[네트워크] TCP의 3 way handshake와 4 way handshake

👉TCP 동작 방식

소켓 생성 -> 3- way handshake(연결) -> 데이터 송신, 수신 -> 4-way handshake(연결 끊기)

 

TCP 는 두 호스트가 교환하는 데이터와 승인 메세지의 형식을 정의해 , 서버와 클라이언트 간의 데이터를 신뢰성있게 전달하기 위해 만들어준 규약이다. 

네트워크 선로를 통해 데이터가 전달이 되는데 데이터를 전달하는 과정에서 그 순서가 바뀌거나 데이터가 손실이 되어 전달 될 수 있다. 그래서 TCP는 데이터 패킷에 일련의 번호를 부여함으로써, 데이터 손실을 찾아내 교정하고, 순서를 재조합해 클라이언트에게 전달할 수 있게 해준다.

데이터 전달 보증, 순서를 보장 할 수 있는 이유는 3-way handshake 과정이 있기 때문이다.

👉3-way handshake

정확한 전송을 보장해야하기 때문에 통식하기 전 논리적인 접속을 성립하기 위해 3-way handshake 과정을 진행한다. 

CLOSED -> 연결 요청을 시작하지 않았기 때문에 아무런 연결도 없는 상태

LISTEN -> 포트가 열린 상태로 연결 요청 대기 중인 상태

a -> Sequence Number   b-> Acknowledgment Number

ACK -> 동기화 요청에 대한 답변은 Sequence Number에 +1을 해 ACK로 돌려준다.

 

(1) Client에서 Server에게 SYN(a) 패킷을 보낸다. 이 때 Client의 상태는 SYN을 보냈다는 SYN_SENT 상태로 바뀌게 된다.

 

(2) Server에서는 SYN을 받았다는 SYN_RECEIVED 상태로 바뀐다. 그 후 Client에게 잘 받았다는 응답의 ACK(a+1)과 SYN(b)를 보낸다.

 

(3) Client에서는 상호 연결이 된 상태의 ESTABLISHED로 바뀐다. 그 후 Server에게 ACK(b+1)을 보낸다. Server에서는 ACK를 받은 후에 ESTABLISHED 상태로 바뀌게된다.

 

이렇게 3번의 통신이 완료되면 연결이 성립된다.

 

👉4-way handshake

(1)서버와 클라이언트가 TCP 연결이 되어있는 상태에서 클라이언트가 접속을 끊기 위해 close( )를 호출한다. 클라이언트가 close( )를 호출하면서 서버에게 FIN 패킷을 보내게 되는데, 이때 FIN 패킷에 실질적으로는 ACK도 포함되어 있다. 그리고 나서 클라이언트는 FIN_WAIT_1 상태로 들어간다.

FIN에 ACK를 포함하는 이유는 Half-Close 기법을 사용했기 때문이다. 즉 연결을 종료하려고 할 때 완전히 종료하지 않고 반만 종료한다. Half-Close 기법을 사용하면 종료 요청자가 처음 보내는 FIN 패킷에 승인 번호를 함께 담아서 보내게 되는데, 이때 승인 번호의 의미는 "일단 연결은 종료할건데 귀는 열어둘게. 이 승인 번호까지 처리했으니까 더 보낼 거 있으면 보내" 가 된다.이후 수신자가 남은 데이터를 모두 보내고 나면 다시 요청자에게 FIN 패킷을 보냄으로써 모든 데이터가 처리되었다는 신호 FIN를 보냅니다. 그럼 요청자는 그때 나머지 반을 닫으면서 좀 더 안전하게 연결을 종료할 수 있게 된다.

 

(2) 서버는 FIN을 받고 확인했다는 ACK를 클라이언트에게 보낸다. CLOSE_WAIT 상태에 들어간다. 그리고 아직 남은 데이터가 있다면 마저 전송을 마친 후에 close( )를 호출한다.

 

(3) 클라이언트에서는 서버에서 ACK를 받은 후에 서버가 남은 데이터 처리를 끝내고 FIN 패킷을 보낼 때까지 기다리게 된다.

 

(4) 데이터를 모두 보냈다면, 서버는 이제 모든 데이터 처리가 끝났다고 종료에 합의 한다는 뜻으로 클라이언트에게 FIN 패킷을 보낸 후에 승인 번호를 보내줄 때까지 기다리는 LAST_ACK 상태로 들어간다.

 

(5) 클라이언트는 서버에서 FIN 패킷을 받고 나서 다시 서버에게 ACK 응답을 보낸 후에 TIME_WAIT 상태로 들어가며 실질적인 종료 과정(CLOSED)에 들어가게 됩니다. 이때 TIME_WAIT 상태는 의도치 않은 에러로 인해 연결이 데드락으로 빠지는 것을 방지하는데, 만약 에러로 인해 종료가 지연되다가 타임이 초과되면 CLOSED로 들어간다.

 

(6) 서버는 ACK를 받고 CLOSED 상태로  들어가 종료하게 된다.

 

이렇게 4번의 통신이 완료되면 연결이 해제된다.

 

👉참고

• 포트(PORT) 상태 정보
  • CLOSED: 포트가 닫힌 상태
  • LISTEN: 포트가 열린 상태로 연결 요청 대기 중
  • SYN_RCV: SYNC 요청을 받고 상대방의 응답을 기다리는 중
  • ESTABLISHED: 포트 연결 상태

• 플래그 정보
  • TCP Header에는 CONTROL BIT(플래그 비트, 6bit)가 존재하며, 각각의 bit는 "URG-ACK-PSH-RST-SYN-FIN"의 의미를 가진다. 즉, 해당 위치의 bit가 1이면 해당 패킷이 어떠한 내용을 담고 있는 패킷인지를 나타낸다.
  • SYN(Synchronize Sequence Number) / 000010
    • 연결 설정. Sequence Number를 랜덤으로 설정하여 세션을 연결하는 데 사용하며, 초기에 Sequence Number를 전송한다.
  • ACK(Acknowledgement) / 010000
    • 응답 확인. 패킷을 받았다는 것을 의미한다.
    • Acknowledgement Number 필드가 유효한지를 나타낸다.
    • 양단 프로세스가 쉬지 않고 데이터를 전송한다고 가정하면 최초 연결 설정 과정에서 전송되는 첫 번째 세그먼트를 제외한 모든 세그먼트의 ACK 비트는 1로 지정된다고 생각할 수 있다.
  • FIN(Finish) / 000001
    • 연결 해제. 세션 연결을 종료시킬 때 사용되며, 더 이상 전송할 데이터가 없음을 의미한다.