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9. TCP 프로토콜

01 전송 계층의 기능

전송 계층: 데이터 링크 계층과 특징 유사

데이터 링크 계층: 물리적인 전송 선로로 직접 연결된 두 물리적 호스트(컴퓨터나 라우터) 사이의 데이터 전송 담당
전송 계층: 네트워크 끝단에 위치하는 통신 주체가 중간의 논리적인 선로(라우터로 연결된 컴퓨터 네트워크)를 통해 데이터를 주고받음

** 네트워크에서는 시간 지연 현상의 처리가 중요

네트워크를 통해 데이터를 전송할 때 송수신 호스트 사이에 전송 지연 발생 → 중간 네트워크가 전송 과정에서 데이터를 보관하는 효과 발생

네트워크는 입출력 사이에 시간 지연을 주니까 논리적으로 기억 장치의 기능을 함

→ 네트워크 = 잠재적 기억장치

1. 전송 계층의 주요 기능

흐름 제어

양 끝단의 송수신 호스트에서 실행되는 네트워크 프로세스가 데이터를 주고받음 → 이 과정에서 필요한 기능

cf. 데이터 링크 계층에서도 흐름 제어 기능 수행 - 라우터를 연결하는 물리적인 선로의 수는 전송 계층이 관여하는 송수신 호스트 사이의 논리적 연결의 수보다 적다

→ 서로 다른 버퍼 관리 방법 필요

수신 프로세스가 송신 프로세스의 전송 속도보다 느리게 데이터를 수신하면 버퍼 용량이 초과하여 데이터를 분실할 수 있음

송신 프로세스가 타임아웃 기능을 통해 재전송 → 네트워크의 전송 효율이 떨어짐

흐름 제어 기능: 수신 호스트가 슬라이딩 윈도우 프로토콜의 윈도우 하단 값 조정 = 송신 프로세스가 보낼 수 있는 패킷의 한계 지정

오류 제어

데이터 변형, 데이터 분실

전송 계층에서의 오류: 논리적으로 구축된 각 계층의 소프트웨어가 동작하는 과정에서 데이터 분실

분할과 병합

상위 계층에서 전송을 요구한 데이터의 크기가 전송 계층에서 처리한 데이터 크기보다 클 경우 분할

수신 프로세스가 수신한 데이터를 원래 크기로 다시 모으는 과정: 병합

반드시 병합 과정을 거쳐야 계층 구조 유지

서비스 프리미티브

전송 계층 사용자가 전송 계층 서비스를 사용하기 위한 인터페이스

cf. 네트워크 계층: 일반적으로 비연결형 서비스 프리미티브

전송 계층: 비연결형 서비스 + 신뢰성이 향상된 연결형 서비스 제공

2. 설계 시 고려 사항

주소 표현

주소: 호스트와 라우터, 네트워크 프로세스를 구분할 수 있음

전송 계층의 주소 = TSAP(Transport Service Access Point)

구조적 표현
- 하나의 주소를 여러개의 계층적 필드로 구분
- 필드는 전체 주소 공간의 상하 계층 관계를 나타냄
- ex.대한민국:서울:~~대학교:…:홍길동:50
비구조적 표현
- 주소 값만 해석해서는 컴퓨터의 논리적인 위치를 파악하기 어려움
- ex. 학교 반 번호 1, 2, 3번 등

IP 주소: 네트워크와 호스트의 계층적 특성 O, 위치 정보-비구조적

도메인 주소: 구조적인 위치 정보 제공

멀티플렉싱

개별적으로 설정된 전송 계층 연결에서 TDPU의 목적지가 동일한 호스트라면 이들 데이터를 하나의 가상 회선에 실어 전송하는 것이 유리

(a) 상방향

다수의 전송 계층 연결에 대해 하부의 네트워크 계층에서 연결이 하나 형성
여러전송 계층의 연결에서 발생한 데이터가 동일한 경로로 전송되면 하나의 네트워크 연결에 묶어 전송
일반적 연결 구조보다 네트워크 계층에서 만들어지는 가상 회선 연결의 개수를줄일 수 있음

(b) 하방향

하나의 전송 연결 설정을 의미하는 포트에 다수의 가상 회선 할당
전송 속도뿐 아니라, 전송 계층에서 발생하는 데이터의 특성에 따라 개별 가상 회선을 할당하여 효과적인 통신 가능
ex. 영화 파일 → 영상 음성 모국어 외국어 자막 등으로 구분하여 개별 설정
데이터의 트래픽 특서에 따라 성격에 맞는 가상 회선 할당

연결 설정

Conn_Req: 연결 설정 요구

Conn_Ack: 연결 수락

(a) 개념적 연결 설정

Conn_Req → Conn_Ack
연결 설정은 양자의 합의에 의해서만 가능

(b) 3단계 연결 설정

Conn_Req → Conn_Ack → Conn_Ack_Ack
오류가 발생하지 않은 정상 상태에서의 3단계 설정
Conn_Req의 오류 가능성 + Conn_Ack의 오류 가능성
이론적으로는 긍정 응답 기능이 무한 반복되어야 함
전송할 데이터가 있따면 Conn_Ack_Ack 대신 데이터 전송 가능

Conn_Req(x) → Conn_Ack(y, x) → Data_Req(x, y)
x = A 프로세스의 송신 순서 번호
y = 수신 프로세스(B)의 초기 송신 번호

연결 해제

https://naon.me/posts/til88

일방적 연결 해제 절차

한쪽 프로세스가 일방적으로 Disc_Req(연결 해제 요청) 전송

상대 프로세스의 동의가 없어도 연결이 끊김

문제점: 전송할 데이터가 남거나, 전송 중인 경우에 데이터 전송을 완료할 수 없음

점진적 연결 해제 절차

하나의 연결에 2개의 단방향 연결을 지원하는 원통이 존재하는 것과 같음

한쪽 프로세스의 연결 해제 요구가 발생해도, 다른쪽에서 전송중인 데이터는 완료할 수 있음

연결 해제를 위해 두 프로세스 모두 Disc_Req를 전송해야 함

02 TCP의 헤더 구조

TCP: Transmission Control Protocol

IP 프로토콜 위에서 연결형 서비스를 지원하는 전송 계층 프로토콜

인터넷 환경에서 기본으로 사용

주요 기능

연결형 서비스 제공
전이중(Full Duplex) 방식의 양방향 가상 회선 제공
신뢰성 있는 데이터 전송 보장

인터넷 환경

IP 프로토콜(네트워크 계층) - TCP/UDP(전송 계층)

TCP: 연결형 서비스 지원, UDP: 비연결형 서비스 지원

TCP는 데이터를 세그먼트(Segment)라는 블록 단위로 분할해 전송

블록: 네트워크 부하 정도, 윈도우 크기에 영향을 받음, 가변 크기 지원

TCP→세그먼트를 하나의 단위로 간주, 순서 번호 관리 X, 세그먼트에 실려 전송되는 데이터의 바이트 개수를 순서 번호에 반영

1. TCP 헤더 구조

https://mindnet.tistory.com/entry/네트워크-쉽게-이해하기-19편-TCP-Header-4계층-TCP-헤더-구조

TCP 헤더의 필드

데이터 전송 과정이 UDP 프로토콜보다 복잡

SourcePort/Destination Port(송신 포트/수신 포트)
- TCP로 연결되는 가상 회선 양단의 송수신 프로세스에 할당된 네트워크 포트 주소
- 포트 번호: 호스트 내부에서 다른 프로세스와 구분할 수 있는 프로세스의 고유 주소
Sequence Number(순서 번호)
- 송신 프로세스가 지정하는 순서 번호
- 세그먼트 전송 과정에서 전송되는 바이트의 수르 기준으로 증가 - 전송 데이터의 각 바이터마다 순서 번호가 존재
- 32비트 필드
Acknowledgement Number(응답 번호)
- 수신 프로세스가 제대로 수신한 바이트의 수를 응답하기 위해 사용
- ACK 플래그 비트가 지정된 경우에만 유효
- 다음에 수신을 기대하는 데이터의 순서 번호 표시
Data Offset(데이터 옵셋)
- TCP 세그먼트가 시작되는 위치를 기준으로 데이터의 시작 위치를 나타냄
- TCP 헤더의 크기
- 32비트 워드 단위로 표시
Reserved(예약)
Window(윈도우)
- 슬라이딩 윈도우 프로토콜에서 수신 윈도우 버퍼 크기를 지정하려고 사용
- 수신 프로세스가 수신할 수 있는 바이트의 수
- 버퍼 용량 초과 등으로 더이상 수신할 수 없으면 필드 값을 0으로 지정
Checksum(체크섬)
- TCP 세그먼트에 포함되는 프로토콜 헤더와 데이터 모두에 대한 변형 오류를 검출
Urgent Pointer(긴급 포인터)
- 긴급 데이터를 처리하기 위한 것
- URG 플래그 비트가 지정된 경우에 유효함
- 송신 프로세스가 긴급히 처리하려는 데이터를 전송

TCP 헤더의 플래그 비트

처음 2개는 혼잡 제어 용도, 나머지 6개 필드는 값이 1이면 다음과 같은 의미를 가짐

URG
- Urgent Pointer 필드가 유효한지
- 수신 프로세스의 응용 계층에 긴급 데이터가 도착했음을 알림
ACK
- Acknowledgement Number 필드가 유효한지
PSH
- 현재 세그먼트에 포함된 데이터를 상위 계층에 즉시 전달하도록 지시
- PSH 세그먼트에 대한 응답 프레임이 도착하면 Acknowledgement Number 필드에 표시한 숫자까지 모든 데이터가 상대 프로세스의 상위 계층에 전달되었음
- 수신 프로세스의 TCP 계층에 버퍼링된 데이터를 즉시 상위 계층에 전송 - 전송 지연 감소
RST
- 연결의 리셋이나 유효하지 않은 세그먼트에 대한 응답용
SYN
- 연결 설정 요구를 의미하는 플래그 비트
FIN
- 한쪽 프로세스에서 연결을 종료하고 싶다는 의사 표시를 상대방에게 알림
- 양쪽 모두가 FIN 플래그를 전송하면 연결 해제

혼잡 제어

ECN(Explicit Congestion Notification) 기능: 라우터가 송신 프로세스에 명시적으로 혼잡 발생을 알려주어 송신 프로세스 스스로 트래픽을 완화하는 기술

CWR(Congestion Window Reduced)
- ECE 비트를 수신한 송신 프로세스가 송신 윈도우 크기를 줄였음을 통지
- 더 이상의 ECE를 전송하지 말라는 의미
ECE(Explicit Congestion Notification Echo)
- ECN-Echo
- 네트워크 트래픽이 많아질 때 라우터가 송신 프로세스에 명시적으로 혼잡을 알리려고 사용
- 송신 프로세스에 직접 전달X
- IP 헤더의 ECN 필드에 CE 값을 지정하여 간접적으로 수신 프로세스에 알려줌 → 수신 프로세스의 중개Echo를 거쳐 송신 프로세스에 통지
- 간접적으로 통지하는 이유 = 라우터가 TCP 프로토콜 지원x, → IP 프로토콜을 통해 통지

캡슐화

https://velog.io/@kpl5672/TCP의-이해

2. 포트 번호

TCP와 UDP가 상위 계층에 제공하는 주소 표현 방식

유닉스 환경에서 소켓으로 포트를 구현 → 소켓 시스템 콜의 인터페이스를 알아야 함

소켓 시스템 콜 → TCP 연결 설정 → 통신 양단의 프로세스가 사용하는 고유 주소: 해당 호스트의 IP 주소와 호스트 내부의 포트 번호가 조합된 형태

Well-known 포트 : 인터넷 환경에서 많이 사용하는 네트워크 응용 서비스의 서버 프로세스에 할당된 포트 번호
- FTP(데이터 채널): 20
- FT(제어 채널): 21
- Telnet(텔넷): 23
- SMTP: 25
- DNS: 53
- TFTP: 69
- HTTP: 80
- rlogin: 513
- rsh: 514
- portmap: 111

03 TCP의 동작 원리

전이중 방식의 양방향 통신 지원 → 두 프로세스가 동시에 데이터 전송 가능, 피기배킹 기능 사용

1. 연결 설정

3단계 설정 방식

A 프로세스: 연결 설정 요구 (Seq=10, SYN)
B 프로세스: 수락 (Seq=50, Ack=11, SYN, ACK) (Ack 필드: 순서 번호가 1 증가)
A 프로세스: (Seq=11, Ack=51, ACK) (B 프로세스의 연결 수락 세그먼트가 제대로 도착했음)

2. 데이터 전송

슬라이딩 윈도우 프로토콜 사용

응답 세그먼트 헤더의 Window 필드를 이용해 윈도우 크기를 늘리거나 줄여 송신 프로세스의 전송 속도 조절

정상적인 데이터 전송

A 프로세스: (Seq=10, SYN)
B 프로세스: (Seq=50, Ack=11, SYN, ACK)
A 프로세스: (Seq=11, Ack=51, ACK, Data=5) (A가 바로 데이터 전송 시작), 11번부터 5바이트 데이터 전송
B 프로세스: (Seq=51, Ack=16, ACK, Data=10) (51번부터 10바이트 전송)
A 프로세스: (Seq=16, Ack=61, ACK)

데이터 전송 오류

TCP 데이터=세그먼트, 순서 번호와 함께 전송

순서 번호: 상위 계층에서 보낸 데이터 바이트 수에 기초하여 부여됨, 수신 프로세스가 이 번호를 통해 데이터 순서 정렬

NAK(부정 응답 기능) 사용x

수신 프로세스에 도착한 데이터 세그먼트의 내용이 변형되어도 데이터 분실과 동일하ㅔ 처리 → 타임아웃 기능에 의해 복구

A 프로세스: (Seq=11, Data=10)

수신 프로세스에 도착한 데이터 세그먼트의 내용이 변형되어도 데이터 분실과 동일하ㅔ 처리 → 타임아웃 기능에 의해 복구

A 프로세스: (Seq=11, Data=10)
A 프로세스: (Seq=21, Data=10)
A 프로세스: (Seq=31, Data=10) (변형/분실)
B 프로세스: (Ack=31, ACK)

Ack=31 → 다음에 수신할 데이터의 번호를 보냄 → 타임아웃기능을 이용하여 31~40번 재전송

3. 연결 해제

연결을 해제하고자 하는 쪽에서 FIN 플래그를 지정해 요구

양쪽 프로세스의 동의하에 진행 → 둘 다 FIN 플래그로 요구/응답해야 종료

4. 혼잡 제어

ECN 기능

먼저 TCP 연결 설정 단계에서 ECN 기능을 사용할지 협상

CWR, ECE 플래그 지정 → 연결 설정 요청
- SYN, ACK, ECE 플래그: 기능 사용 O
- SYN, ACK : 기능 사용 X

라우터: 데이터 전송 단계에서 혼잡을 인지 → 수신 프로세스에 통지

수신 프로세스: 송신 프로세스에 혼잡 통지