전송 제어 프로토콜(Transmission Control Protocol) = TCP/IP
웹 브라우저들이 WWW에서 서버에 연결할 때 사용되며, 이메일 전송이나 파일 전송에도 사용된다.
TCP 세그먼트 구조
TCP는 데이터 스트림으로부터 데이터를 받아 들여 이것을 청크 단위로 분할한 뒤 TCP 헤더를 덧붙여 TCP 세그먼트를 생성한다.
TCP 세그먼트는 IP 데이터그램에 패킷화되어 상대방과 주고 받게 된다.
프로세스는 TCP를 통해 데이터 버퍼를 인수로 넘겨 줌으로써 데이터를 전송한다.
TCP는 이 버퍼들을 묶어 세그먼트를 생성하여 인터넷 모듈(IP 등)을 통해 목적지의 TCP로 각각의 세그먼트들을 전송한다
TCP 세그먼트는 세그먼트 헤더와 데이터의 두 섹션으로 구성된다
TCP 헤더는 10개의 필수 필드 및 옵션 확장 필드(표 하단의 주황색 부분)들을 포함한다.
헤더 뒤에는 데이터 섹션이 따라 온다. 그 내용은 애플리케이션의 페이로드 데이터이다.
데이터 섹션의 길이는 TCP 세그먼트 헤더에서 결정되지 않으며,
전체 IP 데이터그램의 길이에서 TCP 헤더와 캡슐화된 IP 헤더의 길이를 뺀 값으로 계산하게 된다.
즉, 데이터 섹션의 길이는 IP 헤더에 의해 결정된다.
TCP 헤더
Source port (16 비트)송신 포트Destination port (16 비트)수신 포트Sequence number (32 비트)
- SYN 플래그가 (1)로 설정된 경우, 이것은 초기 시퀀스 번호가 된다. 실제 데이터의 최초 바이트 값과 그에 상응하는 ACK 번호는 이 값에 1을 더한 값이 된다.
- SYN 플래그가 (0)으로 해제된 경우, 이것은 현재 세션의 이 세그먼트 데이터의 최초 바이트 값의 누적 시퀀스 번호이다.
Acknowledgment number (32 비트)ACK 플래그가 설정된 경우 이 필드의 값은 수신자가 예상하는 다음 시퀀스 번호이다. 이것은 모든 선행하는 바이트들(존재할 경우)에 대한 수신에 대한 확인응답이 된다. 한쪽이 보낸 최초의 ACK는 반대쪽의 초기 시퀀스 번호 자체에 대한 확인응답이 되며, 데이터에 대한 응답은 포함되지 않는다.Data offset (4 비트)32-bit 워드 단위로 나타낸 TCP 헤더 크기값이다. 헤더의 최소 크기는 5 워드이며 최대 크기는 15 워드이다. 따라서 최솟값은 20바이트, 최댓값은 60바이트가 되며, 헤더에 선택 값을 위해 최대 40 바이트가 더 추가될 수 있다. 데이터 오프셋이라는 명칭은 이것이 실제 데이터 상에서의 TCP 세그먼트의 시작 위치의 오프셋이기 때문에 붙여졌다.Reserved (3 비트)미래에 사용하기 위해 남겨둔 예비 필드이며 0으로 채워져야 한다.Flags (9 bits) (혹은 Control bits)9개의 1-비트 플래그를 포함
- NS (1 비트) – ECN-nonce 은폐 보호(RFC 3540에 의해 헤더에 추가).
- CWR (1 비트) – 혼잡 윈도 축소(Congestion Window Reduced) 플래그는 송신측 호스트에 의해 설정되는 것으로, 호스트가 ECE 플래그가 포함된 TCP 세그먼트를 수신했으며 혼잡 제어 메커니즘에 의해 응답했음을 알리는 역할을 한다(RFC 3168에 의해 헤더에 추가).
- ECE (1 비트) – ECN-Echo는 다음을 나타낸다.
- SYN 플래그가 (1)로 설정된 경우, TCP 상대가 명시적 혼잡 통지(Explicit Congestion Notification, ECN)가 가능함을 의미한다.
- SYN 플래그가 (0)으로 해제된 경우, IP 헤더 셋에 혼잡 경험(Congestion Experienced) 플래그가 설정된 패킷이 정상적인 전송 중에 수신되었다는 것을 의미한다(RFC 3168에 의해 헤더에 추가).
- URG (1 비트) – Urgent pointer 필드의 값이 유효함을 나타낸다.
- ACK (1 비트) – Acknowledgment 필드의 값이 유효함을 나타낸다. 클라이언트가 보낸 최초의 SYN 패킷 이후에 전송되는 모든 패킷은 이 플래그가 설정되어 있어야 한다.
- PSH (1 비트) – 푸시 기능. 수신 애플리케이션에 버퍼링된 데이터를 푸시해 줄지 여부를 질의하는 역할을 한다.
- RST (1 비트) – 커넥션 리셋
- SYN (1 비트) – 동기화 시퀀스 번호. 양쪽이 보낸 최초의 패킷에만 이 플래그가 설정되어 있어야 한다. 다른 일부 플래그들의 의미가 이 플래그의 값에 따라 바뀌며, 일부 플래그들은 이 플래그가 설정되어 있을 때만 유효하고, 또 다른 일부 플래그들은 이 플래그가 해제되어 있을 때에만 유효하다.
- FIN (1 비트) – 남은 송신측 데이터 없음
Window size (16 비트)수신 윈도의 크기. 해당 세그먼트의 송신측이 현재 수신하고자 하는 윈도 크기(기본 단위는 바이트). acknowledgment 필드의 시퀀스 번호보다 큰 값이어야 한다.Checksum (16 비트)헤더 및 데이터의 에러 확인을 위해 사용되는 16 비트 체크섬 필드Urgent pointer (16 비트)URG 플래그가 설정된 경우, 이 16 비트 필드는 시퀀스 번호로부터의 오프셋을 나타낸다. 이 오프셋이 마지막 긴급 데이터 바이트를 가리킨다.Options (가변 0–320 비트, 32의 배수)이 필드의 길이는 데이터 오프셋 필드에 의해 결정된다. 이 부분은 Option-Kind (1 바이트), Option-Length (1 바이트), Option-Data (가변) 이렇게 최대 3개의 필드로 구성될 수 있다. Option-Kind 필드는 옵션의 종류를 나타내며, 세 가지 필드 중 유일하게 필수값이다. 옵션의 종류에 따라 나머지 두 개의 필드가 설정될 수 있다. Option-Length 필드는 옵션의 전체 길이를 나타내며, Option-Data 필드는 적용 가능한 경우 해당 옵션의 값을 나타낸다. 예를 들어, Option-Kind 바이트 값이 0x01인 경우 이는 패딩의 용도로만 사용되는 옵션없음(No-Op) 옵션을 의미하며, 이 때에는 뒤따라 오는 Option-Length나 Option-Data 값이 존재하지 않는다. Option-Kind 바이트 값이 0인 경우 이는 옵션종료(End Of Options) 옵션을 의미하며, 전자와 마찬가지로 뒤따라 오는 추가 옵션 필드가 없다. Option-Kind 바이트 값이 0x02인 경우 이것은 최대 세그먼트 크기(Maximum Segment Size) 옵션을 의미하며, 그 뒤에는 MSS 필드의 길이값(0x04여야 함)이 따라오게 된다. 이 길이값은 Option-Kind와 Option-Length를 포함한 주어진 옵션 필드의 전체의 길이를 나타내는 것이다. 따라서 MSS 값은 일반적으로 2 바이트로 표현되며, 해당 필드의 길이는 4 바이트(kind와 length의 2바이트를 더한 값)가 된다. 실제 예를 들어 설명하면, 0x05B4라는 값을 갖는 MSS 옵션 필드는 (0x02 0x04 0x05B4)의 형태로 TCP 옵션 섹션에 나타날 것이다.일부 옵션은 SYN 플래그가 설정되어 있을 때에만 송신된다. 이러한 옵션은 아래에 [SYN]으로 표시되어 있다. Option-Kind 및 기본 Option-Length는 (Option-Kind, Option-Length)으로 표시되었다.
- 0 (8 비트) – End of options list
- 1 (8 비트) – No operation (NOP, Padding) 이것은 속도 향상을 위해 옵션 필드를 32 비트 길이에 맞추기 위해 사용될 수 있다.
- 2,4,SS (32 비트) – Maximum segment size (최대 세그먼트 크기 참조) [SYN]
(이외의 옵션들은 더이상 사용되지 않거나, 시험용이거나, 아직 표준화되지 않았거나, 또는 할당되지 않은 것들임)PaddingTCP 헤더 패딩은 TCP 헤더의 종료 지점과 데이터의 시작 지점을 32 비트 단위 길이에 맞추기 위해 사용된다. 패딩의 값은 0이다.
TCP 프로토콜의 작동
- 연결 생성 (Connection establishment)
SYN: 클라이언트가 서버에게 SYN 메시지를 보낸다. 이 메시지에 포함된 시퀀스 번호는 클라이언트가 임의로 설정한 값 A.
SYN-ACK: 서버가 클라이언트에게 SYN-ACK 메시지로 응답한다. 이 메시지에 포함된 시퀀스 번호는 서버가 임의로 설정한 값 B, 응답 번호는 (A + 1).
ACK: 클라이언트가 서버에게 ACK 메시지를 보낸다. 이 메시지에 포함된 응답 번호는 (B + 1).
2. 자료 전송 (Data transfer)
3. 연결 종료 (Connection termination)
연결을 종료하기 위해, 4방향 핸드셰이크를 사용한다.
- TCP의 4-way Handshaking 과정
1. 클라이언트가 연결을 종료하겠다는 FIN플래그를 전송한다. 이때 A클라이언트는 FIN-WAIT 상태가 된다.
2. B서버는 FIN플래그를 받고, 일단 확인메시지 ACK 보내고 자신의 통신이 끝날때까지 기다리는데 이 상태가
B서버의 CLOSE_WAIT상태다.
3. 연결을 종료할 준비가 되면, 연결해지를 위한 준비가 되었음을 알리기 위해 클라이언트에게 FIN플래그를 전송한다.
이때 B서버의 상태는 LAST-ACK이다.
4. 클라이언트는 해지준비가 되었다는 ACK를 확인했다는 메시지를 보낸다.
A클라이언트의 상태가 FIN-WAIT ->TIME-WAIT 으로 변경된다.
Q. 그런데 만약 "Server에서 FIN을 전송하기 전에 전송한 패킷이 Routing 지연이나 패킷 유실로 인한 재전송 등으로 인해 FIN패킷보다 늦게 도착하는 상황"이 발생한다면 어떻게 될까요?
Client에서 세션을 종료시킨 후 뒤늦게 도착하는 패킷이 있다면 이 패킷은 Drop되고 데이터는 유실될 것입니다.
A클라이언트는 이러한 현상에 대비하여 Client는 Server로부터 FIN을 수신하더라도 일정시간(디폴트 240초) 동안 세션을 남겨놓고
잉여 패킷을 기다리는 과정을 거치게 되는데 이 과정을 "TIME_WAIT" 라고 합니다.
일정시간이 지나면, 세션을 만료하고 연결을 종료시키며, "CLOSE" 상태로 변화합니다.
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