[iOS CS Study](네트워크) TCP/UDP란? TCP 3-way & 4-way handShaking

Oxong·2021년 8월 10일

iOS CS Study

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21.08.03

공부한 것을 정리하는 용도의 글이므로 100% 정확하지 않을 수 있습니다.
참고용으로만 봐주시고, 내용이 부족하다고 느끼신다면 다른 글도 보시는 것이 좋습니다.
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by. ryalya

TCP(Transmission Control Protocol)란?

TCP는 네트워크 계층 중 전송 계층에서 사용하는 프로토콜로서, 장치들 사이에 논리적인 접속을 성립(establish)하기 위하여 연결을 설정하여 신뢰성을 보장하는 연결형 서비스(연결 지향적 프로토콜)이다.

Transport 계층은 IP에 의해 전달되는 패킷의 오류를 검사하고 재전송 요구 등의 제어를 담당하는 계층이다.

클라이언트가 연결 요청(SYN 데이터 전송)을 하고, 서버가 연결을 수락하면 통신 선로가 고정되고, 모든 데이터는 고정된 통신 선로를 통해서 순차적으로 전달된다.

그렇기 때문에 TCP는 데이터를 정확하고 안정적으로 전달할 수 있다.
TCP는 호스트간 신뢰성 있는 데이터 전달과 흐름제어를 한다.

TCP 프로토콜은 신뢰성 있는 데이터의 전송을 위해 확인작업을 거치는데 TCP는 패킷을 성공적으로 전송하면(ACK)라는 신호를 날리고 만약에 ACK 신호가 제 시간에 도착하지 않으면 Timeout이 발생하여 패킷 손실이 발생한 패킷을 다시 전송해준다.

TCP는 이렇게 데이터를 송신할때마다 확인 응답을 주고받는 절차가 있으므로 통신의 신뢰성이 올라간다.

주로 Client와 Server 또는 P2P Socket 통신 등, 네트워크를 사용한 통신을 할 때 TCP 통신을 많이 사용한다.

TCP/IP의 Transport 계층에서 TCP(Transmission Control Protocol) 와 UDP(User Datagram Protocol) 2가지 프로토콜이 사용된다.

TCP의 단점

데이터로 보내기 전에 반드시 연결이 형성되어야함.
1 : 1 통신만 가능함.
고정된 통신 선로가 최단선(네트워크 길이)이 아닐경우 상대적으로 UDP보다 데이터 전송속도가 느림.

TCP의 특징

연결형 (connnection-oriented) 서비스로 연결이 성공해야 통신이 가능하다.
데이터의 경계를 구분하지 않는다. (바이트 스트림 서비스)
데이터의 전송 순서를 보장한다. (데이터의 순서 유지를 위해 각 바이트마다 번호를 부여)
신뢰성있는 데이터를 전송한다. (Sequence Number, Ack Number를 통한 - 신뢰성 보장)
데이터 흐름 제어(수신자 버퍼 오버플로우 방지) 및 혼잡 제어(패킷 수가 과도하게 증가하는 현상 방지)
연결의 설정(3-way handshaking)과 해제(4-way handshaking)
전이중(Full-Duplex), 점대점(Point to Point) 서비스
UDP보다 전송속도가 느리다.

전이중, 점대점 방식

전이중 (Full-Duplex) : 전송이 양방향으로 동시에 일어날 수 있다.
점대점 (Point to Point) : 각 연결이 정확히 2개의 종단점을 가지고 있다.

UDP(User Datagram Protocol)란?

전송계층의 비연결 지향적 프로토콜이다.

비연결 지향적이란 데이터를 주고받을 때 연결 절차를 거치지 않고 발신자가 일방적으로 데이터를 발신하는 방식을 의미한다.

연결 과정이 없기 때문에 TCP보다는 빠른 전송을 할 수 있지만 데이터 전달의 신뢰성은 떨어진다.

UDP는 발신자가 데이터 패킷을 순차적으로 보내더라도 이 패킷들은 서로 다른 통신 선로를 통해 전달 될 수 있다.

먼저 보낸 패킷이 느린 선로를 통해 전송될 경우 나중에 보낸 패킷보다 늦게 도착할 수 있으며 최악의 경우 잘못된 선로로 전송되어 유실될 수도 있다.

이럴 경우 TCP와는 다르게 UDP는 중간에 패킷이 유실이나 변조가 되어도 재전송을 하지 않는다.

UDP의 단점

데이터의 신뢰성이 없다.
의미있는 서버를 구축하기위해서는 일일이 패킷을 관리해주어야 한다.

UDP의 특징

비연결형 서비스로 연결 없이 통신이 가능하며 데이터그램 방식을 제공한다.
데이터 경계를 구분한다. (데이터그램(datagram) 서비스)
정보를 주고 받을때 정보를 보내거나 받는다는 신호절차를 거치지 않는다.
신뢰성 없는 데이터를 전송한다. (데이터 재전송과 데이터 순서 유지를 위한 작업을 하지 않는다.
패킷관리가 필요하다.
패킷 오버헤드가 적어 네트워크 부하가 감소되는 장점이 있다.
상대적으로 TCP보다 전송속도가 빠르다.

TCP / UDP 차이점

TCP : 연결지향적이며 오류 제어, 흐름 제어, 혼잡 제어, 타이머 재전송 등의 기능을 한다.
연결지향이란말은 데이타를 전송하는 측과 데이타를 전송받는 측에서 전용의 데이터 전송 선로(Session)을 만든다는 의미이다.
데이터의 신뢰도가 중요하다고 판단될때 주로 사용된다.
UDP : 비연결지향이며, 최소한의 오류 제어 기능만 수행한다.
단순히 데이타를 받거나, 던져주기만 하는 프로토콜이다.
UDP는 특히 실시간 멀티미디어 정보를 처리하기 위해서 주로 사용한다.

TCP에서 연결지향적인 특성을 갖게 해주는 과정, 방법이 바로 3 Way-Handshake 방식이다.

웹 서비스 동작 방식을 보면, 사용자가 url을 입력하면 도메인 주소를 이용하여 DNS에서 IP 주소를 얻어오고, 그렇게 얻어온 IP 주소를 웹 데이터 형식으로 변하여 TCP 통신을 통해 웹 서버와 주고받게 된다.

이때 TCP 통신을 하기 위해 3-way handshake로 접속을, 4-way handshake로 접속 해제를 해준다.

Socket 생성

Client는 운영체제에 socket( ) 시스템 콜을 이용하여 소켓을 생성한다.

운영체제는 소켓의 정보를 저장하기 위해 메모리 영역을 할당하고, 소켓 정보를 저장한다.

TCP 3-Way Handshaking 과정 (TCP Connection)

3-Way Handshake란 TCP 통신을 이용하여 데이터를 전송하기 위해 네트워크 연결을 설정(Connection Establish)하는 과정을 말한다.

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.

A클라이언트는 B서버에 접속을 요청하는 SYN 패킷을 보낸다.

이때 A클라이언트는 SYN 을 보내고 SYN/ACK 응답을 기다리는SYN_SENT 상태가 된다.
B서버는 SYN요청을 받고 A클라이언트에게 요청을 수락한다는 ACK 와 SYN flag 가 설정된 패킷을 발송하고 A가 다시 ACK으로 응답하기를 기다린다.

이때 B서버는 SYN_RECEIVED 상태가 된다.
A클라이언트는 B서버에게 ACK을 보내고 이후로부터는 연결이 이루어지고 데이터가 오가게 되는것이다.

이때의 B서버 상태가 ESTABLISHED 이다.

위와 같은 방식으로 통신하는것이 신뢰성 있는 연결을 맺어 준다는 TCP의 3 Way handshake 방식이다.

TCP 4-Way Handshaking 과정(TCP Disconnection)

연결 종료 요청 또한 우리가 일반적으로 생각하는 Client와 Server 모두 먼저 종료 요청을 보낼 수 있기 때문에 먼저 요청한 쪽을 Client, 요청을 받은 쪽을 Server라고 생각하고 봐도 된다.

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

즉, 연결을 종료하려고 할 때 완전히 종료하지 않고 반만 종료한다.

FIN (+ACK) 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.
ACK 서버는 클라이언트에게 응답을 보내고 CLOSE_WAIT 상태에 들어간다.

그리고 아직 남은 데이터가 있다면 마저 전송을 마친 후에 close( )를 호출한다.
FIN_WAIT_2 클라이언트에서는 서버에서 ACK를 받은 후에 서버가 남은 데이터 처리를 끝내고 FIN 패킷을 보낼 때까지 기다린다.
FIN 서버는 이제 모든 데이터 처리가 끝났다고 종료에 합의 한다는 뜻으로 클라이언트에게 FIN 패킷을 보낸 후에 승인 번호를 보내줄 때까지 기다리는 LAST_ACK 상태로 들어간다.
ACK 클라이언트는 서버에서 FIN 패킷을 받고 나서 다시 서버에게 ACK 응답을 보낸 후에 TIME_WAIT 상태로 들어가며 실질적인 종료 과정(CLOSED)에 들어가게 된다.

이때 TIME_WAIT 상태는 의도치 않은 에러로 인해 연결이 데드락으로 빠지는 것을 방지하는데, 만약 에러로 인해 종료가 지연되다가 타임이 초과되면 CLOSED로 들어간다.
CLOSED 서버는 ACK를 받고 CLOSED 상태로 들어가 종료한다.