷 손실로 인한 데이터 전송 지연을 최소화하는 것이다. 기존의 타임아웃 기반 재전송 방식은 손실을 감지하기까지 긴 대기 시간이 필요하지만, 빠른 재전송은 중복 ACK 신호를 즉시 활용하여 손실을 빠르게 판단하고 재전송을 개시한다. 이로 인해 애플리케이션 계층에서 경험하는 전체 지연 시간이 크게 단축된다.

지연 감소 효과는 특히 왕복 지연 시간이 크거나 패킷 손실율이 높은 네트워크 환경에서 두드러진다. 예를 들어, 위성 통신이나 장거리 광섬유 링크에서는 한 번의 타임아웃이 수백 밀리초에서 수초에 이를 수 있다. 빠른 재전송은 이러한 긴 대기 시간을 수신측에서 보내는 중복 ACK 수신 직후, 일반적으로 몇 밀리초 내에 재전송을 트리거함으로써 사실상 제거한다.

결과적으로, TCP를 사용하는 대화형 애플리케이션(예: 원격 데스크톱, 온라인 게임)이나 실시간성이 요구되는 데이터 스트리밍에서 사용자 체감 성능이 향상된다. 데이터 흐름의 공백이 짧아지고, 처리량 저하 기간도 줄어들어 전체적인 데이터 전송 효율성이 높아진다.

빠른 재전송 기법은 네트워크 혼잡으로 인한 불필요한 타임아웃 대기를 줄여, 전체적인 네트워크 처리량을 증가시키는 효과를 가져온다. 기존 TCP의 표준 재전송 방식은 패킷 손실을 감지하기 위해 RTT 기반의 타임아웃을 기다려야 했으며, 이 대기 시간 동안 송신자는 새로운 데이터 전송을 멈추거나 매우 느린 속도로 진행해야 했다. 빠른 재전송은 중복 ACK를 통해 손실을 조기에 감지하고 즉시 재전송함으로써, 이 유휴 시간을 크게 단축하고 링크를 더 효율적으로 활용하게 한다.

처리량 증가의 핵심 메커니즘은 송신 윈도우의 빠른 전진에 있다. TCP 슬라이딩 윈도우 프로토콜에서, 수신 측이 기대하는 다음 시퀀스 번호보다 높은 번호의 패킷이 도착하면 중복 ACK가 발생한다. 세 개의 중복 ACK는 단일 패킷 손실을 강력히 시사하며, 송신자는 타임아웃을 기다리지 않고 해당 패킷을 재전송한다. 이 재전송이 성공적으로 확인되면, 송신 윈도우는 손실이 해결된 시점까지 전진할 수 있어, 데이터 흐름의 정체를 해소하고 지속적인 고속 전송을 가능하게 한다.

성능 향상 정도는 네트워크 조건에 따라 다르다. 다음 표는 일반적인 조건에서의 처리량 비교를 보여준다.

특히 왕복 지연 시간이 크거나 패킷 손실률이 높은 네트워크 환경에서 그 효과가 두드러진다. 위성 통신이나 장거리 광역 네트워크와 같이 RTT가 긴 링크에서는 타임아웃 대기 시간이 수백 밀리초에 이를 수 있어, 빠른 재전송 없이는 처리량이 극도로 저하된다. 빠른 재전송은 이러한 환경에서도 데이터 흐름의 연속성을 유지시켜, 가능한 최대 대역폭에 가까운 처리량을 유지하는 데 기여한다.

빠른 재전송 기법은 중복 ACK를 기반으로 패킷 손실을 판단하기 때문에, 패킷 손실이 아닌 다른 원인으로 중복 ACK가 발생하면 불필요한 재전송을 유발할 수 있습니다. 이를 잘못된 재전송이라고 합니다. 가장 흔한 원인은 패킷 재정렬입니다. 네트워크 경로가 변경되거나 로드 밸런서를 통과하는 과정에서 패킷의 도착 순서가 뒤바뀌면, 수신자는 예상 시퀀스 번호보다 큰 번호의 패킷을 받게 됩니다. 이 경우 수신자는 예상 번호에 대한 중복 확인 응답을 반복적으로 보내게 되고, 송신자는 이를 패킷 손실로 오인하여 재전송을 실행합니다. 실제로 원본 패킷은 지연되어 후에 도착할 수 있으므로, 이 재전송은 불필요합니다.

잘못된 재전송은 네트워크 효율을 저하시킵니다. 불필요한 패킷이 링크를 차지하여 대역폭을 낭비하고, 수신 측에서는 중복된 패킷을 처리해야 하는 오버헤드가 발생합니다. 또한, 송신 측의 혼잡 제어 알고리즘에 악영향을 줄 수 있습니다. 예를 들어, TCP의 경우 불필요한 재전송이 발생하면 혼잡 창 크기를 불필요하게 줄이는 동작을 유발하여 전체 처리량을 감소시킬 수 있습니다.

이 문제를 완화하기 위해 여러 기법이 개발되었습니다. 대표적으로 재전송 시간 초과 값을 보수적으로 설정하거나, 중복 ACK 개수 임계값(일반적으로 3)을 상황에 따라 조정하는 방법이 있습니다. 또한, SACK 옵션을 사용하면 수신자가 정확히 어떤 세그먼트를 받았는지 알려줄 수 있어, 재정렬로 인한 오판 가능성을 줄이는 데 도움이 됩니다. 최근 연구에서는 패킷 지연 변화를 모니터링하여 재정렬과 손실을 구분하려는 시도도 이루어지고 있습니다.

빠른 재전송 기법은 패킷 손실을 신속히 감지하고 복구하여 성능을 개선하지만, 네트워크 혼잡 상태와 밀접하게 연관되어 있다. 이 기법의 핵심 트리거인 중복 ACK는 주로 패킷 손실에 의해 발생하지만, 네트워크 경로상의 패킷 재정렬도 원인이 될 수 있다. 따라서 빠른 재전송이 항상 실제 혼잡을 의미하는 것은 아니며, 잘못된 재전송을 유발할 수 있다.

표준 TCP의 혼잡 제어 알고리즘은 빠른 재전송이 발생하면 이를 네트워크 혼잡의 징후로 해석한다. 결과적으로 혼잡 윈도우 크기를 급격히 줄이는 혼잡 회피 단계로 진입한다. 이는 불필요한 재전송이 빈번하게 일어날 경우, 네트워크 실제 대역폭을 충분히 활용하지 못하게 하여 처리량을 저하시키는 원인이 된다.

이러한 문제를 완화하기 위해 TCP NewReno나 TCP CUBIC과 같은 개선된 프로토콜에서는 빠른 재전송 후의 복구 메커니즘을 보강하였다. 예를 들어, 부분적인 ACK를 수신했을 때의 동작을 정교화하여 여러 패킷이 한 번에 손실된 상황에서도 한 번의 빠른 재전송 주기 내에 복구를 완료할 수 있도록 한다. 이를 통해 불필요한 재전송 타임아웃을 줄이고, 혼잡 윈도우를 보다 효율적으로 관리할 수 있다.

결론적으로, 빠른 재전송 기법의 효과는 네트워크 혼잡 상태를 정확히 판단하고 이에 적응하는 혼잡 제어 알고리즘의 성능에 크게 의존한다. 두 메커니즘의 상호작용을 최적화하는 것이 전체 TCP 성능 향상의 핵심 과제 중 하나이다.

빠른 재전송 기법은 실시간 스트리밍 서비스의 품질을 보장하는 핵심 기술 중 하나이다. 이 서비스는 지터나 버퍼링 없이 데이터를 지속적으로 재생해야 하므로, 패킷 손실에 따른 재전송 지연은 사용자 경험에 직접적인 영향을 미친다. 전통적인 타임아웃 기반 재전송은 손실 감지까지 긴 시간이 소요되어 스트림이 끊기거나 화질이 급격히 저하될 수 있다. 빠른 재전송은 중복 ACK를 통해 손실을 조기에 탐지하고 즉시 해당 패킷만을 재전송함으로써, 재생 버퍼의 고갈을 방지하고 끊김 없는 재생을 유지하는 데 기여한다.

주로 TCP 기반의 적응형 비트레이트 스트리밍에서 중요한 역할을 한다. HTTP 기반 동적 적응 스트리밍과 같은 프로토콜은 네트워크 상태에 따라 전송 비트레이트를 동적으로 조절한다. 빠른 재전송은 패킷 손실을 신속히 복구하여 대역폭 추정 알고리즘에 정확한 피드백을 제공하고, 이에 따라 더 적절한 비트레이트의 미디어 세그먼트로 전환하는 결정을 돕는다. 결과적으로 불필요한 비트레이트 하락을 줄이고 보다 안정적이고 선명한 화질을 유지할 수 있게 한다.

그러나 극도로 낮은 지연이 요구되는 실시간 인터랙티브 스트리밍[5]에서는 재전송 자체가 부적합할 수 있다. 이러한 경우 빠른 재전송 대신 순방향 오류 수정 기법이 주로 사용된다. 빠른 재전송은 지연에 일정한 여유가 있는 주문형 비디오 스트리밍 또는 라이브 이벤트 스트리밍에서 가장 효과적으로 적용되어 서비스의 신뢰성과 사용자 만족도를 높인다.

빠른 재전송 기법은 대용량 파일 전송 시 전체 처리량을 크게 향상시키고 전송 완료 시간을 단축하는 핵심 메커니즘이다. 기존의 타임아웃 기반 재전송은 세그먼트 손실을 감지하는 데까지 긴 시간이 소요되어, 특히 왕복 지연 시간이 큰 네트워크에서 파일 전송 성능이 급격히 저하되었다. 빠른 재전송은 중복 ACK를 빠르게 감지하여 타임아웃을 기다리지 않고 손실된 세그먼트를 즉시 재전송함으로써 이 문제를 해결한다. 이는 수 기가바이트에 이르는 대용량 파일을 전송할 때 전송 창이 빈번히 정체되는 것을 방지하고, 대역폭을 지속적으로 높은 수준으로 활용할 수 있게 한다.

구체적으로, TCP를 사용한 대용량 파일 전송에서 Selective Acknowledgment 옵션과 결합된 빠른 재전송은 그 효과가 극대화된다. SACK는 수신자가 연속되지 않은 데이터 블록의 정상 수신을 송신자에게 알려줄 수 있어, 여러 개의 패킷이 연속으로 손실된 상황에서도 효율적인 재전송이 가능하다. 이 조합은 단일 손실에 대한 복구를 넘어, 버스트 손실이 발생하는 네트워크 환경에서도 전송 효율을 유지하는 데 기여한다. 결과적으로 파일 서버나 클라우드 스토리지 서비스 간의 백업, 소프트웨어 배포, 미디어 애셋 전송 등에서 전송 시간이 예측 가능하고 안정적으로 단축된다.

이 기법은 파일 전송 프로토콜이나 HTTP 기반의 파일 다운로드와 같은 애플리케이션 계층 프로토콜의 성능 기반이 된다. 전송 계층에서 손실을 효율적으로 복구함으로써 애플리케이션은 대용량 데이터를 빠르고 안정적으로 교환할 수 있다. 따라서, 현재 대부분의 현대 운영 체제의 TCP 스택은 빠른 재전송과 SACK를 기본적으로 활성화하여 대용량 파일 전송 성능을 보장한다.