[Chapter 9] TCP 프로토콜(TCP 프로토콜)

TCP는 IP 프로토콜 위에서 연결형 서비스를 지원하는 전송 계층 프로토콜로, 인터넷 환경에서 기본적으로 사용한다.

TCP에서 제공하는 주요 기능

1. 연결형 서비스를 제공한다.
2. 전이중 방식의 양방향 가상 회선을 제공한다.
3. 신뢰성 있는 데이터 전송을 보장한다.

TCP/IP 구조

인터넷에서 네트워크 계층의 기능을 제공하는 프로토콜은 IP이며, IP프로토콜 위에서 실행되는 전송 계층의 프로토콜은 서비스의 유형에 따라 두 종류로 구분한다.

TCP는 연결형 서비스를 지원하는 프로토콜이고, UDP는 비연결형 서비스를 지원하는 프로토콜이다. 전송 계층 프로토콜은 운영 체제 내부 기능으로 구현된다. 따라서 이 서비스를 사용 하려면 상위 계층에서 시스템 콜이라는 프로그램 호출 방식을 이용해야 한다.

전송 계층 프로토콜인 TCP와 UDP 위에는 셔션 계층, 표현 계층, 응용 계층의 기능을 지원하는 다양한 응용 프로그램이 존재한다. 응용 프로그램이 해당 응용 환경에 적합한 기능을 지원하기 위해 연결형 서비스가 필요한지, 비연결형 서비스가 필요한지를 판단해 TCP와 UDP를 선택한다. TCP나 UDP를 선택할 때는 단순히 신뢰성이나 연결 유무의 차이 뿐 아니라, 이러한 차이가 응용 프로그램의 구축에 어떤 영향을 끼치는지 이해해야 한다.

응용 프로그램의 종류는 아주 다양하다. 파일 전송 기능, 메일 송수신 기능 등은 일반 사용자가 가장 많이 이용하는 인터넷 서비스이다. 호스트의 이름과 주소를 변환하는 네임 서버 기능은 사용자가 의식하지 못하지만 중요한 인터넷 서비스 중 하나이다. NFS는 원격 분산 파일 시스템 기능을 지원하는 것으로, 호스트 사이의 파일을 공유한 유사한 기능을 제공한다.

네트워크 계층 아래에는 데이터 링크 계층을 지원하는 x.25, 이더넷, 위성 통신 등 다양한 종류의 네트워크 인터페이스가 존재한다.

TCP는 데이터를 세그먼트라는 블록 단위로 분할해 전송한다. 전송되는 블록의 크기는 네트워크 부하 정도, 윈도우 크기 등에 영향을 받으며 가변 크기를 지원한다. TCP는 세그먼트를 하나의 단위로 간주하여 순서 번호를 관리하지 않는다. 대신 세그먼트에 실려 전송되는 데이터의 바이트 개수를 순서 번호에 반영한다.

TCP 헤더 구조

TCP의 헤더 구조는 전송 데이터가 뒤따른다. 상단위 숫자는 비트 수 이다.

마지막 줄의 Options와 Padding은 생략할 수 있으므로 TCP 헤더의 최소 크기는 20바이트이다.

Options 필드는 다양한 종류의 부가 정보를 전달하는 데 사용하며, 최대 40 바이트의 크기를 지원한다.

Padding 필드는 헤더의 크기를 4바이트 단위로 맞추려고 사용한다.

TCP 헤더의 필드

TCP 헤더는 중간에 위치한 여덟 개의 플래그 비트를 비롯해 제법 많은 필드를 사용하므로 데이터의 전송 과정이 UDP 보다 복잡하다.

TCP 헤더에서 정의된 필드의 용도

• Source Port/Destination Port : TCP로 연결되는 가상 회선의 양단 송수신 프로세스에 할당된 네트워크 포트 주소이다. 인터넷 환경에서는 통신을 원하는 프로세스가 실행되는 호스트 주소와 함께, 호스트 내부에서 다른 프로세스와 구분할 수 있는 프로세스의 고유 주소가 필요하다. 호스트 주소는 IP 프로토콜에서 정의된 호스트의 IP주소를 사용한다. 프로세스에 할당되는 네트워크 자원을 포트라 하는데, 포트를 구분하기 위한 주소가 포트 번호이고, Destination Port는 수신 프로세스의 포트 번호이다. 참고로 포트 번호는 TCP와 UDP가 별도의 주소 공간을 갖기 때문에 같은 번호를 독립적으로 사용할 수 있다.
• Sequence Number(순서 번호) : 송신 프로세스가 지정하는 순서번호이다. 세그먼트 전송 과정에서 전송되는 바이트의 수를 기준으로 증가 한다. 즉, TCP에서는 전송 데이터의 각 바이트마다 순서가 존재한다. 크기가 32 비트인 필드로 표시할 수 있고, 최대 범위가 2^32개로 충분히 크므로 순서 번호가 중복될 염려는 없다. 송신 프로세스가 최초 데이터를 전송할 때는 임의의 순서 번호를 선택해 전송한다. 이는 전송 연결이 예기치 않은 이유로 끊겼을 떄 순서 번호가 혼선되는 것을 방지하기 위함이다.
• Acknowledgement Number(응답 번호) : 수신 프로세스가 제대로 수신 바이트 수를 응답하기 위해 사용된다. 필드 값은 ACK 플래그 비트가 지정된 경우에만 유효하며, 다음에 수신을 기대하는 데이터의 순서 번호를 표시한다. ACK 응답을 받은 송신 프로세스는 Acknowledgement Number-1까지의 모든 데이터가 올바로 전송되었음을 확인할 수 있다. 연결 설정이나 연결 해제처럼 데이터 세그먼트가 없는 경우에도 순서 번호가 1씩 증가한다는 점에 주의한다.
• Data Offset : TCP 세그먼트가 시작되는 위치를 기준으로 데이터의 시작 위치를 나타내므로 TPC 헤더의 크기가 된다. 32비트 워드 단위로 표시된다.
• Reserved(예약) : 예약 필드이다.
• Window : 슬라이딩 윈도우 프로토콜에서 수신 윈도우의 버퍼 크기를 지정하려고 사용하며, 수신 프로세스가 수신할 수 있는 바이트 수를 표시한다. 수신 프로세스의 버퍼 용량 초과 등으로 인해 데이터를 더 이상 수신할 수 없으면 Window 필드 값을 0으로 지정해야 한다. 이 경우에는 송신 프로세스는 데이터를 더 전송하면 안된다.
• Checksum : TCP 세그먼트에 포함되는 프로토콜 헤더와 데이터 모두에 대한 변형 오류를 검출하려고 사용한다. IP프로토콜에서 사용하는  오류 검출 알고리즘을 사용한다.
• Urgent Pointer(긴급 포인터) : 긴급데이터를 처리하기 위한 것으로, URG 플래그 비트가 지정된 경우가 유효하다. 이 필드를 사용해 송신 프로세스가 긴급히 처리하려는 데이터를 전송할 수 있다.
  ex) Sequence Number = 2000, Urgent Pointer = 100으로 지정한 패킷을 전송하면 순서 번호 2000~2099번의 데이터는 긴급 데이터로 전송되고 2100번 이후는 다시 정산 데이터로 전송된다.

TCP 헤더의 플래그 비트

TCP 헤더에는 플래그 비트가 8개 정의되어 있는데, 처음 2개 비트는 혼잡 제어 용도로 사용된다. 나머지 6개 필드는 값이 1이면 다음과 같은 의미를 갖는다.

• URG : Urgent Pointer 필드가 유효한지를 나타낸다. 이 기능은 수신 프로세스의 응용 계층에 긴급 데이터가 왔음을 알리는 것으로, 데이터가 응용 계층에 전달되기 전에 긴급 데이터가 왔음을 알려주어 대비할 수 있게 한다. 수신 프로세스는 Urgent Pointer 값을 읽어보고 얼마나 많은 긴급 데이터가 오는지 알 수 있다.
• ACK : Acknowledgment Number 필드가 유효한지를 나타낸다. 정상적인 피기 배킹 방식의 양방향 통신 환경에서, 양단 프로세스가 쉬지 않고 데이터를 전송한다고 가정하면 최초 연결 설정 과정에서 전송되는 첫 번째 세그먼트를 제외한 모든 세그먼트를 제외한다. 모든 세그먼트의 ACK 비트가 1로 지정된다.
• PSH : 현재 세그먼테 포함된 데이터를 상위 계층에 즉시 전달하도록 지시할 때 사용한다. 수신 프로세스로부터 PSH 세그먼트에 대한 응답 프레임이 도착하면, 프레임의 Acknowledgement Number 필드에 표시한 숫자까지의 모든 데이터가 상대 프로세스의 상위 계층에 전달되었음을 의미한다. 또한 수신 프로세스의 TCP 계층에 버퍼링된 데이터를 즉시 상위 계층에 전송함으로써 전송 지연이 감소되는 효과를 얻을 수 있다.
• RST : 연결의 리셋이나 유효하지 않은 세그먼트에 대한 응답용으로 사용한다. 송신 프로세스가 전송을 마쳤으나 수신 프로세스에 아직 도착하지 못한 세그먼트, 혹은 수신 프로세스가 아직 긍정 응답하지 않은 세그먼트는 연결이 재설정 되었을 때 재전송 되어야 한다.
• SYN : 연결 설정 요구를 의미하는 플래그 비트이므로 가상 회선 연결을 설정하는 과정에서 사용한다.
• FIN : 한쪽 프로세스에서 더는 전송할 데이터가 없어 연결을 종료하고 싶다는 의사 표시를 상대방에게 알리려고 사용한다. 현재 전송 과정에 있는 데이터는 계속 처리할 수 있으며, 상대편 프로세스의 데이터 전송에 장애가 발생하지 않는다. 따라서 연결 해제는 양쪽 프로세스 모두가 FIN 플래그를 전송해야 완료된다.

혼잡 제어

최근에 TCP에 추가된 ECN 기능은 라우터가 송신 프로세스에 명시적으로 혼잡 발생을 알려주어 송신 프로세스 스스로 트래픽을 완화하는 기술이다. TCP는 ECN 기능을 지원하기 위해 CWR 필드와 ECE 필드를 정의한다.

• CWR : ECE 비트를 수신한 송신 프로세스가 전송 윈도우 크기를 줄였음을 통지하는 것이 목적이며, 더 이상의 ECE를 전송하지 말라는 의미이다. 
• ECE : ECN-ECHO로도 약칭되며, 네트워크 트래픽이 많아질 때라우터가 송신 프로세스에 명시적으로 혼잡을 알리려고 사용한다. 주의할 점은 송신 프로세스에 직접 전달하지 않고, IP 헤더의 ECN 필드에 CE 값을 지정하여 간접적으로 수신 프로세스에 알려준 후에 수신 프로세스의 중개를 거쳐 송신 프로세스에 통지된다는 점이다. ECE를 수신한 송신 프로세스는 네트워크 부하를 줄이기 위해 전송 윈도우 크기를 줄인다. 라우터가 IP 프로토콜을 이용하여 송신 프로세스의 중개를 통해 간접적으로 통지하는 이유는 라우터가 TCP 프로토콜을 지원하지 않기 때문이다.

캡슐화

상위 계층에서 내려온 전송 데이터는 TCP 헤더 뒤에 추가되어 TCP 세그먼트를 구성한다.

TCP 세그먼트는 다시 IP 프로토콜로 보내지고, IP헤더에 캡슐화 되어 데이터 링크 계층으로 보내진다.

포트 번호

포트 번호는 TCP와 UDP가 상위 계층에 제공하는 주소 표현 방식이다. 유닉스 환경에서는 소켓으로 포트를 구현하므로, TCP/UDP 프로토콜을 사용하려면 소켓 시스템 콜의 인터페이스를 알아야 한다.

소켓 시스템 콜을 이용해 TCP 연결이 설정되면 통신 양단의 프로세스가 사용하는 고유 주소는 해당 호스트의 IP주소와 호스트 내부의 포트 번호가 조합된 형태이다.

클라이언트 - 서버의 연동은 서버가 먼저 실행되고, 클라이언트가 서버의 연결을 시도하는 방식으로 이루어진다. 이 때 연결을 원하는 서버와 접속하려면 서버의 IP 주소와 포트 번호를 알아야 한다.

인터넷 환경에서 많이 사용하는 네트워크 응용 서비스의 서버 프로세스에 할당된 포트 번호를 Well-Known 포트라 하는데, 전 세계 모든 컴퓨터가 동일한 포트 번호를 사용하도록 권고 받고 있다

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서비스                                                                                            포트 번호

FTP(데이터 채널)	20
FTP(제어 채널)	21
Telnet(텔넷)	23
SMTP	25
DNS	53
TFTP	69
HTTP	80
rlogin	513
rsh	514
portmap	111

네트워크 서비스를 제공하는 포트 번호는 컴퓨터의 파일 시스템에 보관되므로 일반 사용자가 포트 번호를 직접 지정하는 경우는 없다. 사용자가 연결을 위한 서버의 호스트 IP 주소만 클라이언트 프로그램에 알려주고, 포트 번호의 선택은 프로그램에서 자동으로 해준다. TCP와 UDP는 별도의 포트 주소 공간을 관리하므로 동일한 포트 번호를 사용할 수 있다. 즉, 두 프로토콜에서 동일한 포트 번호를 할당해도 서로 다른 포트로 간주된다.

 

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Reference

쉽게 배우는 데이터 통신과 컴퓨터 네트워크