3-way-handshake는 TCP로 데이터를 송.수신하기 전에 1:1 연결하려는 PC간에 연결 정보를 교환함으로써 연결을 수립하는 과정을 말합니다.
3-way-handshake 과정
클라이언트는 connect() 함수를 호출하여 listen 상태의 서버에게 응답 패킷의 SYN 플래그를 활성화하고 임의의 Sequence Number를 담고 연결 정보와 같이 SYN 패킷을 송신합니다. 이 때 클라이언트의 연결 상태는 SYN-SENT 상태가 됩니다.
SYN 패킷을 받은 서버는 수신 받은 패킷의 Sequence Number를 확인하고 응답하는 패킷에 SYN, ACK 플래그를 활성화하고 클라이언트의 Sequence Number에 1을 더하여 Acknowledgment Number를 셋팅합니다. 그리고 패킷에 임의의 Sequence Number와 연결정보와 같이 SYN/ACK 패킷을 송신합니다. 이 때 서버의 연결 상태는 SYN-RECEVED 상태가 됩니다.
서버의 응답을 받은 클라이언트는 ESTABLISHED 상태가 되어 연결 완료 상태가 되며, 서버에게 SYN-ACK 패킷에 담긴 Sequence Number에 1을 더하여 응답 패킷의 Acknowledgment Number를 셋팅하고 ACK 플래그를 활성화 후 응답을 합니다.
클라이언트의 응답을 받은 서버는 ESTABLISHED 상태가 되어 TCP 최종 연결이 완료됩니다.
3-way-handshake가 필요한 이유
상호 연결정보를 교환할 때 얻은 Sequence Number, Acknowledgment Number, Window Size를 통해서 패킷이 몇 번째 패킷인지 그리고 패킷을 어디까지 수신 받았는지를 확인할 수 있습니다. 내가 송신한 패킷에 대한 ACK를 확인하여 상대방이 내가 송신한 패킷을 어디까지 수신 받았는지 확인하여 재전송 및 다음 패킷을 송신합니다.
Window Size는 Sliding Window에 사용됩니다. Sliding Window는 응답이 오지 않아도 상대방의 Window Size 만큼 데이터를 송신하고 상대방은 수신 받은 여러개의 패킷에 대해서 하나의 ACK로 응답합니다. 이로 인해 ACK를 기다림으로써 발생되는 딜레이 및 네트워크 트래픽량을 줄일 수 있습니다.
4-way-handshake
4-way-handshake는 1:1 연결된 TCP 세션간의 연결을 끊기 위한 과정을 말합니다.
4-way-handshake 과정
연결을 종료하려는 쪽이 close() 함수를 호출하여 FIN 플래그가 활성화된 패킷을 상대방에게 송신하며 이때 연결 상태는 FIN_WAIT_1 상태가 됩니다.
FIN 패킷을 수신받은 쪽은 FIN 패킷의 Sequence Number에 1을 더하여 Acknowledgment Number에 셋팅하여 ACK 패킷으로 응답하며 이때 연결 상태는 CLOSE_WAIT 상태가 됩니다.
FIN 패킷에 대한 ACK를 받은쪽은 FIN_WAIT_2 연결 상태가 되며, 상대방이 FIN 패킷을 송신하기만을 기다립니다.
CLOSE_WAIT 상태에서 close() 함수를 호출하면 상대방에게 FIN 패킷을 송신하며 연결 상태는 LAST_ACK 상태가 됩니다.
FIN_WAIT_2 상태에서 FIN 패킷을 받은쪽은 FIN 패킷의 Sequence Number에 1을 더하여 Acknowledgment Number에 셋팅하여 ACK 패킷으로 상대방에게 응답 후 연결 상태는 TIME_WAIT 상태가 됩니다.
LAST_ACK 상태에서 FIN에 대한 응답은 받으면 연결 상태가 CLOSED 상태가 되어 TCP 연결이 종료됩니다.
4-way-handshake가 필요한 이유
4-way-handshake 연결 종료 절차를 통해 상호 세션을 정리하는 과정을 수행할 수 있습니다. 하지만, FIN 패킷을 처음으로 보내는 PC는 TIME_WAIT이 남아 해당 IP에 대한 PORT를 한동안 사용할 수 없게 됩니다.
이러한 TIME_WAIT이 남는 이유는 연결 종료 후에 동일한 포트가 바로 재사용되어 새로운 세션이 수립되었을 때 이전에 연결되었었던 상대방이 송신한 패킷이 뒤늦게 수신되어 잘못 처리될 수 있는 확률이 있기 때문에 TIME_WAIT을 통해서 해당 포트가 재사용되지 않도록 합니다.
하지만, TIME_WAIT이 없다 하더라도 위와 같은 불상사가 발생할 확률은 매우 희박합니다. 왜냐하면 TCP는 안전한 송.수신을 보장하기 때문에 Sequence Number와 Acknowledgment Number가 일치해야 처리할 수 있기 때문입니다.
