TCP 3-way & 4-way handshake

카테고리: network

May 19, 2022

TCP는 연결 지향(connection-oriented) 프로토콜이므로 TCP를 이용하여 데이터를 주고받기 위해선 먼저 클라이언트와 서버 간에 논리적인 연결이 수립되어야 합니다. 이 포스트에서는 어떠한 절차를 거쳐 TCP 연결을 맺는지, 그리고 어떠한 절차를 거쳐 TCP 연결을 끊는지 살펴보겠습니다.

TCP 3-way handshake

우선, TCP 3-way handshake 과정을 그림으로 살펴보면 아래와 같습니다:

TCP 3-way handshake
TCP 3-way handshake.
  1. 클라이언트가 서버로 SYN 세그먼트를 보냅니다. SYN 세그먼트는 헤더의 SYN 필드의 비트가 1로 설정된 세그먼트로, 애플리케이션의 데이터는 포함되지 않습니다. 이때, 클라이언트의 seq 초기값(client_isn)으로 사용할 난수(random number)가 SYN 세그먼트 헤더의 sequence number 필드에 포함됩니다. SYN 세그먼트를 보낸 클라이언트는 SYN_SENT 상태가 됩니다.
  2. SYN 세그먼트를 받은 서버는 SYN_RCVD 상태가 되고, 해당 클라이언트와의 TCP 통신에서 사용할 버퍼 및 변수(e.g. 윈도우 크기)등을 초기화합니다. 그런 다음, 클라이언트의 SYN 세그먼트 에 대한 응답으로 헤더의 SYN과 ACK 필드의 비트가 1로 설정된 SYNACK 세그먼트를 클라이언트에 전송하는데, SYNACK 세그먼트 헤더의 acknowledgement number 필드에 클라이언트로부터 받은 seq 값에 대한 응답인 ack 값(client_isn + 1)과, 서버의 seq 초기값(server_isn)으로 사용할 난수를 sequence number 필드에 담아 전송합니다. SYN 세그먼트와 마찬가지로 SYNACK 세그먼트에도 애플리케이션의 데이터는 포함되지 않습니다.
  3. SYNACK 세그먼트 를 받은 클라이언트는 해당 서버와의 TCP 통신에서 사용할 버퍼와 변수를 초기화하고, SYNACK 세그먼트를 통해 받은 값(server_isn)에 1을 더한 값을 ack 값으로 해서 ACK 세그먼트에 포함하여 서버에 전송합니다. 클라이언트의 상태가 ESTABLISHED로 바뀌고, 이제부터는 TCP 연결이 생성된 상태이므로 ACK 세그먼트를 서버에 전송할 때 애플리케이션의 데이터도 포함하여 전송할 수 있습니다. ACK 세그먼트의 SYN 필드는 0, ACK 필드는 1로 세팅됩니다.
  4. 클라이언트로부터 ACK 세그먼트를 받은 서버는 ESTABLISHED 상태가 되고 클라이언트와 맺은 TCP 연결을 통해 데이터를 주고 받을 수 있게 됩니다.

TCP 2-way handshake 대신 3-way handshake를 사용하는 이유?

기본적으로, TCP는 양방향 통신(bi-directional)이고, seq 및 ack number를 통해 데이터를 올바르게 주고받았는지 체크합니다. 이때 만약 3-way 대신 2-way로 진행하게 된다면, 클라이언트는 자신의 존재를 알리고(SYN) 그에 대한 서버의 응답(SYNACK)을 받을 수 있지만 서버는 자신의 존재를 알린 뒤(SYNACK) 이에 대한 클라이언트의 응답을 받지 못하게 되므로 TCP를 통해 데이터를 reliable 하게 보낼 수 있는지 판단하지 못하게 됩니다 (즉, 클라이언트가 자신의 존재를 제대로 알았는지 확인하지 못함). 따라서 3-way handshake를 통해 양측 모두 자신의 존재를 알리고 이에 대한 확답을 받은 뒤 통신을 수행하게 됩니다.

TCP 4-way handshake

TCP 연결을 종료할 때도 3-way handshake와 비슷하게 4-way handshake 방식을 사용하여 연결을 종료합니다. TCP 연결을 맺은 클라이언트 혹은 서버 누구라도 연결을 종료할 수 있습니다.

TCP 4-way handshake 과정을 그림으로 살펴보면 아래와 같습니다. 여기선 클라이언트가 먼저 연결 종료 요청을 보냈다고 가정해보겠습니다:

TCP 4-way handshake
TCP 4-way handshake.
  1. 클라이언트가 TCP 연결 종료를 위해 FIN 헤더 필드가 1로 세팅된 FIN 세그먼트를 서버에 보내고, FIN_WAIT_1 상태가 됩니다.
  2. 클라이언트로부터 FIN 세그먼트를 받은 서버는 ACK 세그먼트를 보내 응답하고 CLOSE_WAIT 상태가 됩니다. 서버로부터 ACK 세그먼트를 받은 클라이언트는 FIN_WAIT_2 상태가 됩니다.
  3. 이후 서버에서 연결을 종료할 준비가 완료되면(이전에 수행되고 있던 통신이 완전히 끝나면) FIN 세그먼트를 보내고 서버는 LAST_ACK 상태가 됩니다.
  4. 서버로부터 FIN 세그먼트를 받은 클라이언트는 서버에게 ACK 세그먼트를 보내 응답하고 TIME_WAIT 상태가 됩니다.
  5. 클라이언트로부터 ACK 세그먼트를 받은 서버는 CLOSED 상태가 됩니다.
  6. ACK 세그먼트를 보낸 클라이언트는 일정 시간(기본값은 240초) 기다린 후 연결을 종료합니다. 이때 일정 시간을 기다렸다가 종료하는 이유는, ACK 세그먼트가 유실될 경우를 대비해서 기다리는 것인데, 만약 ACK 세그먼트를 보낸 다음 바로 연결을 종료해버리면 클라이언트가 보낸 ACK 세그먼트가 유실될 경우 서버에선 FIN 세그먼트가 유실된 줄 알고 FIN 세그먼트를 재전송하게 됩니다. 하지만 이미 클라이언트는 연결을 종료해버렸기 때문에 재전송된 FIN 세그먼트는 버려지게 되는데, 이에 따라 서버에서는 클라이언트로부터 ACK 세그먼트가 오질 않으니 FIN 세그먼트가 유실된 줄 알고 계속해서 FIN 세그먼트를 재전송하는 현상이 발생할 수 있습니다. 따라서 이러한 현상을 방지하고자 ACK 세그먼트를 보낸 뒤 일정 시간 기다렸다가 최종적으로 TCP 연결을 종료하게 됩니다.
  7. TCP 연결이 완전히 종료되면 TCP 통신을 위해 할당되었던 모든 자원의 할당 해제가 이뤄집니다.