[네트워크 핵심이론] Section 4. L4 TCP, UDP

TCP 연결과정

​ TCP 의 연결과정은 3-way handshaking 으로 진행됩니다. 두 end-point 는 이 과정을 통해 sequence number 와 여러가지 정책을 교환합니다. 이 정책 중 중요한 정책은 MSS(Maximum segment size) 로, 각 end-point 가 받을 수 있는 segment 의 사이즈입니다. 만약 MSS 가 다르다면 두 end-point 중 하나가 Segment size 를 줄여야겠죠.

1. 클라이언트 측에서 연결이 가능한지 SYN Segment 를 보냅니다. 연결과정의 Segment 는 payload 가 없고 단순히 연결을 위한 데이터입니다. 여기에 Sequence number 가 들어가있습니다.
2. 서버측에서 SYN 을 받으면 잘 받았다는 의미로 클라이언트측의 Sequence number 에 1 을 더하고, 자신의 Sequence number 를 포함하여 ACK 로 보냅니다.
3. 클라이언트 측이 ACK 를 받으면 서버측으로 ACK 를 보내면서 연결이 성공적으로 됐다고 판단합니다.
4. 서버 측도 ACK 를 받으면 연결이 성공적으로 됐다고 판단합니다. 따라서 연결 성공 시점의 판단은 클라이언트와 서버 측이 다릅니다.

TCP 연결종료 및 상태변화

​ 다음은 TCP 연결종료 과정으로 4-way handshaking 입니다.

1. 클라이언트에서 연결을 끊자는 의미로 FIN + ACK 를 서버로 보내고 FIN 을 기다리는 FIN_WAIT 상태가 됩니다.
2. 서버는 FIN + ACK 를 받으면 응답의 의미로 ACK 를 보냅니다.
3. 클라이언트는 ACK 를 받으면 다시 서버로부터 FIN + ACK 가 올 때까지 FIN_WAIT 상태가 됩니다.
4. 서버는 일정시간 뒤에 다시 FIN + ACK 를 보냅니다.
5. 클라이언트는 FIN + ACK 를 받고 TIME_WAIT 상태가 됩니다. 일정 시간이 지나면 소켓이 회수됩니다.
6. 서버가 ACK 를 받으면 소켓이 회수됩니다.

여기서 중요한 점은 서버를 끊자고 한 쪽에서 TIME_WAIT 가 발생한다는 점입니다. Socket 은 자원이기 때문에 시간이 지나야만 소켓이 회수됩니다. 특히 서버는 소켓 자원을 관리해야 하기 때문에 먼저 연결을 끊자고 하기보다는 클라이언트가 연결을 끊도록 유도해야 합니다.

아래 표는 지금까지의 연결과 종료를 도표로 표현한 것입니다.

TCP/UDP Header 형식

먼저 TCP 헤더입니다.

1. Source port / Destination port : 출발, 도착지 포트번호입니다. 포트번호는 2^16 으로 표현되는데, 0번과 65535번은 없습니다.
2. Sequence number : 데이터 길이(byte 단위) 만큼 증가하며 다쓰면 다시 1부터 시작합니다. 예를 들어 이전 Sequence number 가 1000 이었고 이번 세그먼트의 길이가 200 이면 Sequence number 는 1200 이 됩니다.
3. Acknowledgment number : ACK 는 잘 받았다는 의미로, sequence number + 1 로 응답합니다.
4. Data offset : segment payload 위치를 나타냅니다. IP 의 IHL 과 비슷한 의미입니다.
5. flags : 어떤 플래그인지 명시합니다.
6. Window Size : 소켓에 남은 여유공간을 나타냅니다.
7. checksum : 데이터 손상 여부 확인할 수 있습니다.

다음은 UDP 헤더입니다. 송수신측 포트번호, 길이, Checksum 만 있습니다. 게임이나 IPTV 등 데이터를 빨리 보내야 하고 네트워크 상태에 맞춰서 동기화를 하면 품질이 저하될 때 사용합니다.

TCP ‘연결’ 이라는 착각

​ 파일을 다운로드 중 LAN 케이블을 분리했다가 다시 연결하면 TCP 연결은 어떻게 될까요? 잠깐 분리했다가 다시 연결하면 파일은 정상적으로 다운로드가 됩니다. 즉, 연결은 일정시간 유지되는거죠. 운영체제는 ‘재전송 타이머’ 를 통해 연결 상태를 지속적으로 확인합니다.

​ 재전송 타이머의 기본 근사 값은 대략 3초지만 대부분의 운영체제들은 1초 미만입니다. 재전송 타이머 만료 후에서 확인 응답을 받지 못한 경우 세그먼트를 재전송하고 RTO (Retransmission TIme-Out) 을 2배로 증가시킵니다. RTO 가 1초, 2초, 4초, 8초, 16초 간격으로 늘어나면서 재전송하는거죠. 따라서 랜케이블을 분리하고 1 ~ 2초 후에 다시 연결하면 파일 다운로드가 잠깐 멈췄다가 다시 되는겁니다. L4 의 논리적 연결은 지속되어있기 때문입니다.

​ 랜케이블이 빠지는 것과 같이 응답을 못받는 상황을 충격이라고 하는데, 유선랜은 드물지만 무선랜에서는 잦은 상황입니다. Wifi 가 변경되거나 지하철에서 특정구간에 잠깐씩 무선 연결이 끊길 수도 있지만 스트리밍이 완전히 멈추지는 않죠. 이러한 재전송은 5회 시도고 5회 이상 모두 실패 시 보통 전송 오류가 발생합니다.

​ 서버와 클라이언트 입장에서 TCP 연결은 정말로 ‘연결’ 된 것이 아니라 연결되었다고 가정하고 데이터를 주고 받는 것입니다. 어떤 논리적인 통로가 개설된 게 아니라는 거죠.