[혼자 공부하는 네트워크] 4-2 TCP와 UDP

술술·2024년 9월 6일

혼자 공부하는 네트워크

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TCP 통신 단계와 세그먼트 구조

TCP는 통신하기 전에 연결을 수립하고 통신이 끝나면 연결을 종료
데이터 송수신 과정에서 재전송을 통한 오류 제어, 흐름 제어, 혼잡 제어 등의 기능을 제공
MSS(Maximum Segment Size) - TCP로 전송할 수 있는 최대 페이로드 크기
- 크기를 고려할 때 TCP 헤더 크기는 제외
- 헤더의 크기까지 포함했던 MTU와는 대조적
송신지 포트와 수신지 포트
- 송신지 또는 수신지 애플리케이션을 식별하는 포트 번호가 명시되는 필드
순서 번호(sequence number)
- 순서 번호가 명시되는 필드
- 순서 번호: 송수신되는 세그먼트의 올바른 순서를 보장하기 위해 세그먼트 데이터의 첫 바이트에 부여되는 번호
확인 응답 번호(acknowledgement number)
- 상대 호스트가 보낸 세그먼트에 대한 응답
- 다음으로 수신하기를 기대하는 순서 번호가 명시
제어 비트(control bits), 플래그 비트(flag bits)
- 현재 세그먼트에 대한 부가 정보를 나타냄
윈도우(window)
- 수신 윈도우의 크기 명시
- 수신 윈도우: 한 번에 수신하고자 하는 데이터의 양

제어 비트

기본적으로 8비트로 구성
각 자리의 비트는 각기 다른 의미
ACK: 세그먼트의 승인을 나타내기 위한 비트
SYN: 연결을 수립하기 위한 비트
FIN: 연결을 종료하기 위한 비트
ACK 비트가 1로 설정된 세그먼트, FIN 비트가 1로 설정된 세그먼트, SYN 비트가 1로 설정된 세그먼트 → ACK 세그먼트, SYN 세그먼트, FIN 세그먼트

순서 번호와 확인 응답 번호

TCP의 신뢰성을 보장하기 위해 사용되는 중요한 필드

순서 번호

순서 번호는 송수신되는 세그먼트의 올바른 순서를 보장하기 위해 세그먼트 데이터의 첫 바이트에 부여되는 번호
전송 계층이 응용 계층으로부터 전송해야 하는 1900바이트 크기의 데이터를 전달 받았다.
- MSS 단위로 전송될 수 있음. MSS가 500바이트라고 가정
- 세그먼트 A, B, C, D 순으로 전송된다고 가정
처음 통신을 위해 연결을 수립한 경우, 제어 비트에서 연결을 수립하기 위한 비트인 SYN 플래그가 1로 설정된 세그먼트의 경우 순서 번호는 무작위 값이 됨
- 이를 초기 순서 번호(Initial Sequence Number)라고 함
- 초기 순선 번호가 100이라면 가장 먼저 보내게 될 세그먼트 A의 순서 번호가 초기 순서 번호인 100이 되는 것
연결 수립 이후 데이터를 송신하는 동안 순서 번호는 송신한 바이트를 더해 가는 형태로 누적값을 가짐
- 순서 번호는 초기 순서 번호 + 송신한 바이트 수 (= 초기 순서 번호 + 떨어진 바이트 수)

확인 응답 번호

순서 번호에 대한 응답
다음에는 이걸 보내 주세요, 다음으로 제가 받을 순서 번호는 이것입니다.
확인 응답 번호는 수신자가 다음으로 받기를 기대하는 순서 번호
일반적으로 수신한 번호 + 1
확인 응답 번호 값을 보내기 위해서는 제어 비트에서 승인을 나타내는 비트인 ACK 플래그를 1로 설정 해야 함

TCP 연결 수립과 종료

연결 수립: 쓰리 웨이 핸드셰이크(three-way handshake)

3개의 단계로 이루어진 TCP 연결 수립 과정

처음 연결을 시작하는 호스트의 연결 수립 과정을 액티브 오픈(active open)
- 주로 서버-클라이언트 관계에서 클라이언트에 의해 수행
- 호스트 A의 동작
연결 요청을 받고 나서 요청에 따라 연결을 수립해주는 호스트의 연결 수립 과정을 패시브 오픈(passive open)
- 주로 서버에 의해 수행
- 호스트 B의 동작

연결 종료

TCP가 연결을 종료하는 과정은 송수신 호스트가 각자 한 번씩 FIN과 ACK를 주고받으며 이루어짐
액티브 클로즈(active close)는 먼저 연결을 종료하려는 호스트에 의해 수행
- FIN 세그먼트를 먼저 보낸 호스트 A가 액티브 클로즈를 수행할 셈
패시브 클로즈(passive close)는 연결 종료 요청을 받아들이는 호스트에 의해 수행
- 호스트 B의 동작

TCP 상태

상태(state)는 현재 어떤 통신 과정에 있는지를 나타내는 정보
TCP는 상태를 유지하고 활용한다는 점에서 스테이트풀(stateful) 프로토콜 이라고도 부름

연결이 수립되지 않은 상태

CLOSED
- 아무런 연결이 없는 상태
LISTEN
- 일종의 연결 대기 상태
- 일반적으로 서버로서 동작하는 패시브 오픈 호스트는 LISTEN 상태를 유지
- 액티브 오픈 호스트의 연결 요청인 SYN 세그먼트를 기다리는 상태
- 액티브 오픈 호스트가 LISTEN 상채인 호스트에게 SYN 세그먼트를 보내면 쓰리 웨이 핸드셰이크 시작

연결 수립 과정에서 주로 볼 수 있는 상태

SYN-SENT
- 액티브 오픈 호스트가 SYN 세그먼트를 보낸 뒤 그에 대한 응답인 SYN + ACK 세그먼트를 기다리는 상태
- 연결 요청을 보낸 뒤 대기하는 상태
SYN-RECEIVED
- 패시브 오픈 호스트가 SYN + ACK 세그먼트를 보낸 뒤 그에 대한 ACK 세그먼트를 기다리는 상태
ESTABLISHED
- 연결이 확립되었음을 나타내는 상태
- 데이터를 송수신할 수 있는 상태를 의미
- 쓰리 웨이 핸드셰이크 과정에서 두 호스트가 마지막 ACK 세그먼트를 주고받으면 ESTABLISHED 상태로 접어듦

연결 종료 과정에서 주로 볼 수 있는 상태

FIN-WAIT-1
- 연결 종료의 첫 단계
- FIN 세그먼트로서 연결 종료 요청을 보낸 액티브 클로즈 호스트는 FIN-WAIT-1 상태로 접어들게 됨
CLOSE-WAIT
- 종료 요청인 FIN 세그먼트를 받은 패시브 클로즈 호스트가 그에 대한 응답으로 ACK 세그먼트를 보낸 후 대기하는 상태
FIN-WAIT-2
- FIN-WAIT-1 상태에서 ACK 세그먼트를 받게 되면 FIN-WAIT-2 상태가 됨
- 상대 호스트의 FIN 세그먼트를 기다리는 상태
LAST-ACK
- CLOSE-WAIT 상태에서 FIN 세그먼트를 전송한 뒤 이에 대한 ACK 세그먼트를 기다리는 상태
TIME-WAIT
- 액티브 클로즈 호스트가 FIN 세그먼트를 수신한 뒤, 이에 대한 ACK 세그먼트를 전송한 뒤 접어드는 상태
- 패시브 클로즈 호스트가 마지막 ACK를 수신하면 CLOSED 상태로 전이하는 반면, TIME-WAIT 상태에 접어든 액티브 클로즈 호스트는 일정 시간을 기다린 뒤 CLOSED 상태로 전이
- 상대 호스트가 받았어야 할 마지막 ACK 세그먼트가 올바르게 전송되지 않았을 수 있기 때문에 일정 시간을 기다렸다가 연결을 종료
CLOSING
- 보통 동시에 연결을 종료하려 할 때 전이되는 상태
- 서로가 FIN 세그먼트를 보내고 받은 뒤 그에 대한 ACK 세그먼트를 보냈지만, 아직 자신의 FIN 세그먼트에 대한 ACK 세그먼트를 받지 못했을 때 접어드는 상태
- 양쪽 모두가 연결 종료를 요청하고, 서로의 종료 응답을 기다리는 경우 CLOSING 상태로 접어든 셈
- ACK 세그먼트를 수신한다면 각자 TIME-WAIT 상태로 접어든 뒤 종료

정리

UDP 데이터그램 구조

UDP는 TCP와 달리 비연결형 통신을 수행하는 신뢰할 수 없는 프로토콜
연결 수립 및 해제, 재전송을 통한 오류 제어, 혼잡 제어, 흐름 제어 등을 수행하지 않음
상태를 유지하지도 않음
스테이트리스(stateless) 프로토콜의 일종
TCP에 비해 제공하는 기능이 적은 만큼 필드도 단순
송신지 포트와 수신지 포트
길이: 헤더를 포함한 UDP 데이터그램의 바이트가 담김
체크섬: 데이터그램 전송 과정에서 오류가 발생했는지 검사하기 위한 필드
- 수신지는 이 필드의 값을 토대로 데이터그램의 정보가 훼손되었는지를 판단하고, 문제가 있다고 판단한 데이터그램은 폐기
- 데이터그램이 훼손되었는지를 나타내는 정보라는 점에서 이 필드는 수신지까지 잘 도달했는지를 나타내는 신뢰성/비신뢰성과는 관련이 없음
TCP에 비해 적은 오버헤드로 패킷을 빠르게 처리할 수 있음
실시간 스트리밍 서비스, 인터넷 전화처럼 실시간성이 강조되는 상황에서 TCP보다 더 많이 쓰임
수신지에 패킷들을 빠르게 마구 던지는 것과 같음
- 이 과정에서 패킷이 손실되거나 패킷의 순서가 바뀔 수도 있다.