전송 제어 프로토콜

전송 제어 프로토콜(Transmission Control Protocol, TCP, 문화어: 전송조종규약)은 인터넷 프로토콜 스위트(IP)의 핵심 프로토콜 중 하나로, IP와 함께 TCP/IP라는 명칭으로도 널리 불린다. TCP는 근거리 통신망이나 인트라넷, 인터넷에 연결된 컴퓨터에서 실행되는 프로그램 간에 일련의 옥텟을 안정적으로, 순서대로, 에러없이 교환할 수 있게 한다. TCP는 전송 계층에 위치한다. 네트워크의 정보 전달을 통제하는 프로토콜이자 인터넷을 이루는 핵심 프로토콜의 하나로서 국제 인터넷 표준화 기구(IETF)의 RFC 793에 기술되어 있다.

TCP는 웹 브라우저들이 월드 와이드 웹에서 서버에 연결할 때 사용되며, 이메일 전송이나 파일 전송에도 사용된다.

TCP의 안정성을 필요로 하지 않는 애플리케이션의 경우 일반적으로 TCP 대신 비접속형 사용자 데이터그램 프로토콜(User Datagram Protocol)을 사용한다. 이것은 전달 확인 및 순차 보장 기능이 없는 대신 오버헤드가 작고 지연시간이 짧다는 장점이 있다.

기원

1974년 5월 전기 전자 기술자 협회(IEEE)는 “A Protocol for Packet Network Intercommunication.”라는 제목의 논문을 발표했다. 저자인 빈트 서프(Vint Cerf)와 밥 칸(Bob Kahn)은 논문에서 노드 간의 정보 공유를 위한 패킷 스위칭 방식의 망간 프로토콜(internetworking protocol)을 제안하였다. 이 모델의 핵심 제어 요소는 연결 지향 링크(connection-oriented links)와 호스트 간의 데이터그램 서비스를 모두 포함하는 전송 제어 프로그램(Transmission Control Program) 이었다. 당시 단일한 구성 요소였던 통신 제어 프로그램은 이후 연결 지향 계층의 통신 제어 프로토콜(TCP)과 망간(데이터그램) 계층의 인터넷 프로토콜(IP)로 나뉘어 모듈식 구조로 변경되었다. 이 모델은 흔히 편의상 두 가지를 합쳐 TCP/IP라고 부르며, 공식적인 명칭은 인터넷 프로토콜 스위트이다.

TCP 세그먼트 구조

TCP는 데이터 스트림으로부터 데이터를 받아 들여 이것을 청크 단위로 분할한 뒤 TCP 헤더를 덧붙여 TCP 세그먼트를 생성한다. TCP 세그먼트는 IP 데이터그램에 패킷화되어 상대방과 주고 받게 된다.

TCP 패킷이라는 용어가 종종 사용되지만 이는 정확한 표현이 아니다. 세그먼트가 TCP 프로토콜 데이터 유닛(PDU)을 의미하는 정확한 표현이며 데이터그램 은 IP PDU를, 프레임은 데이터 링크 계층 PDU를 의미한다.

프로세스는 TCP를 통해 데이터 버퍼를 인수로 넘겨 줌으로써 데이터를 전송한다. TCP는 이 버퍼들을 묶어 세그먼트를 생성하여 인터넷 모듈(IP 등)을 통해 목적지의 TCP로 각각의 세그먼트들을 전송한다.

TCP 세그먼트는 세그먼트 헤더와 데이터의 두 섹션으로 구성된다. TCP 헤더는 10개의 필수 필드 및 옵션 확장 필드(표 하단의 주황색 부분)들을 포함한다.

헤더 뒤에는 데이터 섹션이 따라 온다. 그 내용은 애플리케이션의 페이로드 데이터이다. 데이터 섹션의 길이는 TCP 세그먼트 헤더에서 결정되지 않으며, 전체 IP 데이터그램의 길이에서 TCP 헤더와 캡슐화된 IP 헤더의 길이를 뺀 값으로 계산하게 된다. 즉, 데이터 섹션의 길이는 IP 헤더에 의해 결정된다.

TCP 헤더

오프셋	옥텟	0								1								2								3
옥텟	비트	0	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12	13	14	15	16	17	18	19	20	21	22	23	24	25	26	27	28	29	30	31
0	0	Source port																Destination port
4	32	Sequence number
8	64	Acknowledgment number (if ACK set)
12	96	Data offset				Reserved 0 0 0			N S	C W R	E C E	U R G	A C K	P S H	R S T	S Y N	F I N	Window Size
16	128	Checksum																Urgent pointer (URG 플래그가 설정된 경우)
20 ...	160 ...	Options (data offset > 5인 경우. 필요시 끝부분에 "0" 바이트로 패딩 됨.) ...

Source port (16 비트)

송신 포트

Destination port (16 비트)

수신 포트

Sequence number (32 비트)

• SYN 플래그가 (1)로 설정된 경우, 이것은 초기 시퀀스 번호가 된다. 실제 데이터의 최초 바이트 값과 그에 상응하는 ACK 번호는 이 값에 1을 더한 값이 된다.
• SYN 플래그가 (0)으로 해제된 경우, 이것은 현재 세션의 이 세그먼트 데이터의 최초 바이트 값의 누적 시퀀스 번호이다.

Acknowledgment number (32 비트)

ACK 플래그가 설정된 경우 이 필드의 값은 수신자가 예상하는 다음 시퀀스 번호이다. 이것은 모든 선행하는 바이트들(존재할 경우)에 대한 수신에 대한 확인응답이 된다. 한쪽이 보낸 최초의 ACK는 반대쪽의 초기 시퀀스 번호 자체에 대한 확인응답이 되며, 데이터에 대한 응답은 포함되지 않는다.

Data offset (4 비트)

32-bit 워드 단위로 나타낸 TCP 헤더 크기값이다. 헤더의 최소 크기는 5 워드이며 최대 크기는 15 워드이다. 따라서 최솟값은 20바이트, 최댓값은 60바이트가 되며, 헤더에 선택 값을 위해 최대 40 바이트가 더 추가될 수 있다. 데이터 오프셋이라는 명칭은 이것이 실제 데이터 상에서의 TCP 세그먼트의 시작 위치의 오프셋이기 때문에 붙여졌다.

Reserved (3 비트)

미래에 사용하기 위해 남겨둔 예비 필드이며 0으로 채워져야 한다.

Flags (9 bits) (혹은 Control bits)

9개의 1-비트 플래그를 포함

• NS (1 비트) – ECN-nonce 은폐 보호(RFC 3540에 의해 헤더에 추가).
• CWR (1 비트) – 혼잡 윈도 축소(Congestion Window Reduced) 플래그는 송신측 호스트에 의해 설정되는 것으로, 호스트가 ECE 플래그가 포함된 TCP 세그먼트를 수신했으며 혼잡 제어 메커니즘에 의해 응답했음을 알리는 역할을 한다(RFC 3168에 의해 헤더에 추가).
• ECE (1 비트) – ECN-Echo는 다음을 나타낸다.

• SYN 플래그가 (1)로 설정된 경우, TCP 상대가 명시적 혼잡 통지(Explicit Congestion Notification, ECN)가 가능함을 의미한다.
• SYN 플래그가 (0)으로 해제된 경우, IP 헤더 셋에 혼잡 경험(Congestion Experienced) 플래그가 설정된 패킷이 정상적인 전송 중에 수신되었다는 것을 의미한다(RFC 3168에 의해 헤더에 추가).

• URG (1 비트) – Urgent pointer 필드의 값이 유효함을 나타낸다.
• ACK (1 비트) – Acknowledgment 필드의 값이 유효함을 나타낸다. 클라이언트가 보낸 최초의 SYN 패킷 이후에 전송되는 모든 패킷은 이 플래그가 설정되어 있어야 한다.
• PSH (1 비트) – 푸시 기능. 수신 애플리케이션에 버퍼링된 데이터를 푸시해 줄지 여부를 질의하는 역할을 한다.
• RST (1 비트) – 커넥션 리셋
• SYN (1 비트) – 동기화 시퀀스 번호. 양쪽이 보낸 최초의 패킷에만 이 플래그가 설정되어 있어야 한다. 다른 일부 플래그들의 의미가 이 플래그의 값에 따라 바뀌며, 일부 플래그들은 이 플래그가 설정되어 있을 때만 유효하고, 또 다른 일부 플래그들은 이 플래그가 해제되어 있을 때에만 유효하다.
• FIN (1 비트) – 남은 송신측 데이터 없음

Window size (16 비트)

수신 윈도의 크기. 해당 세그먼트의 송신측이 현재 수신하고자 하는 윈도 크기(기본 단위는 바이트). acknowledgment 필드의 시퀀스 번호보다 큰 값이어야 한다.

Checksum (16 비트)

헤더 및 데이터의 에러 확인을 위해 사용되는 16 비트 체크섬 필드

Urgent pointer (16 비트)

URG 플래그가 설정된 경우, 이 16 비트 필드는 시퀀스 번호로부터의 오프셋을 나타낸다. 이 오프셋이 마지막 긴급 데이터 바이트를 가리킨다.

Options (가변 0–320 비트, 32의 배수)

이 필드의 길이는 데이터 오프셋 필드에 의해 결정된다. 이 부분은 Option-Kind (1 바이트), Option-Length (1 바이트), Option-Data (가변) 이렇게 최대 3개의 필드로 구성될 수 있다. Option-Kind 필드는 옵션의 종류를 나타내며, 세 가지 필드 중 유일하게 필수값이다. 옵션의 종류에 따라 나머지 두 개의 필드가 설정될 수 있다. Option-Length 필드는 옵션의 전체 길이를 나타내며, Option-Data 필드는 적용 가능한 경우 해당 옵션의 값을 나타낸다. 예를 들어, Option-Kind 바이트 값이 0x01인 경우 이는 패딩의 용도로만 사용되는 옵션없음(No-Op) 옵션을 의미하며, 이 때에는 뒤따라 오는 Option-Length나 Option-Data 값이 존재하지 않는다. Option-Kind 바이트 값이 0인 경우 이는 옵션종료(End Of Options) 옵션을 의미하며, 전자와 마찬가지로 뒤따라 오는 추가 옵션 필드가 없다. Option-Kind 바이트 값이 0x02인 경우 이것은 최대 세그먼트 크기(Maximum Segment Size) 옵션을 의미하며, 그 뒤에는 MSS 필드의 길이값(0x04여야 함)이 따라오게 된다. 이 길이값은 Option-Kind와 Option-Length를 포함한 주어진 옵션 필드의 전체의 길이를 나타내는 것이다. 따라서 MSS 값은 일반적으로 2 바이트로 표현되며, 해당 필드의 길이는 4 바이트(kind와 length의 2바이트를 더한 값)가 된다. 실제 예를 들어 설명하면, 0x05B4라는 값을 갖는 MSS 옵션 필드는 (0x02 0x04 0x05B4)의 형태로 TCP 옵션 섹션에 나타날 것이다.

일부 옵션은 SYN 플래그가 설정되어 있을 때에만 송신된다. 이러한 옵션은 아래에 ^[SYN]으로 표시되어 있다. Option-Kind 및 기본 Option-Length는 (Option-Kind, Option-Length)으로 표시되었다.

• 0 (8 비트) – End of options list
• 1 (8 비트) – No operation (NOP, Padding) 이것은 속도 향상을 위해 옵션 필드를 32 비트 길이에 맞추기 위해 사용될 수 있다.
• 2,4,SS (32 비트) – Maximum segment size (최대 세그먼트 크기 참조) ^[SYN]
• 3,3,S (24 비트) – Window scale (윈도 조정 참조) ^[SYN]
• 4,2 (16 비트) – Selective Acknowledgement permitted. ^[SYN] (선택적 확인응답 참조)
• 5,N,BBBB,EEEE,... (variable bits, N is either 10, 18, 26, or 34)- Selective ACKnowledgement (SACK) 이 첫 2 바이트 뒤에는 선택적 확인응답을 받는 1-4개 블럭의 리스트가 따라오게 되며, 이들은 32 비트 시작/종료 포인터로 구분된다.
• 8,10,TTTT,EEEE (80 비트)- Timestamp and echo of previous timestamp (see TCP 타임스탬프 참조)
• 14,3,S (24 비트) – TCP Alternate Checksum Request. ^[SYN]
• 15,N,... (가변 비트) – TCP Alternate Checksum Data.

(이외의 옵션들은 더 이상 사용되지 않거나, 시험용이거나, 아직 표준화되지 않았거나, 또는 할당되지 않은 것들임)

Padding

TCP 헤더 패딩은 TCP 헤더의 종료 지점과 데이터의 시작 지점을 32 비트 단위 길이에 맞추기 위해 사용된다. 패딩의 값은 0이다.

프로토콜의 작동

TCP 프로토콜의 작동은 크게 세 가지 흐름으로 구분한다.

1. 연결 생성 (Connection establishment)
2. 자료 전송 (Data transfer)
3. 연결 종료 (Connection termination)

신뢰성 있는 연결이 생성되어야 하며, 그 후 자료를 전송하고, 마지막으로 연결을 종료하면서 할당된 자원을 반납한다.

연결 생성

연결을 생성하기 위해, 3방향 핸드셰이크를 사용한다.

SYN: 클라이언트가 서버에게 SYN 메시지를 보낸다. 이 메시지에 포함된 시퀀스 번호는 클라이언트가 임의로 설정한 값 A.

SYN-ACK: 서버가 클라이언트에게 SYN-ACK 메시지로 응답한다. 이 메시지에 포함된 시퀀스 번호는 서버가 임의로 설정한 값 B, 응답 번호는 (A + 1).

ACK: 클라이언트가 서버에게 ACK 메시지를 보낸다. 이 메시지에 포함된 응답 번호는 (B + 1).

연결 종료

연결을 종료하기 위해, 4방향 핸드셰이크를 사용한다.

각주

외부 링크

• RFC 675 – 인터넷 전송 제어 프로그램 규격, 1974년 12월 판
• RFC 793 – TCP v4
• RFC 1122 – TCP 관련 일부 오류 수정
• RFC 1323 – TCP 확장
• RFC 1379 – 트랜잭션 콘셉트 관련 TCP 확장
• RFC 1948 – 시퀀스 번호 공격 방어
• RFC 2018 – TCP 선택적 확인응답 옵션
• RFC 4614 – TCP 규격 문서 로드맵
• RFC 5681 – TCP 혼잡 제어
• RFC 6298 – TCP 재전송 타이머 계산
• RFC 6824 - 다중주소 환경의 다중경로 동작을 위한 TCP 확장