TCP

✒️ 2025-05-31 23:02 내용 수정

참고 자료 : NordVPN TCP UDP 차이: 두 프로토콜 비교

TCP(Transmission Control Protocol)

참고 자료 : 위키백과 전송 제어 프로토콜, wikipedia TCP, mdn web docs TCP

두 장치 간의 데이터를 순서대로 교환하게 하는 프로토콜

TCP는 인터넷 프로토콜 스위트(TCP/IP 모델)에서 전송 계층에 위치한다.
- 네트워크 참고.
데이터와 패킷이 보내진 순서대로 전달하는 것을 보장한다.
UDP와 같이 인터넷에서 데이터를 전송할 때 사용하는 프로토콜이다.

TCP 세그먼트

TCP 패킷은 정확한 표현이 아니며, TCP 세그먼트가 TCP 프로토콜 데이터 유닛을 의미하는 정확한 표현이다.
- 패킷(Packet)은 TCP/IP 모델 인터넷 계층에서 사용하는 데이터 단위다.
- 네트워크 PDU 참고.

TCP 세그먼트 생성

데이터 스트림으로부터 데이터를 받아들여 청크 단위로 분할한다.
분할된 청크에 TCP Header를 붙여 TCP 세그먼트를 만든다.
TCP 세그먼트를 IP 데이터그램에 패킷화하여 상대방과 주고받는다.

세그먼트 구조

TCP 세그먼트는 세그먼트 헤더와 데이터 두 부분으로 나뉜다.
TCP 헤더 : 송신 포트, 수신 포트 등 데이터 전송과 관련된 메타 데이터
데이터 : 응용 계층에서 생성한 전송할 데이터

헤더	설명
출발지와 목적지 포트 번호
순서 번호 (Sequence Number)	데이터의 순서와 재조립을 위한 번호
확인 응답 번호 (Acknowledgment Number)	패킷 수신 확인에 사용되는 일련번호
데이터 오프셋	TCP 헤더 크기
플래그	TCP 연결 설정, 종료, 데이터 전송 상태 등을 나타내는 플래그 정보
창 크기(Window size)	패킷을 받을 수 있는 창의 크기
체크섬(Checksum)	오류 검출을 위한 체크섬
긴급 포인터	긴급 데이터 바이트를 가리키는 포인터
기타 옵션

TCP의 동작

참고 자료 : mdn web docs TCP 핸드셰이크, Geeksforgeeks TCP 3-Way Handshake Process, Geeksforgeeks Why TCP Connect Termination Nedd 4-Way-Handshake, wikipedia TCP Protocol operation

TCP 연결은 통신을 위한 엔드포인트를 나타내는 리소스인 Network Socket를 통해 운영 시스템에 의해 관리된다.
- Network Socket(Internet Socket) : 컴퓨터 네트워크의 Network Node 내에 있는 소프트웨어 구조로, 노드 내의 작동 중인 애플리케이션의 프로세스 유지 동안에만 생성된다.
- Network Node : 통신 네트워크 내의 데이터를 주고 받는 상호작용 엔드포인트나 재분배 지점
- 참고 자료 : wikipedia Network Socket, wikipedia Node(networking)
TCP Socket 상태
- TCP 연결의 생명 주기 동안 각 로컬 엔드 포인트는 여러 단계의 상태 변화를 거친다.

상태	엔드포인트	설명
LISTEN	서버	서버가 연결 요청을 기다리는 상태
SYN-SENT	클라이언트	클라이언트가 연결 요청(SYN)을 보낸 후 응답을 기다리는 상태
SYN-RECEIVED	서버	서버가 SYN을 수신하고, SYN-ACK를 보낸 후 ACK를 기다리는 상태
ESTABLISHED	서버 클라이언트	연결이 성립되어 데이터 전송이 가능한 상태
FIN-WAIT-1	서버 클라이언트	연결 종료를 위해 FIN을 보낸 후 ACK 또는 FIN을 기다리는 상태
FIN-WAIT-2	서버 클라이언트	FIN에 대한 ACK를 받은 후, 상대방의 FIN을 기다리는 상태
CLOSE-WAIT	서버 클라이언트	상대방의 FIN을 수신하고, 애플리케이션의 종료 요청을 기다리는 상태
CLOSING	서버 클라이언트	양측이 동시에 FIN을 전송하고 상대방의 ACK를 기다리는 상태
LAST-ACK	서버 클라이언트	이전 연결 종료 요청에 대한 ACK와 연결 종료 요청 FIN을 보낸 후 상대방의 ACK를 기다리는 상태 마지막으로 상대의 ACK를 기다리는 상태
TIME-WAIT	서버 클라이언트	마지막 ACK를 보낸 후, 지연된 패킷이 네트워크를 떠날 때까지 기다리는 상태.
CLOSED	서버 클라이언트	연결이 존재하지 않는 상태

TCP 동작은 3단계로 나눌 수 있다.
- 연결 생성 : 클라이언트와 서버의 연결 설정
- 데이터 전송 : 클라이언트와 서버 간의 데이터 교환
- 연결 종료 : 클라이언트와 서버의 연결 종료

1. 연결 생성

클라이언트가 서버에 연결 시도를 하기 전에 서버는 연결에 사용할 포트에 바인딩하고, 해당 포트에서 연결 요청을 수신 대기해야 한다.
- 위 과정을 passive open이라고 한다.
passive open이 완료되면 클라이언트는 active open을 3-Way Handshake를 통해 시작하여 서버와의 연결을 시작할 수 있다.

TCP 3-Way Handshake

TCP/IP 네트워크의 두 장치 간의 신뢰할 수 있는 연결을 설정하는 방법이다.
3-Way Handshake, SYN-SYN-ACK로도 부른다.

SYN(Synchronize) : 클라이언트가 서버로 SYN을 전송하면서 active open이 수행된다.
- 클라이언트는 세그먼트 전송 시 임의의 초기 순서 번호(ex: A)를 설정한다.
SYN-ACK(SYN-Acknowledgment) : 이에 대한 응답으로 서버는 SYN-ACK를 클라이언트로 전송한다.
- Acknowledgment 숫자는 수신했던 세그먼트 초기 순서 번호에 1을 더한 값(ex: A+1)으로 설정한다.
- 서버는 패킷의 순서 번호를 또 다른 임의의 값(ex: B)으로 설정하여 전송한다.
ACK(Acknowledgment) : 클라이언트는 서버로 ACK를 보낸다.
- 순서 번호는 서버에서 수신한 Acknowledgment 숫자(ex: A+1)로 설정한다.
- 클라이언트는 서버에 전송할 Acknowledgment 숫자를 서버의 패킷 순서 번호에 1을 더한 값(ex: B+1)으로 설정한다.

이 과정을 통해 서버와 클라이언트는 서로의 순서 번호를 확인하고, 신뢰할 수 있는 전이중 통신(full-duplex communication)을 시작한다.

2. 데이터 전송

TCP는 데이터 전송 시 다양한 핵심 기능을 제공한다.

1) 순서가 보장된 전송

TCP는 순서 번호(Sequence Number)를 사용하여 데이터의 각 바이트를 식별할 수 있다.
이를 사용하여 전송한 데이터의 순서를 식별할 수 있어 데이터를 수신하는 측에서 순서 번호를 사용하여 데이터를 올바른 순서로 재조립할 수 있다.
Acknowledgment Number(확인 응답 번호)를 사용하여 데이터가 특정 바이트까지 수신 되었음을 알릴 수 있다.
- 애플리케이션에 데이터가 전달되었음을 의미하진 않는다.

2) 데이터 손실 확인 및 재전송

데이터 전송 시 데이터 손실을 감지하면 전송자는 데이터를 다시 보낸다.

재전송 타임아웃(RTO)
- 송신자가 데이터를 보낸 후, ACK 도착 시간을 확인하는 타이머를 가동하여 데이터의 손실 여부를 확인한다.
- ACK를 받지 못한 경우에만 작동하기 때문에 패킷 재정렬이나 지연으로 인한 오탐지 가능성이 있다.
중복 누적 ACK
- 세그먼트가 손실되면 세그먼트의 번호를 확인할 수 없다.
- 수신자는 누적 ACK 방식을 사용하기 때문에 세그먼트들의 번호를 누적으로 확인하며, 손실된 세그먼트 이후의 패킷을 확인할 수 없다.
- 따라서 이후의 데이터 패킷을 수신하더라도 수신하지 못한 세그먼에 대한 ACK를 계속 보낸다.
- 중복으로 누적된 확인 응답은 패킷 손실의 신호로 보고, 송신자가 수신자로부터 3번의 중복된 ACK를 확인하면 손실된 패킷을 다시 전송한다.
시간 기반 손실 감지(RACK)
- RTO와는 다른 시간 기반 알고리즘으로, 패킷의 전송 시간과 ACK 수신 시간을 비교하여 손실 여부를 판단한다.
- 참고 자료 : RACK: a time-based fast loss detection algorithm for TCP

3. 연결 종료

연결 종료 시엔 4-Way Handshake를 사용하여 양측의 연결을 독립적으로 종료한다.
3-Way Handshake 방식으로도 연결을 종료할 수 있다.
- 호스트 A가 FIN을 전송하고, 호스트 B가 FIN와 ACK를 합친 응답을 전송하고, 호스트 A가 ACK를 보내는 방식으로 한다.
하지만 TCP는 전이중 통신(full-duplex communication)을 지원하기에 양측이 독립적으로 데이터를 전송할 수 있어 한 쪽에서 종료 요청을 보내더라도 다른 쪽에서 데이터를 전송할 수도 있다.
- 이 경우는 half-open 상태로, 한 쪽은 연결을 종료하여 데이터를 더 이상 보낼 수 없지만, 다른 쪽은 데이터를 계속해서 전송할 수 있다.
따라서 각 방향의 데이터 전송을 독립적으로 종료할 필요가 있어 이를 구분하기 위한 FIN과 ACK 세그먼트가 필요하다.

TCP 4-Way Handshake

두 장치 간의 연결을 종료할 때 사용하는 방법이다.
각 TCP 엔드 포인트의 FIN와 ACK 세그먼트 쌍 교환으로 이루어진다.

FIN(종료 요청) : 클라이언트에서 FIN 패킷을 전송한다.
- active close로 FIN을 전송한 후 FIN_WAIT_1 상태이다.
ACK(확인 응답) : 서버에선 ACK 패킷으로 확인 응답을 보낸다.
- 서버는 클라이언트로부터 종료 요청을 수신하더라도 데이터를 독립적으로 더 전송할 수도 있다.
- passive close로 CLOSE_WAIT 상태이다.
- 클라이언트는 ACK를 수신 후 FIN_WAIT_2 상태가 된다.
FIN(종료 요청) : 서버에서 통신이 종료되면 FIN 패킷을 전송한다.
- 데이터 전송이 모두 완료된 후에 FIN 요청을 보낸다.
  - 따라서 2번 ACK와 상태가 다르기 때문에 ACK와 FIN을 동시에 보내는 것은 위험하다.
- 서버는 LAST_ACK 상태이며, 클라이언트는 FIN 수신 후 TIME_WAIT 상태가 된다.
ACK(확인 응답) : 클라이언트는 ACK 패킷을 전송하여 통신을 마무리한다.
- 서버는 ACK 수신 후 CLOSED 상태가 되며, 클라이언트도 CLOSED 상태가 된다.