[네트워크] TCP/UDP와 3 -Way Handshake & 4 -Way Handshake

a.very·2021년 7월 17일

3 Way-Handshake 4-way Handshake UDP tcp 네트워크

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https://github.com/WeareSoft/tech-interview 의 내용을 기반으로 작성하였습니다.

🐥 Prerequisite (TCP/UDP)

TCP의 3-Way Handshake 와 4-Way Handshake에 대해 알아보기 전에, 우선 아래의 내용에 대해 알아보겠다.

🥚 Transport Layer

OSI 7 레이어에서 Transport Layer에는 양 끝단(End to end)의 사용자들이 신뢰성있는 데이터를 주고 받을 수 있도록 해 주어, 상위 계층들이 데이터 전달의 유효성이나 효율성을 생각하지 않도록 해준다. 전송 계층은 인터넷의 기반인 TCP/IP 참조 모델과 일반적인 네트워크 모델인 개방형 시스템 간 상호 접속 (Open Systems Interconnection, OSI) 모두 포함하고 있다.

전송 프로토콜 중 잘 알려진 것이 바로 TCP와 UDP이다.

Transport Layer VS Network Layer

Transport Layer : Application 프로세스들 간의 논리적인 통신을 제공
Network Layer : host 간의 논리적인 통신을 제공
- 데이터의 전달 경로를 설정하는 역할

🥚 TCP와 UDP

트랜스포트 계층의 패킷을 "세그먼트"라고 한다.
UDP 에서는 종종 이를 "데이터그램"이라고 하기도 한다.

TCP (Transmission Control Protocol)

인터넷상에서 데이터를 메세지의 형태로 보내기 위해 IP와 함께 사용하는 프로토콜

TCP는 애플리케이션에게 신뢰적이고 연결지향성 서비스를 제공한다. 일반적으로 TCP와 IP는 함께 사용되며 IP는 배달을, TCP는 패킷의 추적 및 관리를 하게 됩니다.

TCP는 연결형 서비스로, 신뢰적인 전송을 보장하기에 hanshaking하고 데이터의 흐름제어와 혼잡제어를 수행합니다. 하지만 이러한 기능으로 인해 TCP의 속도는 느립니다.

TCP 특징

3-way handshaking과정을 통해 연결을 설정하고 4-way handshaking을 통해 해제한다.
흐름 제어 및 혼잡 제어.
높은 신뢰성을 보장한다.
UDP보다 속도가 느리다.
전이중(Full-Duplex), 점대점(Point to Point) 방식.

UDP (User Datagram Protocol)

데이터를 데이터그램 단위로 처리하는 프로토콜 (데이터그램이란 독립적인 관계를 지니는 패킷이라는 뜻 이다.)

UDP는 비연결형 프로토콜이다. 즉, 할당되는 논리적인 경로가 없고 각각의 패킷이 다른 경로로 전송되고 이 각각의 패킷은 독립적인 관계를 지니게 되는데, 이렇게 데이터를 서로 다른 경로로 독립 처리하는 프로토콜을 UDP 라고 합니다.

UDP는 연결을 설정하고 해제하는 과정이 존재하지 않는다. 서로 다른 경로로 독립적으로 처리함에도 패킷에 순서를 부여하여 재조립하거나 흐름제어 및 혼잡제어를 수행하지 않아 속도가 빠르며 네트워크 부하가 적다는 장점이 있지만 데이터 전송의 신뢰성이 낮다. 연속성이 중요한 실시간 서비스(스트리밍)에 좋다.

UDP 특징

비연결형 서비스로 데이터그램 방식을 제공한다
정보를 주고 받을 때 정보를 보내거나 받는다는 신호절차를 거치지 않는다.
UDP헤더의 CheckSum 필드를 통해 최소한의 오류만 검출한다.
신뢰성이 낮다
TCP보다 속도가 빠르다

TCP vs UDP

UDP와 TCP는 각각 별도의 포트 주소 공간을 관리하므로 같은 포트 번호를 사용해도 무방하다. 즉, 두 프로토콜에서 동일한 포트 번호를 할당해도 서로 다른 포트로 간주한다.
또한 같은 모듈(UDP or TCP) 내에서도 클라이언트 프로그램에서 동시에 여러 커넥션을 확립한 경우에는 서로 다른 포트 번호를 동적으로 할당한다. (동적할당에 사용되는 포트번호는 49,152~65,535이다.)

🐥 3-Way Handshake와 4-Way Handshake

3-Way Handshake 는 TCP의 접속,4-Way Handshake는 TCP의 접속 해제 과정이다.

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.

🐥 TCP의 3-Way Handshake

개념

TCP 통신을 이용하여 데이터를 전송하기 위해 네트워크 연결을 설정(Connection Establish) 하는 과정
양쪽 모두 데이터를 전송할 준비가 되었다는 것을 보장하고, 실제로 데이터 전달이 시작하기 전에 한 쪽이 다른 쪽이 준비되었다는 것을 알 수 있도록 한다.
즉, TCP/IP 프로토콜을 이용해서 통신을 하는 응용 프로그램이 데이터를 전송하기 전에 먼저 정확한 전송을 보장하기 위해 상대방 컴퓨터와 사전에 세션을 수립하는 과정을 의미한다.

3-way handshake의 기본매커니즘

TCP 통신은 PAR (Positive Acknowledgement with Re-transmission) 을 통해 신뢰적인 통신을 제공한다.

PAR을 사용하는 기기는 ack을 받을 때까지 데이터 유닛을 재전송한다!

수신자가 데이터 유닛(세그먼트)이 손상된것을 확인하면(Error Detection에 사용되는 transport layer의 checksum을 활용), 해당 세그먼트를 없앤다. 그러면 sender는 positive ack이 오지 않은 데이터 유닛을 다시 보내야한다.

⇒ 이 과정에서 클라이언트와 서버 사이에서 3개의 Segment가 교환되는 것을 확인할 수 있다. 이것이 바로 3-way handshake의 기본 매커니즘이다.

작동 방식

Client는 Server와 연결하기 위해 3-way handshake를 통해 연결 요청을 하게 됩니다.
우리가 일반적으로 생각하는 Client와 Server는 모두 서로 연결 요청을 먼저 할 수 있기 때문에, 연결 요청을 먼저 시도한 요청자를 Client(아래 그림에서 HOST P) 로, 연결 요청을 받은 수신자를 Server(아래 그림에서 HOST Q)쪽으로 생각하고 보시면 될 것 같습니다.
SYN(Synchronization) : 연결요청, 세션을 설정하는데 사용되며 초기에 시퀀스 번호를 보냄
ACK(Acknowledgement) : 보낸 시퀀스 번호에 TCP 계층에서의 길이 또는 양을 더한 것과 같은 값을 ACK에 포함하여 전송
- 동기화 요청에 대한 답변 : Client의 Sequence Number+1을 하여 ACK로 돌려줍니다.

Step 1 (SYN)

클라이언트는 서버와 커넥션을 연결하기 위해 SYN을 보낸다. (seq : x)
- 송신자가 최초로 데이터를 전송할 때 Sequence Number를 임의의 랜덤 숫자로 지정하고, SYN 플래그 비트를 1로 설정한 세그먼트를 전송한다.
- PORT 상태
  - Client : CLOSED- SYN_SENT 로 변함
  - Server : LISTEN
Step 2 (SYN + ACK)

서버가 SYN(x)을 받고, 클라이언트로 받았다는 신호인 ACK와 SYN 패킷을 보냄 (seq : y, ACK : x + 1)
- 접속요청을 받은 Q가 요청을 수락했으며, 접속 요청 프로세스인 P도 포트를 열어달라는 메세지를 전송 (SYN-ACK signal bits set)
- ACK Number필드를 Sequence Number + 1 로 지정하고 SYN과 ACK 플래그 비트를 1로 설정한 새그먼트 전송 (Seq=y, Ack=x+1, SYN, ACK)
- PORT 상태
  - Client : CLOSED
  - Server : SYN_RCV
Step 3 (ACK)

클라이언트는 서버의 응답은 ACK(x+1)와 SYN(y) 패킷을 받고, ACK(y+1)를 서버로 보냄
- 마지막으로 접속 요청 프로세스 P가 수락 확인을 보내 연결을 맺음 (ACK)
- 이때, 전송할 데이터가 있으면 이 단계에서 데이터를 전송할 수 있다.
- PORT 상태
  - Client : ESTABLISED
  - Server : SYN_RCV ⇒ ACK ⇒ ESTABLISED

full-duplex 통신의 구성

Step 1, 2에서는 P→Q 방향에 대한 연결 파라미터(시퀀스 번호)를 설정하고 이를 승인한다.
Step 2, 3에서는 Q→P 방향에 대한 연결 파라미터(시퀀스 번호)를 설정하고 이를 승인한다.

⇒ 이를 통해 full-duplex 통신이 구축됩니다.

🐥 TCP의 4-Way Handshake

개념

4-Way Handshake은 연결을 해제 (Connecntion Termination)하는 과정이다. 여기서는 FIN 플래그를 이용한다.

FIN (finish) : 세션을 종료시키는데 사용되며, 더 이상 보낸 데이터가 없음을 나타낸다.

Termination의 종류

TCP는 대부분의 connection-oriented 프로토콜과 같은 두 가지 연결 해제 방식이 있습니다.

Graceful connection release(정상적인 연결 해제)

정상적인 연결 해제에서는 양쪽이 커넥션이 서로 모두 커넥션을 닫을 때까지 연결되어 있다.
Abrupt connection release(갑작스런 연결 해제)
1. 갑자기 한 TCP 엔티티가 연결을 강제로 닫는 경우
2. 한 사용자가 두 데이터 전송 방향을 모두 닫는 경우

작동방식 (Abrupt)

RST(TCP reset) 세그먼트가 전송되면 갑작스러운 연결 해제가 수행되는데, RST 세그먼트는 다음과 같은 경우에 전송된다.

존재하지 않는 TCP 연결에 대해 비SYN 세그먼트가 수신된 경우
열린 커넥션에서 일부 TCP 구현은 잘못된 헤더가 있는 세그먼트가 수신된 경우
- RST 세그먼트를 보내, 해당 커넥션을 닫아 공격을 방지한다.
일부 구현에서 기존 TCP 연결을 종료해야 하는 경우

연결을 지원하는 리소스 부족할때
원격 호스트에 연결할 수 없고 응답이 중지되었을때

작동방식 (Graceful)

연결 종료 요청 역시, 일반적으로 생각하는 우리가 일반적으로 생각하는 Client와 Server는 모두 서로 연결 요청을 먼저 할 수 있기 때문에, 연결 요청을 먼저 시도한 요청자를 Client로, 연결 요청을 받은 수신자를 Server쪽으로 생각하면 된다.

Half-Close 기법

아래 그림에서 처음 보내는 종료 요청인 (1) FIN 패킷에 실질적으로 ACK가 포함되어 있는 것을 알 수 있는데, 이는Half-Close 기법 을 사용하기 때문이다.

즉, 연결을 종료하려고 할 때 완전히 종료하지 않고 반만 종료합니다.

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 됩니다.

이후 수신자가 남은 데이터를 모두 보내고 나면 다시 요청자에게 FIN 패킷을 보냄으로써 모든 데이터가 처리되었다는 신호 (3) FIN를 보냅니다. 그럼 요청자는 그때 나머지 반을 닫으면서 좀 더 안전하게 연결을 종료할 수 있게 됩니다.

STEP1 (Client → Server : FIN(+ACK)
- 서버와 클라이언트가 연결된 상태에서 클라이언트가 close()를 호출하여 접속을 끊는다.(으려한다.)
- 이때, 클라이언트는 서버에게 연결을 종료한다는 FIN 플래그를 보낸다.
  - 이때 FIN 패킷에는 실질적으로 ACK도 포함되어있다.
STEP2 (Server → Client : ACK)
- 서버는 FIN을 받고, 확인했다는 ACK를 클라이언트에게 보내고 자신의 통신이 끝날때까지 기다린다. (이상태가 TIME_WAIT 상태)
  - Server(수신자)는 ACK Number 필드를 (Sequence Number + 1)로 지정하고, ACK 플래그 비트를 1로 설정한 세그먼트를 전송한다.
- 서버는 클라이언트에게 응답을 보내고 CLOSE_WAIT 상태에 들어갑니다. 그리고아직 남은 데이터가 있다면 마저 전송을 마친 후에 close( )를 호출
- 클라이언트에서는 서버에서 ACK를 받은 후에 서버가 남은 데이터 처리를 끝내고 FIN 패킷을 보낼 때까지 기다리게 됩니다. (FIN_WAIT_2)
STEP3 (Server → Client : FIN)
- 데이터를 모두 보냈다면, 서버는 연결이 종료에 합의 한다는 의미로 FIN 패킷을 클라이언트에게 보낸 후에, 승인 번호를 보내줄 때까지 기다니는 LAST_ACK 상태로 들어간다.
STEP4 (Client → Server : ACK)
- 클라이언트는 FIN을 받고, 확인했다는 ACK를 서버에게 보낸다.
- 아직 서버로부터 받지 못한 데이터가 있을 수 있으므로 TIME_WAIT을 통해 기다린다. (실질적인 종료과정 CLOSED에 들어가게 된다.)
  - 이때 TIME_WAIT 상태는 의도치 않은 에러로 인해 연결이 데드락으로 빠지는 것을 방지
  - 만약 에러로 인해 종료가 지연되다가 타임이 초과되면 CLOSED로 들어갑니다.
서버는 ACK를 받은 이후 소켓을 닫는다 (Closed)
TIME_WAIT 시간이 끝나면 클라이언트도 닫는다 (Closed)

🐥 Questions

❓TCP 관련 질문 1

Q. TCP의 연결 설정 과정(3단계)과 연결 종료 과정(4단계)이 단계가 차이나는 이유?
A. Client가 데이터 전송을 마쳤다고 하더라도 Server는 아직 보낼 데이터가 남아있을 수 있기 때문에 일단 FIN에 대한 ACK만 보내고, 데이터를 모두 전송한 후에 자신도 FIN 메시지를 보내기 때문이다.
관련 Reference

❓TCP 관련 질문 2

Q. 만약 Server에서 FIN 플래그를 전송하기 전에 전송한 패킷이 Routing 지연이나 패킷 유실로 인한 재전송 등으로 인해 FIN 패킷보다 늦게 도착하는 상황이 발생하면 어떻게 될까?
A. 이러한 현상에 대비하여 Client는 Server로부터 FIN 플래그를 수신하더라도 일정시간(Default: 240sec)동안 세션을 남겨 놓고 잉여 패킷을 기다리는 과정을 거친다. (TIME_WAIT 과정)
관련 Reference

❓TCP 관련 질문 3

Q. 초기 Sequence Number인 ISN을 0부터 시작하지 않고 난수를 생성해서 설정하는 이유?
A. Connection을 맺을 때 사용하는 포트(Port)는 유한 범위 내에서 사용하고 시간이 지남에 따라 재사용된다. 따라서 두 통신 호스트가 과거에 사용된 포트 번호 쌍을 사용하는 가능성이 존재한다. 서버 측에서는 패킷의 SYN을 보고 패킷을 구분하게 되는데 난수가 아닌 순처적인 Number가 전송된다면 이전의 Connection으로부터 오는 패킷으로 인식할 수 있다. 이런 문제가 발생할 가능성을 줄이기 위해서 난수로 ISN을 설정한다.
관련 Reference

🐥 출처

TCP/UDP

Handshake

a.very

🚚chanhee-jeong.tistory.com 🚀 github.com/chaneeii/iOS-Study-Log

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1개의 댓글

2022년 5월 23일

4way step2 close_wait 상태아닌가요?

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