TCP에 대해

들어가며

과거 면접 과정에서 받았던 TCP 질문에 대해 다시 회고하고 알게된 내용을 정리합니다.

TCP(Transmission Control Protocol)란?

• 전송 계층(Transport Layer)에서 사용하는 Protocol.

TCP는 무슨 기능이 있을까요?

신뢰성이 높은 전송(Reliable transmission)

• Dupack-based retransmission
  • 정상적인 상황에서는 ACK 값이 연속적으로 전송되어야 합니다.
  • 그러나 ACK값이 중복으로 올 경우 패킷 이상을 감지하고 재전송을 요청합니다.
• Timeout-based retransmission
  • 일정시간동안 ACK 값이 수신을 못할 경우 재전송을 요청합니다.

흐름 제어(Flow control)

• 데이터 처리 속도를 조절하여 수신자의 버퍼 오버플로우를 방지하는 것
• 수신자가 윈도우 값을 통해 수신량을 정할 수 있습니다.

에러 감지(Error detection)

• 데이터 변형, 분실 오류를 방지
• Checksum을 활용하여 데이터 변형 감지합니다.

혼잡 제어(Congestion control)

• 네트워크 내의 패킷 수가 넘치게 증가하지 않도록 방지하는 것
• 정보의 소통량이 과다하면 패킷을 조금만 전송하여 혼잡 붕괴 현상이 일어나는 것을 막는다.

TCP Header에는 무엇이 있을까요?

• Source port / Destination port
• Sequence number
  • SYN = 1 : 초기 시퀀스 번호가 된다. ACK 번호는 이 값에 1을 더한 값
  • SYN = 0 : 현재 세션의 이 세그먼트 데이터의 최초 바이트 값의 누적 시퀀스 번호
• Acknowledgment number
  • ACK = 1 : 필드의 값은 수신자가 예상하는 다음 시퀀스 번호입니다.
• Header Length
  • 32-bit 워드 단위로 나타낸 TCP 헤더 크기값이다.
• Reserved
  • 미래에 사용하기 위해 남겨둔 예비 필드이며 0으로 채워져야 한다.
• Flags
  • NS : ECN-nonce 은폐 보호
  • CWR : 호스트가 ECE 플래그가 포함된 TCP 세그먼트를 수신했으며 혼잡 제어 메커니즘에 의해 응답했음을 알리는 역할.
  • ECE : ECN-Echo는 다음을 나타낸다.
    • SYN = 1 : TCP 상대가 명시적 혼잡 통지(Explicit Congestion Notification, ECN)가 가능함을 의미.
    • SYN = 0 : IP 헤더 셋에 혼잡 경험(Congestion Experienced) 플래그가 설정된 패킷이 정상적인 전송 중에 수신되었다는 것을 의미.
  • URG : Urgent pointer 필드의 값이 유효함을 나타냅니다.
  • ACK : 클라이언트가 보낸 최초의 SYN 패킷 이후에 전송되는 모든 패킷은 이 플래그가 설정되어야 합니다.
  • PSH : 수신 애플리케이션에 버퍼링된 데이터를 푸시해 줄지 여부를 물어보는 역할입니다.
  • RST : Connection Reset
  • SYN : 동기화 시퀀스 번호. 양쪽이 보낸 최초의 패킷에만 이 플래그가 설정되어 있어야 합니다.
  • FIN : 남은 송신측 데이터 없음
• Window size
  • 수신 윈도의 크기.
  • 0이면 송신 프로세스의 전송 중지.
• Checksum
  • 헤더 및 데이터의 에러 확인을 위해 사용되는 16 비트
• Urgent pointer
  • URG 플래그가 설정된 경우, 이 16 비트 필드는 시퀀스 번호로부터의 오프셋을 나타낸다. 이 오프셋이 마지막 긴급 데이터 바이트를 가리킨다.
• Options

TCP Connection(3-way handshake) - Disconnection(4-way handshake)

TCP Connection(3-way handshake)

1. 먼저 open()을 실행한 클라이언트가 SYN을 보내고 SYN_SENT 상태로 대기한다.
2. 서버는 SYN_RCVD 상태로 바꾸고 SYN과 응답 ACK를 보낸다.
3. SYN과 응답 ACK을 받은 클라이언트는 ESTABLISHED 상태로 변경하고 서버에게 응답 ACK를 보낸다.
4. 응답 ACK를 받은 서버는 ESTABLISHED 상태로 변경한다.

TCP Disconnection(4-way handshake)

1. 먼저 close()를 실행한 클라이언트가 FIN을 보내고 FIN_WAIT1 상태로 대기한다.
2. 서버는 CLOSE_WAIT으로 바꾸고 응답 ACK를 전달한다. 동시에 해당 포트에 연결되어 있는 어플리케이션에게 close()를 요청한다.
3. ACK를 받은 클라이언트는 상태를 FIN_WAIT2로 변경한다.
4. close() 요청을 받은 서버 어플리케이션은 종료 프로세스를 진행하고 FIN을 클라이언트에 보내 LAST_ACK 상태로 바꾼다.
5. FIN을 받은 클라이언트는 ACK를 서버에 다시 전송하고 TIME_WAIT으로 상태를 바꾼다. TIME_WAIT에서 일정 시간이 지나면 CLOSED된다. ACK를 받은 서버도 포트를 CLOSED로 닫는다.

주의해야 할 점.

• 반드시 서버만 CLOSE_WAIT 상태를 갖는 것은 아니다.
• 서버가 먼저 종료하겠다고 FIN을 보낼 수 있고, 이런 경우 서버가 FIN_WAIT1 상태가 됩니다.
• 누가 먼저 close를 요청하느냐에 따라 상태가 달라질 수 있다.

TCP Question

한 개의 Server Socket에서 열 수 있는 최대 동시 연결 갯수는 65536개이다?

• 정답은 X입니다.
• 소켓은 protocol, source addr, source port, destination addr, destination port로 unique하게 구성됩니다.
• 소켓의 수는 설정된 리눅스 파일 디스크립터만큼 생성할 수 있습니다.

• Java, max user processes, open files - 우아한 형제들

TCP는 데이터 순서 보장을 위해 한 번에 하나의 Packet만 전송할까?

• 정답은 X입니다.
• 많은 데이터를 매번 ACK를 받고 보내기엔 너무 많은 Cost가 필요합니다.
• 위와 같은 문제를 해결하기 위해 Window라는 논리적인 패킷 묶음을 사용합니다.
  • 최소한의 ACK로 데이터 순서를 보장하며 전송을 할 수 있습니다.

Tcp packet의 port number byte order는 big endian이다?

• 정답은 O입니다.

• 각각의 PC에서 데이터를 저장하는 방식이 Big endian, Little endian 두 가지 있습니다.

• 저장방식에 따라 데이터 해석 또한 달라지기 때문에 Network byte order의 표준이 필요했습니다.

  • Network byte order의 표준은 big endian입니다.

• Little endian을 사용하는 머신에서는 Big endian으로 변환하는 작업이 필요합니다.

• IBM의 Network byte order

• Understanding Big and Little Endian Byte Order

Reference

• CLOSE_WAIT & TIME_WAIT 최종 분석
• TIME_WAIT 상태란 무엇인가
• CLOSE_WAIT 문제 해결
• TCP/IP 네트워크 스택 이해하기
• 3G 모바일 네트워크의 이해
• 리눅스 서버의 TCP 네트워크 성능을 결정짓는 커널 파라미터 이야기 - 1편
• 리눅스 서버의 TCP 네트워크 성능을 결정짓는 커널 파라미터 이야기 - 2편
• 리눅스 서버의 TCP 네트워크 성능을 결정짓는 커널 파라미터 이야기 - 3편
• 네트워크 TCP, 믿을 수 있나요!?
• How TCP/IP Works
• https://en.wikipedia.org/wiki/Transmission_Control_Protocol
• https://blog.naver.com/cestlavie_01/221190445329