TCP handshaking

TCP는 연결지향 프로토콜, 연속적으로 패킷의 상태 정보를 확인하고 유지한다.

TCP 3-way handshaking

• 장치간에 데이터를 전송하기 전에 세션을 수립한다.
• 클라이언트가 서버에 연결을 요청하고, 서버가 요청을 수락하여 연결을 설정하는 과정이다.

목적

• 클라이언트와 서버 간에 신뢰성 있는 연결을 설정하고 데이터를 안정적으로 전송하는데 중요한 역할을 한다.
• 데이터 손실이나 왜곡을 최소화하고, 안정적인 통신 환경을 제공한다.

단계

1. 클라이언트가 SYN 패킷을 보내고, 초기 순차 번호(a)를 포함한다.
   • Sequence number는 임의의 랜덤 수
   • SYN 플래그비트를 1로 설정한 세그먼트 전송
2. 서버는 SYN 패킷을 받고, SYN-ACK 패킷을 보낸다. 초기 응답 순차 번호(a+1)를 포함한다.
   • 접속요청을 받은 서버가 요청을 수락하고, 클라이언트도 포트를 열어달라는 메세지 전송
   • ACK number 필드를 순차번호 + 1로 지정하고 SYN과 ACK 플래그 비트를 1로 설정한 세그먼트 전송
3. 클라이언트는 SYN-ACK 패킷을 받고, ACK 패킷을 보내서 연결 설정을 완료한다.
   • 클라이언트가 수락 확인(ACK)을 보내 연결을 맺음
   • 전송할 데이터가 있으면 이 단계에 데이터를 전송할 수 있다.

SYN : Synchronize sequence numbers

ACK : Acknowledgement

세그먼트 : TCP 세그먼트, TCP 세션으로 연결된 양 끝단 간에 교환, 전달되는 데이터 단위 (= 세그먼트 헤더 (TCP 헤더) + 데이터)

TCP 4-way handshaking

• 연결 종료를 위해 사용된다.
• 클라이언트와 서버 간의 연결을 안전하게 종료하는 과정이다.

단계

1. 클라이언트가 연결 종료를 요청하는 FIN 패킷을 보낸다.
   • 클라이언트는 close()를 호출한다.
2. 서버는 FIN 패킷을 받고, ACK 패킷을 보내서 수락을 확인한다.
   • 서버는 클라이언트에 응답을 보내고 CLOSE_WAIT 상태에 들어간다. 그리고 아직 남은 데이터가 있다면 마저 전송을 마친 후에 close()를 호출한다.
   • 클라이언트는 서버가 FIN을 보낼 때까지 기다린다. (FIN_WAIT_2)
3. 서버가 더 이상의 데이터 전송이 없음을 나타내기 위해 FIN 패킷을 보냅니다.
   • 서버가 데이터 전송을 마치면 FIN을 보내고, LAST_ACK 상태로 들어간다.
4. 클라이언트는 FIN 패킷을 받고, ACK 패킷을 보내 연결 종료를 완료합니다.
   • 클라이언트는 아직 서버로부터 받지 못한 데이터가 있을 수 있으므로 TIME_WAIT으로 기다린다. → 에러로 인해 연결이 데드락으로 빠지는 것을 방지하기 위해 일정 시간이 넘어가면 CLOSED로 들어간다.
     
   • CLOSED :
     • 서버 : ACK을 받은 이후 소켓을 닫는다.
     • 클라이언트 : TIME_WAIT 시간이 끝나면 닫는다.

참고

https://mindnet.tistory.com/entry/네트워크-쉽게-이해하기-22편-TCP-3-WayHandshake-4-WayHandshake
https://velog.io/@averycode/네트워크-TCPUDP와-3-Way-Handshake4-Way-Handshake
https://sjlim5092.tistory.com/37

질문

• TCP의 3-way handshake와 4-way handshake에 대해 설명하시오.

  • 3-way handshake:
    • 연결 설정을 위해 사용됩니다.
    • 클라이언트가 서버에 연결을 요청하고, 서버가 요청을 수락하여 연결을 설정하는 과정입니다.
    • 단계:
      1. 클라이언트는 SYN 패킷을 보내고, 초기 순차 번호를 포함합니다.
      2. 서버는 SYN 패킷을 받고, SYN-ACK 패킷을 보내고, 초기 응답 순차 번호를 포함합니다.
      3. 클라이언트는 SYN-ACK 패킷을 받고, ACK 패킷을 보내서 연결 설정을 완료합니다.
  • 4-way handshake:
    • 연결 종료를 위해 사용됩니다.
    • 클라이언트와 서버 간의 연결을 안전하게 종료하는 과정입니다.
    • 단계:
      1. 클라이언트나 서버 중 하나가 연결 종료를 요청하는 FIN 패킷을 보냅니다.
      2. 수신자는 FIN 패킷을 받고, ACK 패킷을 보내서 수락을 확인합니다. 이때도 아직 데이터를 전송할 수 있습니다.
      3. 수신자가 더 이상의 데이터 전송이 없음을 나타내기 위해 FIN 패킷을 보냅니다.
      4. 전송자는 FIN 패킷을 받고, ACK 패킷을 보내 연결 종료를 완료합니다.

• TCP 3,4 way handshake의 단계수 차이가 나는 이유
  Client가 데이터 전송을 마쳤다고 하더라도 Server는 아직 보낼 데이터가 남아있을 수 있기 때문에 일단 FIN에 대한 ACK만 보내고, 데이터를 모두 전송한 후에 자신도 FIN 메시지를 보내기 때문이다.
  

• 만약 Server에서 FIN 플래그를 전송하기 전에 전송한 패킷이 Routing 지연이나 패킷 유실로 인한 재전송 등으로 인해 FIN 패킷보다 늦게 도착하는 상황이 발생하면 어떻게 될까?
  이러한 현상에 대비하여 Client는 Server로부터 FIN 플래그를 수신하더라도 일정시간(Default: 240sec)동안 세션을 남겨 놓고 잉여 패킷을 기다리는 과정을 거친다. (TIME_WAIT 과정)

• 초기 Sequence Number인 ISN을 0부터 시작하지 않고 난수를 생성해서 설정하는 이유?
  Connection을 맺을 때 사용하는 포트(Port)는 유한 범위 내에서 사용하고 시간이 지남에 따라 재사용된다. 따라서 두 통신 호스트가 과거에 사용된 포트 번호 쌍을 사용하는 가능성이 존재한다. 서버 측에서는 패킷의 SYN을 보고 패킷을 구분하게 되는데 난수가 아닌 순처적인 Number가 전송된다면 이전의 Connection으로부터 오는 패킷으로 인식할 수 있다. 이런 문제가 발생할 가능성을 줄이기 위해서 난수로 ISN을 설정한다.