위키백과, 최희준 교수님의 영상 자료,
Evan Moon님, 정보통신기술용어해설 등을 보고 공부한 걸 정리했습니다.

특징

• 전송 데이터의 흐름을 제어하고 데이터의 에러 유무를 검사, 오버플로우 등을 방지한다.

  • 흐름 제어, 오류 검출, 혼잡 제어 -> 전송 계층의 역할

• 두 종단 간의 연결을 설정하고 데이터를 패킷 단위로 교환
• 수신 측에서는 패킷이 잘못 왔을 경우 재전송을 요구
• 데이터 전송 프로토콜로 연결형(접속형) 프로토콜이다.

  • 연결형이기 때문에 상대방과 연결이 된 경우에만 데이터를 교환
  • 상대방을 찾는 역할은 IP 프로토콜이 하는데, 이 때문에 TCP/IP 프로토콜이라 같이 부르는 경우가 많다.

연결의 생성과 해제

• 통신하기 전에 반드시 상대방과의 연결을 생성(수립)하고, 통신을 안전하게 종료하기 위해서 연결을 해제하는 과정을 거친다.
• 이와 같은 과정을 수행하기 때문에 신뢰성이 높지만 지연시간이 발생한다.

연결 생성(3 way handshake)

• 순서 번호(SYN-제어비트 중 하나-, Sequence Number)와 확인응답(ACK-제어비트 중 하나-, Acknowledgement Number)를 이용
• 아래에서 상태가 의미하는 건 포트의 상태다.

주요 목적

• 연결이 시작됨과 옵션이 교환됐음을 알림
• ISN(랜덤한 초기 순서번호)를 생성하고 교환했음을 알림
  - 순서번호 초기화 직후 상대와의 순서번호 동기화 목적
  

연결 과정에서 교환되는 정보

• ISN
• rwnd(수신 기본 윈도우 크기)
• 옵션 정보(MSS, SACK 옵션, 추가 윈도우 스케일 옵션)

흐름

1. A(Client) -> B(Server)
   - 클라이언트(A)는 서버(B)에게 SYN 패킷을 전송한다.
   - 클라이언트는 CLOSED 상태에서 서버의 응답(SYN + ACK 패킷)을 기다리는 SYN_SENT 상태로 변경
   - SYN 패킷이 도착하기 전까지 `서버는 LISTEN 상태
   - 시퀀스 넘버는 전송 측에서 임의로 결정

   A가 B에게, 나 너랑 통신하고 싶어!

2. B -> A
   - 서버(B)가 클라이언트(A)에게 SYN + ACK 패킷을 전송한다.
   - 서버는 SYN_RECEIVED 상태
   - 클라이언트는 이 응답을 받으면 SYN_SENT 상태에서 ESTABLISHED 상태로 변경
   - 서버가 보낸 패킷의 시퀀스 넘버는 임의, ACK 넘버는 클라이언트가 보낸 패킷의 시퀀스 넘버+1이다.

   B가 A에게, 그래? 그러면 그럼 너도 포트 열어.

3. A -> B
   - 클라이언트(A)가 서버(B)에게 ACK 패킷을 전송한다.
   - 이 패킷은 최종적으로 수락하고 연결을 생성한다는 의미
   - ACK 패킷을 보낼 때 전송할 데이터가 있다면 이 단계에서 데이터를 전송할 수 있다.
   - 서버, 클라이언트 모두 ESTABLISHED 상태

   A가 B에게, 열었어! 통신하자!

연결 해제(4 way handshake)

• TCP의 연결을 해제하는 과정
• 연결을 종료하기 전에 끝내지 못한 작업이 있을 수 있기에, 혹은 서로에게 연결 해제를 알리는 의미(그냥 끊어버리면 상대편은 연결이 종료되었는지 알 수 없다.)

특징

• TCP 연결 종료는 양방향 2개 연결을 각 측이 독립적으로 닫게 됨
  - FIN 및 그에대한 FIN-ACK의 1쌍 씩 2개. 즉, 4개(4 way)로 종료한다.
• TCP 연결 생성보다 복잡
  - 한쪽이 CLOSED되어도 다른 한쪽은 아니거나
  - 데드락이 걸리거나
  - 타임아웃이 존재하지 않는 경우 무한정 기다리게 되거나 등
  - 다양한 상황이 발생할 수 있다.
  

연결 종료 구분

• 정상 종료(Normal Close)
  - 4 way handshake로 양방향 모두 종료되는 것
  - 이게 보통일 것 같았으나 정상 종료보다 반 종료가 더 일반적이라고 한다.
• 반 종료(Half Close)
  - 양쪽 회선을 모두 종료하지 않고, 한쪽 회선은 열어두는 것.
  - 수신은 열어두고 송신을 닫거나, 수신을 닫고 송신을 열어두는
  - 보내지 못했거나 받지 못한 데이터가 있으면 이 기법을 이용하여 모두 처리하고 나머지 반을 닫는 것으로 보다 안전하게 연결을 종료한다.
• 동시 종료
  - 거의 동시에 양측에서 FIN 세그먼트를 보내는 경우
• 강제 종료
  - TCP Reset 요구(RESET 세그먼트) 기능

흐름

1. A -> B

   • 클라이언트가 서버에게 FIN 패킷을 전송한다.
   • 보내고 연결을 끊어버리는 게 아니라, 클라이언트는 B가 응답하기 전까지 대기한다. 따라서 클라이언트는 FIN_WAIT1 상태

     Seq : K, Ack : -

2. B -> A

   • 서버가 클라이언트에게 ACK 패킷을 전송한다.
   • ACK는 요청자(클라이언트, A)가 보낸 시퀀스 번호 + 1
   • 전송 후 서버는 CLOSED_WAIT 상태
   • 이 단계 이후 B는 A에게 보낼 데이터가 남아있다면 이어서 전송하고, 이후 명시적으로 close()나 shutdown() 같은 함수를 사용하여 다음 단계(3)로 넘어갈 것이다.

     Seq : L, Ack : K + 1

   이 과정에서 명시적 함수 호출을 하지 않아 다음 단계로 넘어가지 않을 경우, A측은 무작정 B의 통신을 기다리게 될 것이고(타임아웃을 사용하여 방지), B는 현 단계에서 멈춰버린 상태가 될 수도 있다.(데드락)

3. B -> A

   • 서버가 클라이언트에게 FIN 패킷을 전송한다. (종료를 알린다.)
   • 시퀀스 넘버와 ACK 넘버는 이전 것들을 사용한다.
   • 서버는 LAST_ACK 상태
   • 클라이언트는 이 패킷을 받은 후 TIME_WAIT 상태
   • 클라이언트의 TIME_WAIT는 데드락에 빠지는 걸 방지하기 위해 동작

     Seq : L, Ack : K + 1

4. A -> B

   • 클라이언트가 서버에게 ACK 패킷을 전송한다. (확인 메시지)
   • ACK 넘버는 3단계에서 받은 시퀀스 번호 + 1
   • 클라이언트 TIME_WAIT에서 최대 세그먼트 수명(MSL)의 두 배를 기다리다가 CLOSED 된다.
   • 클라이언트는 CLOSED 상태
   • 이 메시지를 받은 후 서버도 CLOSED 상태

     Seq : K, Ack : L + 1

종합

TCP는 안정적이고 연결지향적인 트랜스포트 계층용 프로토콜이다.

• 전송 계층의 역할(흐름 제어, 혼잡 제어, 오류 검출 등)
• 3단계 핸드세이킹 과정을 밟고 통신을 연결(ESTABLISHED)
• 해당 세션에서 데이터 전송을 완료한 후
• 4단계 핸드세이킹 과정을 밟고 통신을 종료(CLOSED)
• 안정적이고 신뢰성이 보장되지만 이러한 절차들 때문에 속도가 상대적으로 느리다.(지연시간이 발생한다.)