[Network] TCP 연결 및 연결해제 과정 (3-way handshake / 4-way handshake)

TCP는 신뢰성을 확보하기 위해 송수신자 사이 연결과정과 연결 해제 과정 작업을 진행한다.

 

+ 기초 지식

제어 플래그(코드 비트)

세그먼트 헤더에 있는 영역으로 TCP 연결 회선 및 데이터를 제어하기 위한 비트이다. 6개의 종류가 있는데 TCP 연결 및 해제에선 아래 3개의 종류만 사용된다.

ACK: Acknowledgement의 약자로 “응답”을 의미하는 플래그
SYN: Synchronize의 약자로 “연결 요청”을 의미하는 플래그
FIN: Finish의 약자로 “연결 해제 요청”을 의미하는 플래그
초기값: 0 / 활성 시: 1

포트 상태 정보

각 호스트의 포트 상태를 의미

CLOSED : 포트가 닫힌 상태
LISTEN : 포트가 열린 상태로 연결 요청 대기 중
SYN_SENT : SYN요청을 보내고 SYN+ACK 응답을 기다리는 상태
SYN_RECEIVED : SYN 요청을 받고 상대방의 응답을 기다리는 상태
ESTABLISHED : 포트 연결 상태

 

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연결 과정 (3-way handshake)

통신할 네트워크 장치 간 논리적 접속(Establish) 상태를 만들기 위해 3-way handshake 방법을 사용한다. 이 과정을 위해 TCP의 세그먼트 헤더에 존재하는 플래그(코드 비트)에서 ACK 와 SYN 비트가 사용된다.

출처: 면접을 위한 CS 전공지식 노트

  step1: SYN 단계  

“연결 요청”
클라이언트가 서버에 클라이언트ISN을 담아 SYN을 보낸다.

*ISN은 첫 번째 패킷에 할당된 임의의 시퀀스 번호

SYN : 1
client ISN : 12010 (내 고유번호)

 

  step2: SYN + ACK 단계  

“확인 + 나도 연결 요청”
서버는 클라이언트의 SYN을 수신하고 서버ISN을 보내며 승인번호로 클라이언트ISN + 1 을 담아 ACK를 보낸다.

SYN: 1
sever ISN: 5000 (내 고유번호)
ACK: 1
client ISN: 12011 (너 고유번호 + 1 → 확인했단 뜻)

 

  step3: ACK 단계  

“확인”
클라이언트는 서버ISN + 1 의 값을 승인번호로 담아 ACK 를 서버에 보낸다.

ACK: 1
server ISN: 5001 (너 고유번호 + 1 → 확인했단 뜻)

 

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연결 해제 과정 (4-way handshake)

연결을 해제할 때는 4단계로 이루어진 4-way handshake 과정이 발생한다.

출처: 면접을 위한 CS 전공지식 노트

  step1: FIN  

“해제 요청”
클라이언트가 연결 해제하고자 할 때 FIN 세그먼트를 서버에 보낸다.
그런 후 클라이언트는 FIN_WAIT_1 상태로 들어가 서버의 응답을 기다린다.

FIN : 1
client: FIN_WAIT_1 (서버 응답 대기)
server: ESTABLISHED

 

  step2: ACK  

“확인(수신 완료되면 말해줄게)”
서버는 클라이언트에게 ACK 를 보내 해제 요청을 확인했음을 알린다.
그런 후 서버는 CLOSE_WAIT 상태로 들어간다. 서버의 ACK 세그먼트를 받으면 클라이언트는 FIN_WAIT_2 상태가 된다.

ACK: 1
client: FIN_WAIT_2 (서버 데이터 처리 완료 대기)
server: CLOSE_WAIT (처리 남은 데이터 있다면 전송 마친 후 close 호출)

 

  step3: FIN  

“해제 요청(모든 데이터 처리 끝냈어)”
서버는 2단계에서 ACK 를 보내고 일정 시간 이후에 클라이언트에게 FIN 세그먼트를 보낸다. 서버로부터 ACK 를 받은 클라이언트는 TIME_WAIT 상태가된다.

FIN: 1
client: TIME_WAIT (일정 시간 있다가 포트 닫을게)
server: LAST_ACK (클라이언트 승인 대기)

 

  step4: ACK  

“확인, 해제 해 (난 좀 있다 해제할게)”
TIME_WAIT 상태가 된 클라이언트는 다시 서버로 ACK 를 보내고 이를 받은 서버는 CLOSED 상태가 된다. 클라이언트는 어느 정도 TIME_WAIT 상태를 유지(대기) 한 후 CLOSED 상태로 연결이 닫히고 이때 클라이언트와 서버의 모든 자원 연결이 해제된다.

이때 클라이언트가 ACK를 보내고 바로 포트를 닫지 않고 TIME_WAIT 상태로 일정시간 유지하는 이유는 연결 데드락 상태를 방지하고자 함이다. ACK 를 보내자마자 클라이언트가 포트를 닫아버렸다고 가정해 보자. 이때, 마지막으로 보낸 ACK 세그먼트가 전송 도중 소멸됐을 경우 서버는 FIN 을 보낸 이후 승인 메시지를 받지 못해 포트가 아직 열려있는 상태이다. 하지만 클라이언트 포트는 이미 닫아버렸기 때문에 승인 메시지를 다시 보낼 수 없게 되어 서버는 계속 응답 메시지만 기다릴 것이다. 따라서 이런 상태를 방지하고자 ACK 전송이 에러 났을 경우 다시 재전송 가능하도록 지연시간을 둔 것이다.

ACK: 1
client: TIME_WAIT (일정 시간 후 클라이언트 closed)
server: CLOSED