[네트워크] TCP 연결과 3-Way Handshake

1. TCP 연결 설정 (Connection Establishment)

1.1 2-Way Handshake의 한계

• 개념: 클라이언트의 요청(req_conn)에 서버가 응답(acc_conn)하면 즉시 연결되는 방식.
• 문제점:
  • 가변 지연(Variable delays) 및 패킷 재전송으로 인해, 클라이언트는 이미 포기한 "과거의 요청 패킷(Stale packet)"이 뒤늦게 서버에 도착할 수 있음.
  • 서버는 이를 새로운 요청으로 오해하여 자원을 할당하지만, 클라이언트는 응답하지 않음 -> 자원 낭비(Half-Open Connection) 발생.

1.2 3-Way Handshake (표준 방식)

• 목적: 양방향 신뢰성 확보 및 초기 순서 번호(Seq #) 동기화.
• 단계별 과정:
  1. SYN (Step 1): 클라이언트가 임의의 번호 x를 생성해 전송. (SYNbit=1, Seq=x)
     • 상태: 클라이언트 SYN_SENT
  2. SYN-ACK (Step 2): 서버가 자신의 번호 y를 생성하고 클라이언트의 $x$를 확인. (SYNbit=1, Seq=y, ACKbit=1, ACKnum=x+1)
     • 상태: 서버 SYN_RCVD
  3. ACK (Step 3): 클라이언트가 서버의 y를 확인. (ACKbit=1, ACKnum=y+1)
     • 상태: 클라이언트/서버 모두 ESTABLISHED (연결 완료)
• 코드 레벨:
  • Client: connect() 호출 시 위 과정이 내부적으로 실행됨.
  • Server: listen() 상태에서 대기하다가 accept()가 리턴되는 시점이 Step 3 완료 후임.

2. TCP 데이터 전송 메커니즘

2.1 ACK 생성 규칙 (RFC 5681)

수신측은 네트워크 부하를 줄이기 위해 전략적으로 ACK를 보냅니다.

수신 이벤트	수신측 동작 (Action)	이유/설명
정상 순서 도착 (빈틈 없음)	지연된 ACK (Delayed ACK)	최대 500ms 대기하며 다음 패킷과 묶어 보내려 함.
정상 순서 도착 (기다리는 ACK 있음)	즉시 누적 ACK 전송	2개의 세그먼트를 하나의 ACK로 처리하여 효율성 증대.
순서 어긋남 (Gap 발생)	즉시 중복 ACK 전송	유실을 알리기 위해 "내가 기다리는 번호"를 재응답.
비어있던 Gap을 채움	즉시 ACK 전송	데이터가 정상화되었음을 즉시 송신측에 알림.

2.2 Seq #와 ACK #의 상호작용 (Telnet 예시)

• Seq #: 내가 보내는 데이터의 첫 번째 바이트 번호.
• ACK #: 상대방으로부터 받고 싶은 다음 바이트 번호 (상대방이 보낸 Seq + 데이터 크기).
• 피기배킹(Piggybacking): 수신 확인(ACK) 패킷에 실제 데이터(Data)를 실어서 한 번에 보내는 기술.
  • 예: Seq=42, ACK=79, data='C' -> 나는 42번부터 보내고, 너의 78번까지 잘 받았으니 79번을 다오.

3. 흐름 제어 (Flow Control)

3.1 목적 및 개념

• 목적: 송신측 전송 속도가 수신측 처리 속도보다 빠를 때 발생하는 수신 버퍼 오버플로우 방지.
• 원리: 수신측이 송신측을 제어함.

3.2 rwnd (Receive Window) 관리

• RcvBuffer: OS가 소켓에 할당한 전체 버퍼 크기 (기본 약 4096 bytes).
• rwnd (수신 윈도우): 버퍼 중 현재 비어 있어 추가 수용 가능한 공간.
  • 수식: rwnd = RcvBuffer - [LastByteRcvd - LastByteRead]
• 광고(Advertising): 수신측은 모든 ACK 패킷 헤더의 window size 필드에 현재 rwnd 값을 담아 보냄. 송신측은 확인 응답 받지 못한 데이터의 합이 rwnd를 넘지 않도록 제한함.

4. 연결 종료 (Connection Termination)

4.1 4-Way Handshake 과정

한쪽이 닫아도 반대쪽은 보낼 게 남을 수 있어 4단계로 진행됩니다.

1. FIN (Client): 클라이언트가 close() 호출. "보낼 거 끝났다." (FIN_WAIT_1)
2. ACK (Server): 서버가 확인 응답. (CLOSE_WAIT). 클라이언트는 서버가 닫기를 기다림 (FIN_WAIT_2).
3. FIN (Server): 서버도 보낼 거 다 보내면 종료 선언. (LAST_ACK)
4. ACK (Client): 클라이언트의 최종 확인. 서버는 즉시 CLOSED. 클라이언트는 TIME_WAIT 진입.

4.2 TIME_WAIT 상태의 이유

• 최종 ACK 유실 대비: 클라이언트의 마지막 ACK가 사라지면 서버는 FIN을 재전송함. 이를 처리하기 위해 기다림.
• 지연 패킷 방지: 네트워크를 떠돌던 이전 연결의 패킷이 새로운 연결(같은 포트 번호)에 섞여 들어가는 현상 차단.
• 대기 시간: 보통 $2 \times MSL$ (Maximum Segment Lifetime) 동안 유지.

5. 핵심 용어 및 필드 비교

• FINbit vs Seq:
  • FINbit: 1비트 플래그. 패킷의 '종류'가 종료 신호임을 표시 (Yes/No).
  • Seq: 32비트 숫자. 데이터의 '순서'를 나타내는 값. (종료 시 FIN 신호도 1바이트를 소비한 것으로 간주하여 번호를 부여함).
• 상태 요약:
  • LISTEN: 서버가 요청 대기 중.
  • ESTABLISHED: 연결 완료, 데이터 전송 중.
  • TIME_WAIT: 종료 후 유실 패킷 처리를 위한 대기 시간.