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TCP(Transmission Control Protocol)

IP 계층 위에서 동작하는 TCP는 연결 지향 프로토콜입니다. 마치 물리적인 선로로 연결되어 있는 것처럼 가상의 연결 통로를 설정하여 통신합니다. 그만큼 정확한 데이터 전송을 요구하며 신뢰성을 보장하기 때문에 신뢰할 수 있는 프로토콜(Reliable Protocol)이라고 합니다. 신뢰성 보장을 위해서 다음의 제어를 수행합니다. 

1) 흐름 제어(Flow Control)

데이터를 보내는 사람, 받는 사람이 있다고 할때 줄 수 있는 양, 받을 수 있는 양이 다릅니다. 그래서 상대방이 받을 수 있을 만큼의 양으로 적절히 전송하는 것을 흐름제어라고 합니다. 

2) 혼잡 제어(Congestion Control)

네트워크가 혼잡해지면 송신자가 데이터의 전송량을 제어하는 것을 뜻합니다. 혼잡하다라는 것을 어떻게 알 수 있을까요? 데이터의 손실 발생이 많아지면 이는 즉, 네트워크가 혼잡한 상태로 판단하여 전송량을 제어하게 됩니다.

3) 오류 제어(Error Control)

데이터의 오류나 손실없는 전송을 보장해주는 것이 혼잡 제어입니다. 오류 발생 시 TCP는 데이터를 제전송합니다.

TCP 헤더

TCP 프로토콜은 신뢰성을 보장하기 위해서 헤더에 많은 정보를 포함하게 되는데 각 필드에 어떤 정보를 포함하는지 알아보도록 하겠습니다.

- Source Port: 출발지의 포트, 즉 데이터를 보내는 컴퓨터의 포트 정보입니다. 컴퓨터가 갖을 수 있는 포트는 65536개이므로 사이즈가 2바이트인것을 확인하세요. 

- Destination Port: 반대로 목적지의 포트입니다. 

- Sequence Number : 송신 데이터의 일련 번호를 담고 있습니다. 

- Acknowledgement Number : 그전의 데이터를 잘 받았다는 표시로 상대방이 다음에 전송할 일련번호를 담고 있습니다. 줄여서 ACK라고 하겠습니다.

- HLEN(Header Length) : 헤더의 정보를 담고 있습니다. 4 bits의 워드 단위입니다. 헤더의 길이는 최소 20바이트 ~ 60바이트까지입니다.

- Reserved : 예약된 비트입니다. 아직 사용하지 않습니다. 나중을 위해서 남겨두는 비트인 셈이지요.

- Control Flags 

- Window Size :  수신자에서 송신자로 보내는 수신자의 윈도우 사이즈입니다. 즉, 수신 버퍼의 여유공간 크기를 의미하게 되지요. 송신자는 이 윈도우 사이즈 범위 내에서 수신측의 수신 확인(ACK)을 확인하지 않고 연속적으로 데이터를 보낼 수 있습니다.

- Checksum : 오류를 검사하기 위한 필드입니다. 전체 데이터가 오류가 나 변형되었는지 확인합니다. 

- Urgent Pointer : 긴급 데이터의 위치값을 담고 있습니다. 

TCP의 연결 설정 과정(3-way handshake)

TCP연결은 어떻게 연결이 될까요? 3단계 절차에 따라서 연결이 성립됩니다. 이때 사용되는 FLAG는 2개입니다. 바로 SYN과 ACK입니다. 다음의 그림을 통해서 연결과정을 알아보도록 합시다.

1. 최초 클라이언트 측에서 동기화를 위해 SYN FLAG와 함께 Seq(uence) Number를 임의로 설정해서 보내줍니다. 이때 최초의 Seq number를 ISN(Initial Sequence Number)라고 합니다.

아직 상대방에게서 데이터를 수신하지 않았으므로 Ack(nowledgement) Number 필드는 비어있네요. SYN 패킷을 보냈으므로 클라이언트의 상태는 SYN_SENT가 됩니다. 서버는 SYN을 받았으므로 SYN_RECV 상태 또는 SYN_RCVD상태가 됩니다.

이때 클라이언트가 적극적으로 연결 요청을 하고 있네요. 이것을 Active Open이라 합니다. 서버는 수동적으로 받아들이고 있네요. 이것을 Passive Open이라고 합니다.

2. 서버에서 동기화 요청을 받았으면 잘 받았으니 연결하자고 요청합니다. 클라이언트에서 보낸 Ack number에 받은 Seq에 +1을 하여 다음 Seq Number를 요구합니다. 클라이언트의 Seq number가 100이므로 101을 Ack number로 보내는 군요. 또한 자신도 역시 ISN을 설정하여 다시 클라이언트로 보냅니다. 

이때 사용한 플래그는 ACK와 SYN입니다. ACK와 SYN이 유요한 데이터이기 때문이죠. 이 페킷을 보낸 후 서버는 연결 확립(ESTABLISHED)상태가 됩니다. 

3. 클라이언트는 이에 대한 응답으로 서버에게 ACK num을 설정하여 보냅니다. 이 패킷을 준 후 클라이언트도 연결 확인 상태가 됩니다.

이렇게 보면 초기에 데이터가 왔다 갔다 3번하고 있죠? 이것을 3-Way Handshake라고 합니다.

아래는 실제 3 way handshake를 와이어샤크로 찍어본 화면입니다.

연결 종료(4-way handshake)

정상적인 연결 종료는 FIN, ACK의 플래그를 통해서 이루어집니다. 아래와 같이 4단계를 거쳐 연결이 종료가 됩니다. 

1. 연결상태에 있던 클라언트가 연결을 종료하기 위해 FIN을 보냅니다. 이때 클라이언트의 상태는 FIN_WAIT_1 상태가 되고 서버는 CLOSE_WAIT 상태가 됩니다. 3 way handshake와 마찬가지로 먼저 close요청을 한쪽이 Active Close, 받은쪽이 Passive Close라고 합니다.

2. 수신하는 서버는 이에 대한 응답으로 ACK를 보냅니다. 이때 클라이언트는 FIN_WAIT_2의 상태가 됩니다.

3. 서버는 이 후 소켓을 받는 시스템 콜(close)을 호출할때까지 대기 상태로 있다가 소켓이 종료되면 FIN을 보냅니다. 마지막 FIN과 함께 ACK를 보냈으므로 LAST_ACK 상태가 됩니다.

4. 서버로부터 FIN을 받은 클라이언트는 ACK응답을 하여 2MSL만큼의 시간(보통 1분에서 4분)이후 연결 종료 상태(CLOSED)가 됩니다. 서버 CLOSED상태가 되어 연결이 종료됩니다.

이러한 과정을 4-way handshake로 연결이 정상적으로 연결이 종료되는 과정입니다.