[네트워크 network] TCP 3-way HandShake & 4-way HandShake

최근 복습을 하면서 TCP와 UDP의 차이점에 대해 공부했습니다. 간단히 정리해보자면.

 

TCP는 연결형 서비스로 3 핸드 세이킹 과정을 통해 연결을 설정하여 가상 회선 방식을 사용해서 순서와 신뢰성을 보장하지만 속도가 느리고, UDP는 비연결형 서비스로 신뢰성이 떨어지고 데이터그램 방식을 사용합니다. 수신 여부 따위는 확인하지 않아 속도가 빠르죠.

 

이번 시간에는 TCP가 연결을 할 때 사용하는 3 핸드 셰이킹(3-way HandShake), 연결을 해제할 때 사용하는 4 핸드 셰이킹(4-way HandShake)이 무엇인지 한 번 자세히 정리해보려고 합니다.

 

 

TCP 3방향 핸드셰이크(TCP 3-way HandShake)란?

 

TCP는 안전한 통신을 위해 통신 시작 전, 사전 연결 작업을 진행합니다. 목적지가 데이터를 받을 준비가 안 된 상황에서 데이터를 일방적으로 전송하면 목적지에서는 데이터를 정상적으로 처리할 수 없어 데이터가 버려지게 되기 때문이죠. TCP 프로토콜은 이런 상황을 만들지 않기 위해 통신 전, 데이터를 안전하게 보내고 받을 수 있는지 미리 확인하는 작업을 가집니다.

 

여기서 TCP에서 3번의 패킷을 주고받으면서 통신을 준비하는 과정을 3방향 핸드 셰이크(3-way handshake)라고 하죠.

 

 

위 그림을 보면 ACK, SYN이라는 단어가 등장하는데요. 이 두 단어를 이해하기 위해서는 TCP를 좀 더 자세히 들여다볼 필요가 있습니다.

 

3방향 핸드 셰이크 과정이 생기고, 기존 통신과 새로운 통신을 구분해야 했습니다. 어떤 패킷이 새로운 연결 시도이고 기존 통신에 대한 응답인지 구분하기 위해 TCP Header에는 Code bit(Flag bit)라는 부분이 존재합니다. 이 부분은 6bit로 구성되어있고 각 bit들은 서로 다른 의미를 가지고 있죠.

 

먼저 TCP Header에서 Code bit는 아래와 같이 구성되어 있습니다.

 

+-----+-----+-----+----+-----+----+

| URG  | ACK | PSH | RST | SYN | FIN |

+-----+-----+-----+----+-----+----+

 

예를 들어  ACK 패킷일 경우에는 010000, SYN 패킷일 경우에는 000010이 되는 것이죠. 각 패킷들을 살펴보도록 하겠습니다.

 

SYN(Synchronization:동기화) - S : 연결 요청 패킷입니다.

TCP에서 세션을 성립할 때  가장 먼저 보내는 패킷, 시퀀스 번호를 임의적으로 설정하여 세션을 연결하는 데에 사용되며 초기에 시퀀스 번호를 보내게 됩니다.

 

ACK(Acknowledgement) - Ack : 응답 패킷

상대방으로부터 패킷을 받았다는 걸 알려주는 패킷, 다른 플래그와 같이 출력되는 경우도 있습니다. 받는 사람이 보낸 사람 시퀀스 번호에 TCP 계층에서 길이 또는 데이터 양을 더한 것과 같은 ACK를 보냅니다.(일반적으로 +1 하여 보내죠.) ACK 응답을 통해 보낸 패킷에 대한 성공, 실패를 판단하여 재전송하거나 다음 패킷을 전송합니다.

 

RST(Reset) - R : 제 연결 종료 패킷
재설정(Reset)을 하는 과정이며 양방향에서 동시에 일어나는 중단 작업입니다. 비정상적인 세션 연결 끊기에 해당한다. 이 패킷을 보내는 곳이 현재 접속하고 있는 곳과 즉시 연결을 끊고자 할 때 사용하죠.

 

PSH(Push) - P : 밀어 넣기 패킷

텔넷(TELNET)과 같은 상호작용이 중요한 프로토콜의 경우 빠른 응답이 중요한데, 이때 받은 데이터를 즉시 목적지인 OSI 7 Layer의 Application 계층으로 바로 전송하도록 하는 FLAG입니다.. 대화형 트랙픽에 사용되는 것으로 버퍼가 채워지기를 기다리지 않고 데이터를 전달하죠. 데이터는 버퍼링 없이 바로 위 계층이 아닌 7 계층의 응용프로그램으로 바로 전달됩니다.

 

URG(Urgent) - U : 긴급 데이터 패킷
Urgent pointer 유효한 것인지를 나타냅니다.  Urgent pointer란 전송하는 데이터 중에서 긴급히 전당 해야 할 내용이 있을 경우에 사용하고, 긴급한 데이터는 다른 데이터에 비해 우선순위가 당연히 높아야 합니다.

 

FIN(Finish) - F : 연결 종료 요청
세션 연결을 종료시킬 때 사용되며 더 이상 전송할 데이터가 없음을 나타내죠.

 

 

 

자 그럼 TCP 3-way HandShake 과정을 한번 알아보겠습니다.

 

1. 서버에서는 서비스를 제공하기 위해 클라이언트의 접속을 받아들일 수 있는 LISTEN 상태로 대기합니다.

2. 클라이언트에서 통신을 시도할 때 SYN 패킷을 보내는데, 클라이언트에서는 이 상태를 SYN-SENT라고 부릅니다.

3. 클라이언트의 SYN을 받은 서버는 SYN-RECEIVE 상태가 되고, SYN-ACK로 응답합니다.

4. SYN-ACK 응답을 받은 클라이언트는 ESTABLISHED 상태로 변경되고, 그에 대한 응답을 서버로 다시 보냅니다.

5. 서버에서도 클라이언트의 이 응답을 받고 ESTABLISHED상태로 변경됩니다.

6. 여기서 ESTABLISHED상태는 서버와 클라이언트 간의 연결이 성공적으로 완료되었음을 나타냅니다.

 

여기서 잠깐, 그럼 왜 3-way일까요? 이유는 TCP는 양방향성 연결이기 때문입니다. 클라이언트에서 서버에게 존재를 알리고(1) 서버에서 클라이언트에게 자신의 존재를 다시 알려서(2) 클라이언트가 안심하고 서버로 패킷을 보내는(3) 과정이 필요하기 때문에 2-way로는 부족하겠죠?

 

자 그럼 이제 TCP 4방향 핸드 셰이크(TCP 4-way HandShake)를 알아보겠습니다.

 

먼저 3-way handshake가 TCP의 연결을 시작하고 초기화할 때 사용한 반면, 4-way handshake는 세션을 종료하기 위해 수행되는 과정입니다.

 

1. 클라이언트가 서버에게 연결을 종료하겠다는 FIN플래그를 전송합니다.

2. 서버는 일단 ACK 확인 메시지를 보내고 자신의 통신이 끝날 때까지 기다리는데 이 상태가 TIME_WAIT상태입니다.

3. 서버가 통신이 끝났으면 연결이 종료되었다고 클라이언트에게 FIN플래그를 전송하게 됩니다.

4. 클라이언트는 확인했다는 메시지를 보내고 연결은 종료가 됩니다.

 

 

만약 클라이언트에서 세션을 종료시킨 후 뒤늦게 도착하는 패킷이 있다면 이 패킷은 사라져 버릴 겁니다.이러한 현상에 대비하여 클라이언트는 서버로부터 FIN을 수신하더라도 일정 시간 동안 세션을 남겨놓고 혹시나 하는 마음에 나머지 패킷을 기다리는 과정을 거치게 되는데 이 과정을 TIME_WAITTIME_WAIT라고 합니다.

 

 

정리

 

이번 시간에는 TCP, UDP를 공부하다가 3-way handshaking과 4-way handshaking을 복습해 보았습니다.

확실히 CS도 꾸준히 복습하고 실무에 적용해서 공부하지 않으면 기억이 가물가물해지는 것 같습니다. 앞으로도 꾸준히 복습을 해야겠네요.

 

감사합니다.