TCP 프로토콜 - TCP의 동작 원리

TCP 프로토콜은 전이중(full-duplex) 방식의 양방향 통신을 지원하므로 가상 회선으로 연결된 두 프로세스가 동시에 데이터를 전송할 수 있다. 따라서 전송 데이터와 응답 데이터를 함께 전송하는 피기배킹(Piggybacking) 기능을 사용한다.

 

연결형 서비스를 제공하는 TCP에서 데이터를 전송하려면 연결 설정, 데이터 전송, 연결 해제라는 3단계를 순차적으로 진행해야 한다.

 

연결 설정

TPC 연결 설정

TCP를 사용하는 프로세스가 가장 먼저 실행하는 연결 설정은 위와 같은 3단계 설정(Three-Way Handshake) 방식이다.

A 프로세스가 연결 설정을 요구하고, B 프로세스가 이를 수락하는 형식이다.

구체적 단계 :

1. A 프로세스가 TCP 헤더의 SYN 플래그를 지정한 세그먼트를 전송, 임의의 순서 번호 10 (연결 설정 요구)

2. 연결 설정 요구를 받은 B 프로세스가 연결을 수락하기 위해 SYN 플래그와 ACK 플래그를 지정해 연결에 대한 긍정 응답 표시

   SYN 플래그가 지정된 세그먼트에는 전송 데이터가 포함되지 않아도 순서 번호는 1 증가, B 프로세스는 임의의 순서 번호 50을 지정

3. B 프로세스가 전송한 연결 수락 세그먼트가 제대로 도착했음을 알림

    위의 상황은 A 프로세스에 전송할 데이터가 없을 때 처리하는 방식이고, 전송 데이터가 있다면 세 번째 세그먼트에서 바로 데이터를 전송

 

 

데이터 전송

TCP는 데이터 전송 과정에서 흐름 제어를 지원하기 위해 슬라이딩 윈도우 프로토콜을 사용함

데이터를 수신하는 프로세스는 응답 세그먼트 헤더의 Window 필드를 이용해 윈도우 크기로 송신 프로세스의 전송 속도를 조절함

 

정상적인 데이터 전송

TCP 데이터 전송

TCP의 데이터 전송은 양쪽 프로세스가 동시에 데이터를 전송할 수 있는 전이중 방식을 지원한다.

위그림은 연결 설정 과정 후 이어지는 전송과정을 표현한다.

A 프로세스가 먼저 순서 번호 11번부터 5바이트의 데이터를 전송하고, B 프로세스는 순서 번호 51번부터 10바이트의 데이터를 전송한다.

순서 번호와 응답 번호의 조합은 전송되는 데이터의 양에 따라 적절히 조정되고 있다.

TCP의 흐름 제어는 프로토콜 헤더의 Window 필드를 사용해 이루어지는데, Window 필드에 지정한 값 이상으로 데이터를 전송할 수 없으므로 수신 프로세스는 자신의 처리 능력에 맞는 값으로 Window 필드 값을 지정해 송신 프로세스의 전송 속도를 제어한다.

window 사이즈를 초과하는 데이터들은 수신 프로세스로부터 이전 응답이 도착했을 때 이어서 전송할 수 있다.

 

데이터 전송 오류

순서 번호는 상위 계층에서 보낸 데이터의 바이트 수에 기초하여 부여되고, 수신 프로세스는 순서 번호를 기준으로 데이터의 순서를 정렬한다. 순서 번호가 동일한 데이터가 도착하면 중복으로 판단하여 해당 데이터를 버리고, 중간의 순서 번호가 빠진 경우는 데이터 분실로 판단  

전송 오류

TCP는 부정 응답 기능인 NAK를 사용하지 않기 때문에 수신 프로세스에 도착한 데이터 세그먼트의 내용이 변형되어도 수신 프로세스가 응답을 하지 않아 데이터 분실과 동일하게 처리된다. 데이터 변형과 분실 오류가 발생하면 수신 프로세스로부터 회신을 받을 수 없으므로 송신 프로세스의 타임아웃 기능에 의해 오류가 복구된다.

연결 해제

TCP 연결 해제

연결 해제하고자 하는 쪽에서 FIN 프래그를 지정해 요구

연결 해제는 두 프로세스 동의하에 진행되기 때문에 연결 해제 세그먼트를 받은 프로세스가 FIN 플래그로 응답할 때까지 연결은 계속 유지

 

그림에서 FIN 플래그가 지정된 세그먼트를 수신한 프로세스는 이에 대한 응답으로 순서 번호를 1 증가시켜 응답 번호를 17번으로 지정한 긍정응답 세그먼트를 회신하였다. 그리고 자신이 전송할 61번 세그먼트 이후의 데이터(5바이트)는 계속 전송하는 상황이다.

이후 B 프로세스는 FIN 플래그를 사용해 연결 종료에 합의하고 연결이 종료된다. 

 

추가로 순수한 ACK 세그먼트는 데이터를 포함하지 않고 단순히 이전에 받은 데이터를 확인하는 용도로 사용되므로 이 경우 sequence number는 증가하지 않는다. (Seq=17, Ack=66, ACK)를 B 프로세스가 수신받고 (Seq=66, Ack=17, ACK, FIN)처럼 Ack=18이 아닌 17 그대로 응답한 것을 볼 수 있다.

 

비정상적인 종료/ 연결 거부(RST 사용)

사용 상황

1. 자원 부족
서버의 리소스(메모리, CPU 등)가 부족할 경우, 새로운 연결 요청을 처리할 수 없어 RST 패킷을 보내 연결을 거부할 수 있다.
2. 세션 오류
TCP 연결 상태가 불일치하거나 세션 관리에 문제가 발생했을 때 RST 패킷이 사용될 수 있다
3. 이미 닫힌 연결에 대한 세그먼트 수신
한쪽에서 연결을 이미 종료했는데, 상대방이 계속해서 데이터를 전송하는 경우 RST 패킷을 보내 연결이 더 이상 유효하지 않음을 알림

4. 서버의 연결 설정 거부
서버가 특정 이유로 연결 설정을 거부할 때 RST 패킷을 사용한다. 예를 들어, 존재하지 않는 포트로의 연결 요청이 있을 때 발생한다.

 

 

 

 

 

참고 자료 :

쉽게 배우는 데이터 통신과 컴퓨터 네트워크 3판 - 박기현 지음