[CS] 3 way handshake, 4 way handshake

이진솔·2024년 3월 15일

3 Way-Handshake 4-way Handshake

TCP (Transmission Control Protocol)

TCP는 인터넷에서 데이터를 안정적으로 전송하기 위한 프로토콜

TCP는 데이터를 나누어서 보내고, 각각의 조각마다 포트 번호를 붙여서 보낸다. 받는 쪽에서는 이 포트 번호를 통해 어떤 프로그램으로 데이터를 전달해야 할지를 알아낸다. 이렇게 하면 여러 프로그램들이 한 컴퓨터에서 동시에 통신해도 각각의 데이터를 정확하게 전달할 수 있다.

3 Way Handshake와 4 Way Handshake

3-Way Handshake 는 TCP의 접속, 4-Way Handshake는 TCP의 접속 해제 과정에 대한 규칙

1. 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

2. 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.
URG (Urgent - 긴급)
- 이 플래그가 설정되면, 데이터가 긴급하게 처리되어야 함을 의미해요.
- 일반적으로 긴급한 데이터를 표시할 때 사용돼요.
PSH (Push - 전송)
- 이 플래그가 설정되면, 데이터가 전송될 때 빨리 상대방에게 전달되어야 함을 나타내요.
- 데이터를 즉시 전송하는 데 사용돼요.
RST (Reset - 초기화)
- 연결을 초기화하고 다시 시작해야 함을 나타내는 플래그에요.
- 어떤 이유로든 연결을 다시 설정할 때 사용돼요.

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!

	1. Positive Acknowledgement (긍정적 수신 확인):
	• 메시지를 받은 측이 "메시지를 잘 받았어!"라고 긍정적으로 확인하는 것을 말합니다.
	• 만약에 전송된 메시지가 정상적으로 수신되었다면, 받은 측은 긍정적인 응답을 보내어 송신자에게 메시지를 잘 받았다고 알려줍니다.
	2. Re-transmission (다시 전송):
	• 만약에 메시지가 전송 중에 손실되거나 손상되었다면, 받은 측은 긍정적인 응답을 보내지 않거나 오류를 나타내는 응답을 보낼 수 있습니다.
	• 이때, 송신자는 메시지를 다시 전송하여 손실된 부분을 복구하려고 합니다.

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

3 way handshake

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`

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)

4 way handshake

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.(서버로부터 받은 데이터 확인)

STEP2 (Server → Client : ACK)

- 서버는 FIN을 받고, 확인했다는 `ACK`를 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.
  그리고 아직 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 기다리는 `LAST_ACK` 상태로 들어간다.

STEP4 (Client → Server : ACK)

- 클라이언트는 FIN을 받고, 확인했다는 `ACK`를 서버에게 보낸다.

- 아직 서버로부터 받지 못한 데이터가 있을 수 있으므로 `TIME_WAIT`을 통해 기다린다. 
  (실질적인 종료과정 `CLOSED`에 들어가게 된다.)
  
	1. 정상 종료 패킷 소멸 대기:
    ◦ 마지막 ACK 패킷이 상대방에게 전송되고, 이후에 해당 패킷이 네트워크에서 소멸될 때까지 대기함으로써, 
      이 연결에 대한 모든 정보가 네트워크에서 완전히 소멸되도록 합니다.
      
	2. 데이터의 중복 방지:
    ◦ 만약 TIME_WAIT 상태를 거치지 않고 연결이 즉시 종료된다면, 
      이전 연결에 사용된 시퀀스 넘버와 동일한 시퀀스 넘버를 가진 새로운 연결이 즉시 시작될 수 있습니다. 
	  이러한 경우, 이전 연결에서 사용된 패킷들이 아직 네트워크에서 처리 중이거나 소멸되지 않았다면, 
      새로운 연결에서 이전 연결의 패킷들과 충돌할 수 있습니다. TIME_WAIT 상태를 통해 이러한 충돌을 방지합니다.

서버는 ACK를 받은 이후 소켓을 닫는다 (Closed)
TIME_WAIT 시간이 끝나면 클라이언트도 닫는다 (Closed)

Half-Close 기법

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.