TCP 동작 방식 (3-way handshake, 4-way handshake)

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 됩니다.

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

오늘은 TCP 동작 방식을 알아보기 위해 3-way, 4-way handshake 과정을 알아보겠습니다.

 

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Socket 생성

Client는 운영체제에 socket( ) 시스템 콜을 이용하여 소켓을 생성합니다.

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

 

 

 

3-way handshake

• Client는 Server와 연결하기 위해 3-way handshake를 통해 연결 요청을 하게 됩니다.
• 우리가 일반적으로 생각하는 Client와 Server는 모두 서로 연결 요청을 먼저 할 수 있기 때문에, 연결 요청을 먼저 시도한 요청자를 Client로, 연결 요청을 받은 수신자를 Server쪽으로 생각하고 보시면 될 것 같습니다.
• 이때 아래 그림에서 a는 Sequence Number, b는 Acknowledgment Number가 됩니다.
• ACK : 동기화 요청에 대한 답변 - Client의 Sequence Number에 +1을 하여 ACK로 돌려줍니다.

 

(1) SYN(a) Client에서 Server에게 SYN(a)를 보냅니다. 이 때 Client의 상태는 SYN을 보냈다는 SYN_SENT 상태로 바뀌게 됩니다.

 

(2) SYN(b) + ACK(a+1) Server에서는 SYN을 받았다는 SYN_RECEIVED 상태로 바뀝니다. 그리고 나서 Client에게 잘 받았다는 응답의 ACK(a+1)과 SYN(b)를 보냅니다.

 

(3) ACK(b+1) Client에서는 상호 연결이 된 상태의 ESTABLISHED로 바뀝니다. 그리고 나서 Server에게 ACK(b+1)을 보냅니다.

 

(4) ESTABLISHED Server에서는 ACK를 받은 후에 ESTABLISHED 상태로 바뀌게됩니다.

 

 

 

4-way handshake

• 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 보시면 됩니다.
• 아래 그림에서 처음 보내는 종료 요청인 (1) FIN 패킷에 실질적으로 ACK가 포함되어 있는 것을 알 수 있는데, 이는 Half-Close 기법을 사용하기 때문입니다.
  • 즉, 연결을 종료하려고 할 때 완전히 종료하지 않고 반만 종료합니다.
  • Half-Close 기법을 사용하면 종료 요청자가 처음 보내는 FIN 패킷에 승인 번호를 함께 담아서 보내게 되는데, 이때 승인 번호의 의미는 "일단 연결은 종료할건데 귀는 열어둘게. 이 승인 번호까지 처리했으니까 더 보낼 거 있으면 보내" 가 됩니다.
  • 이후 수신자가 남은 데이터를 모두 보내고 나면 다시 요청자에게 FIN 패킷을 보냄으로써 모든 데이터가 처리되었다는 신호 (3) FIN를 보냅니다. 그럼 요청자는 그때 나머지 반을 닫으면서 좀 더 안전하게 연결을 종료할 수 있게 됩니다.

 

(1) FIN (+ACK) 서버와 클라이언트가 TCP 연결이 되어있는 상태에서 클라이언트가 접속을 끊기 위해 close( )를 호출합니다. 클라이언트가 close( )를 호출하면서 서버에게 FIN 패킷을 보내게 되는데, 이때 FIN 패킷에 실질적으로는 ACK도 포함되어 있습니다. 그리고 나서 클라이언트는 FIN_WAIT_1 상태로 들어갑니다.

 

(2) ACK 서버는 클라이언트에게 응답을 보내고 CLOSE_WAIT 상태에 들어갑니다. 그리고 아직 남은 데이터가 있다면 마저 전송을 마친 후에 close( )를 호출합니다.

 

(3) FIN_WAIT_2 클라이언트에서는 서버에서 ACK를 받은 후에 서버가 남은 데이터 처리를 끝내고 FIN 패킷을 보낼 때까지 기다리게 됩니다.

 

(4) FIN 서버는 이제 모든 데이터 처리가 끝났다고 종료에 합의 한다는 뜻으로 클라이언트에게 FIN 패킷을 보낸 후에 승인 번호를 보내줄 때까지 기다리는 LAST_ACK 상태로 들어갑니다.

 

(5) ACK 클라이언트는 서버에서 FIN 패킷을 받고 나서 다시 서버에게 ACK 응답을 보낸 후에 TIME_WAIT 상태로 들어가며 실질적인 종료 과정(CLOSED)에 들어가게 됩니다. 이때 TIME_WAIT 상태는 의도치 않은 에러로 인해 연결이 데드락으로 빠지는 것을 방지하는데, 만약 에러로 인해 종료가 지연되다가 타임이 초과되면 CLOSED로 들어갑니다.

 

(6) CLOSED 서버는 ACK를 받고 CLOSED 상태로 들어가 종료하게 됩니다.

 

 

 

 

 

 

 

 

TCP 통신 과정 및 비정상 종료(TCP 3,4-way handshake)

 

TCP가 연결을 생성하고 종료하는 방법, 핸드쉐이크