TCP 3 way handshake & 4 way handshake

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연결을 성립하고 해제하는 과정을 말한다.

TCP 는 연결 수립과 종료 과정에서 각각 3-way handshake 와 4-way handshake 라는 메커니즘을 사용한다.

보통 단어들에 대해서는 익숙하지만, 사실은 왜 그 횟수가 필요한지, 각 패킷이 어떤 역할을 하는지에 대해서 아는 것이 더 중요하다.

3 way handshake

TCP는 장치들 사이에 논리적인 접속을 성립시키기 위해 3 way handshake를 사용한다.

풀어서 말하자면, TCP/IP 프로토콜을 이용해서 통신을 하는 응용프로그램이 데이터를 전송하기 전에 먼저 정확한 전송을 보장하기 위해 상대방 컴퓨터와 사전에 세션을 수립하는 과정을 의미한다.

작동방식

  1. SYN (Synchronize): 클라이언트가 서버에게 연결을 요청하며, 자신의 초기 시퀀스 번호 x 를 전송한다.

  2. SYN-ACK: 서버가 클라이언트의 SYN 을 받았음을 확인(ACK=x+1)하고, 동시에 자신의 초기 시퀀스 번호 y 를 포함한 SYN 을 전송한다.

  3. ACK: 클라이언트가 서버의 SYN 을 받았음을 확인한다.

TCP 3 Way Handshake 란?

왜 3번의 교환이 필요한가?

만약 3번의 교환을 하지 않는다고 생각해보면 문제가 명확하다.

  1. 시퀀스 번호는 전역 클록에 묶여있지 않다: 각 TCP 엔드포인트는 독립적으로 초기 시퀀스 번호(ISN)을 생성한다. 네트워크상에 전역 동기화 메커니즘이 없기 때문이다.

  2. 지연된 오래된 패킷 문제: 네트워크에서 지연된 이전 연결의 SYN 패킷이 새 연결 시도로 오해될 수 있다. 첫 번째 SYN 을 받은 쪽은 이것이 오래된 패킷인지 새로운 요청인지 알 수 없다.

  3. 송신자 검증 필요: 수신자는 반드시 송신자에게 “이거 님이 보낸거 맞음?” 을 확인해야한다.

양방향 동기화, 완전한 동기화를 위해서는:

  • 각 측이 자신의 ISN 을 전송하고

  • 상대방의 ISN 을 수신하고

  • 각 ISN 에 대한 ACK 를 주고 받아야한다.

서로의 ACK 를 수신하는 것 까지 확인하기 위해서 3-Way 여야한다.

클라이언트 상태 전환:

CLOSED → SYN_SENT → ESTABLISHED

서버 상태 전환:

LISTEN → SYN_RECEIVED → ESTABLISHED

4 way handshake

4 way handshake는 연결을 해제하는 과정이다. 여기서는 FIN 플래그를 이용한다.

  • FIN : 세션을 종료시키는데 사용되며, 더 이상 보낸 데이터가 없음을 나타낸다.

Termination의 종류

TCP는 두 가지 연결 해제 방식이 있다.

  1. Graceful connection release(정상적인 연결 해제)

정상적인 연결 해제에서는 양쪽이 커넥션을 모두 닫을 때까지 연결되어 있다.

  1. Abrupt connection release(갑작스런 연결 해제)

    1. 갑자기 한 TCP 엔티티가 연결을 강제로 닫는 경우

    2. 한 사용자가 두 데이터 전송 방향을 모두 닫는 경우

Abrupt

RST(TCP reset) 세그먼트가 전송되면 갑작스러운 연결 해제가 수행되는데, RST 세그먼트는 다음과 같은 경우에 전송된다.

  1. 존재하지 않는 TCP 연결에 대해 비 SYN 세그먼트가 수신된 경우

  2. 열린 커넥션에서 일부 TCP 구현이 잘못된 헤더가 있는 세그먼트가 수신된 경우

    • RST 세그먼트를 보내, 해당 커넥션을 닫아 공격을 방지한다.

  3. 일부 구현에서 기존 TCP 연결을 종료해야 하는 경우

Graceful

연결 종료 요청 역시, 요청을 먼저 시도한 요청자를 Client로, 요청을 받은 수신자를 Server 쪽으로 생각하면 된다.

  1. 클라이언트는 서버에게 연결을 종료한다는 FIN 플래그 보냄.

  2. 서버는 FIN을 받고, 확인했다는 ACK를 클라이언트에게 보낸다. 이 때, 모든 데이터를 보내기 위해 CLOSE_WAIT 상태가 된다.

  3. 데이터를 모두 보냈다면, 연결이 종료되었다는 FIN 플래그를 클라이언트에게 보낸다.

  4. 클라이언트는 FIN을 받고, 확인했다는 ACK를 서버에게 보낸다. 이 때 아직 서버로부터 받지 못한 데이터가 있을 수 있으므로 TIME_WAIT을 통해 기다린다.

    1. 서버는 ACK를 받고, 소켓을 닫는다(Closed)

    2. TIME_WAIT 시간이 끝나면 클라이언트도 닫는다 (Closed) => 의도치 않은 에러로 연결이 데드락으로 빠지는 것을 방지한다.

이렇게 4번의 통신이 완료되면 연결이 해제된다.

TCP 4-way Handshake