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TCP(Transmission Control Protocol)

1.1. 개요

TCP Header Format
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 Description
16-bit Source Port (출발지 포트 번호) 16-bit Destination Port (목적지 포트 번호) ↑↓20 bytes ↑↓20~60 bytes
32bit Sequence Number (순번)
32bit Acknowledgment Number (예측 순번, ACK flag 가 설정된 경우)
4-bit Data Offset (TCP Header length) 3-bit Reserved (0 0 0) 1-bit NS 1-bit CWR 1-bit ECE 1-bit URG 1-bit ACK 1-bit PSH 1-bit RST 1-bit SYN 1-bit FIN 16-bit Window Size
16-bit Checksum 16-bit Urgent Pointer
Variable-size Options (Data Offset 값이 5보다 큰 경우, Options의 마지막이 32bits로 정렬되기 위해서 padding을 포함할 수 있음.) Padding ↑↓0~40 bytes
Variable-size Data ↑↓ Total length - Header length(Data Offset)
  • Source Port: 16bits
    • 송신(출발지) 포트 번호
  • Destination Port: 16bits
    • 수신(목적지) 포트 번호
  • Sequence Number: 32bits
    • SYN flag 가 설정(1)된 경우 초기 순번(ISN: Initial Sequence Number)이 됩니다. 실제 Data의 첫번째에서 이 값은 1을 더한 값이 됩니다.
    • SYN flag 가 해제(0)된 경우 현재 Session에서의 현재 Segment data의 누적 순번이 됩니다.
  • Acknowledgment Number: 32 bits
    • ACK flag 가 설정(1)된 경우 수신자가 예상하는 다음 순번을 나타냅니다.
  • Data Offset: 4 bits
    • TCP payload data 의 위치를 의미합니다. 다르게 표현하면 TCP Header의 크기를 의미한다고 할 수도 있습니다.
      • TCP Header의 최소 크기는 20 bytes(워드 단위 값 5) 이며, 최대 크기는 60 bytes(워드 단위 값 15) 입니다. (즉, Options는 최대 40 bytes를 추가할 수 있다는 의미)
      • 32-bit 워드(word) 단위의 값을 사용합니다. (즉, 20 bytes 라면 20 bytes/ 32 bits = 20 bytes / 4 bytes = 5 words)
        • 즉, 1 word 는 4 bytes(32-bits)
        • 나타날 수 있는 값의 범위는 5 ~ 15
      • Options 가 32-bit로 정렬되어야 하는 이유이기도 합니다. Options는 정렬을 위해서 padding을 포함할 수 있습니다.
  • Reserved: 3 bits
    • 미래를 위한 예약 영역이며 0으로 채워져야 합니다.
  • Control Bits: 6 bits (from left to right):
  • Window: 16 bits
    • 수신 윈도우의 크기 (해당 Segment의 송신측이 현재 수신하고자 하는 윈도우 크기)
      • cwnd (Congestion window) : 송신자 측에서 전달하는 윈도우 크기
      • rwnd (Received window) : 수신자 측에서 제공하는 윈도우 크기
      • Sliding Window : 수신측에서 설정한 윈도우 크기만큼 송신 측에서 확인 응답 (Ack) 없이 전송 할 수 있게 흐름을 동적으로 조절하는 제어 알고리즘
    • Octet(Byte) 단위로 나타냅니다.
    • Acknowledgment Number의 순번보다 큰 값이어야 합니다.
  • Checksum: 16 bits
    • 참고: Computing the Internet Checksum (RFC1071)
    • 주어진 checksum 영역 Pseudo header(의사 헤더)에 대한 합을 16bits로 산출하는데 overflow 되는 값은 1의 보수로 합하는 구현을 의미합니다. (Computing the Internet Checksum (RFC1071))
    • Pseudo header(의사 헤더)는 실제로는 존재하지 않지만 checksum 계산시에 IP header의 일부 정보가 병합되어사용되는 가상의 헤더임
      • IPv4의 경우 12 bytes(96-bits) "Pseudo header(의사 헤더)" + "TCP Header" + "Payload Data"에 대한 checksum을 계산한 값입니다.
        • Pseudo header format (IPv4 인 경우, [https]RFC793 Section-3.1[])
          Pseudo header format (IPv4)
          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 Description
          32-bit Source Address ↑↓8 bytes ↑↓12 bytes
          32-bit Destination Address
          8-bit Zero 8-bit PTCL(Protocol) 16-bit TCP Length (TCP Header + Data) ↑↓4 bytes
      • IPv6의 경우 40 bytes(320-bits) "Pseudo header(의사 헤더)" + "TCP Header" + "Payload Data"에 대한 checksum을 계산한 값입니다.
        • Pseudo header format (IPv6 인 경우, [https]RFC2460 Section-8.1[])
          Pseudo header format (IPv6)
          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 Description
          128-bit Source Address ↑↓32 bytes ↑↓40 bytes
          128-bit Destination Address (Final destination address)
          32-bit Upper-Layer Packet Length ↑↓4 bytes
          24-bit Zero 8-bit Next Header ↑↓4 bytes
    • UDP도 동일한 Pseudo header(의사 헤더)를 취하여 checksum을 계산합니다.
  • Urgent Pointer: 16 bits
    • URG flag가 설정(1)된 경우, 순번으로부터의 위치(Offset)을 나타냅니다. 이 위치(Offset)가 마지막 긴급 데이터 바이트를 가리키게 됩니다.
    • URG flag가 해제(0)된 경우, 이 값은 유효하지 않습니다.
  • Options: variable
    • 하나의 Option은 "TYPE(1bytes) + LEN(1bytes) + OPTDATA(n)" 와 같은 형태로 여러개의 Option을 추가할 수 있습니다. (Options의 총 크기는 최대 40 bytes 를 넘을 수 없으며 32bits 로 정렬되기 위해서 padding을 포함할 수 있습니다.)
      • TYPE
        • TCPOPT_EOL(0): End of options
          • TCPOLEN_EOL: 1 byte
        • TCPOPT_NOP(1): Padding
          • TCPOLEN_NOP: 1 byte
        • TCPOPT_MSS(2): Segment size negotiating
          • TCPOLEN_MSS: 4 bytes
          • IPv4에서 MSS option이 주어지지 않는 경우 MSS는 536 octets 으로 간주 하도록 합니다. (최소 MTU를 576으로 간주하고 계산하는 정의, 576 - 20 - 20)
          • IPv4에서 MTU 1500 기준으로 최대 MSS크기는 1460 octets (1500 - 20 - 20) 이 가능합니다.
          • IPv6에서 MSS option이 주어지지 않는 경우 MSS는 1220 octets 으로 간주 하도록 합니다.
          • IPv6에서 MTU 1500 기준으로 최대 MSS크기는 1440 octets (1500 - 40 - 20) 이 가능합니다.
          • 패킷 흐름 중간에 Encapsulation 계층의 터널 (예: IPSecVPN 등)이 존재하는 경우 이 값이 조정될 수 있습니다.
          • IPSecVPN에서 AES-256 with SHA-1 기준)을 기준으로 ESP Header+Trailer size는 73 bytes 이며 IPv4에서 MTU 1500인 경우 최대 MSS크기는 1387 octets가 됩니다. 하지만 실제 최대 MSS크기는 1388 octets가 가능합니다.
            • 확실한 이해를 위해서는 Linux kernel의 esp4_get_mtu() 함수를 반드시 이해하면 도움이 됩니다. (주어진 실제 MTU로부터 ESP Overhead를 계산해서 MTU에 반영해주는 함수) Data는 가변이기 때문에 결국 최대 가능한 padding 크기일때를 기준으로 MSS를 계산해야 합니다.
              • Size of Initialazation Vector for
                • AES: 16 bytes
                • DES: 8 bytes
              • Size of Authentication Data for
                • MD5: 12 bytes
                • SHA-1: 12 bytes
                • SHA-256: 16 bytes
                • SHA-384: 24 bytes
                • SHA-512: 32 bytes
              • Maximum Size of padding for
                • AES:15 bytes
                • DES:7 bytes
              • Size of ESP Header for 16(ESP Header size) = 4(SPI) + 4(Sequence) + 8(IV, RFC3686)
              • Size of ESP Trailer for 14~(ESP Trailer size) = 0~255(4 bytes aligned for) + 1(Padding length) + 1(Next Header) + 12(Authentication data, SHA-1)
              • minimum 72 bytes = 16(ESP Header) + 20(inner IP Header) + 20(TCP Header) + x(Data) + 14~(ESP Trailer)
        • TCPOPT_WINDOW(3): Window scaling
          • TCPOLEN_WINDOW: 3 bytes
        • TCPOPT_SACK_PERM(4): SACK Permitted
          • TCPOLEN_SACK_PERM: 2 bytes
        • TCPOPT_SACK(5): SACK Block
        • TCPOPT_TIMESTAMP(8): Better RTT estimations/PAWS
          • TCPOLEN_TIMESTAMP: 10 bytes
        • TCPOPT_MD5SIG(19): MD5 Signature (RFC2385)
          • TCPOLEN_MD5SIG: 18 bytes
        • TCPOPT_COOKIE(253): Cookie extension (experimental)
          • TCPOLEN_COOKIE_BASE: 2 (Cookie-less header extension)
          • TCPOLEN_COOKIE_PAIR: 3 (Cookie pair header extension)
          • TCPOLEN_COOKIE_MIN: (TCPOLEN_COOKIE_BASE+TCP_COOKIE_MIN)
            • TCP_COOKIE_MIN: 8 bytes (64-bits)
          • TCPOLEN_COOKIE_MAX: (TCPOLEN_COOKIE_BASE+TCP_COOKIE_MAX)
            • TCP_COOKIE_MAX: 16 bytes (128-bits)
        • TCPOPT_EXP(254): Experimental
          • TCPOPT_FASTOPEN_MAGIC(0xF989): Magic number to be after the option value for sharing TCP (experimental options. See draft-ietf-tcpm-experimental-options-00.txt)
            • TCPOLEN_EXP_FASTOPEN_BASE: 4
      • LEN: TYPE + LEN + OPTDATA를 합한 크기 (참고: [https]https://www.freesoft.org/CIE/Course/Section4/8.htm[])
        • TYPE이 TCPOPT_NOP과 TCPOPT_EOL인 경우는 예외적으로 LEN과 OPTDATA가 없으며 그 외의 TYPE은 모두 적어도 LEN은 2 이상의 값이어야 하며 LEN이 2인 경우는 OPTDATA가 없음을 의미합니다.
    • Data offset의 값이 5인 경우는 Options와 Padding이 없음을 의미합니다.
    • Options + Padding 의 크기(bytes)는 (Data offset - 5) * 4 으로 계산할 수 있습니다.
  • Padding: variable
    • TCP Header의 마지막 부분은 32bit로 정렬되어야 하기 위함. (Options의 마지막이 32bit로 정렬하기 위함)
    • Padding에 채워지는 값은 0입니다.

1.2. TCP 상태 천이도 (TCP state diagram)

Tcp state diagram fixed new
참고 이미지
1084px-Tcp_state_diagram_fixed_new.svg.png
[PNG image (69.29 KB)]
이미지 출처: [https]https://en.wikipedia.org/wiki/File:Tcp_state_diagram_fixed_new.svg[]

  • LISTEN
    • (Server) Waiting for a connection request from any remote TCP end-point.
  • SYN-SENT
    • (Client) Waiting for a matching connection request after having sent a connection request.
  • SYN-RECEIVED
    • (Server) Waiting for a confirming connection request acknowledgment after having both received and sent a connection request.
  • ESTABLISHED
    • (Server and client) An open connection, data received can be delivered to the user. The normal state for the data transfer phase of the connection.
  • FIN-WAIT-1
    • (Server and client) Waiting for a connection termination request from the remote TCP, or an acknowledgment of the connection termination request previously sent.
  • FIN-WAIT-2
    • (Server and client) Waiting for a connection termination request from the remote TCP.
  • CLOSE-WAIT
    • (Server and client) Waiting for a connection termination request from the local user.
  • CLOSING
    • (Server and client) Waiting for a connection termination request acknowledgment from the remote TCP.
  • LAST-ACK
    • (Server and client) Waiting for an acknowledgment of the connection termination request previously sent to the remote TCP (which includes an acknowledgment of its connection termination request).
  • TIME-WAIT
    • (Server or client) Waiting for enough time to pass to be sure that all remaining packets on the connection have expired.
  • CLOSED
    • (Server and client) No connection state at all.

1.3. TCP 연결 수립

  • three-way (or 3-step) handshake
    1. SYN : TCP Client 는 TCP Server 로 SYN 을 전송.
      • 초기 순번(ISN: Initial Sequence Number) A 는 임의의 초기 값으로 결정하여 전송
    2. SYN + ACK : TCP Server는 TCP Client 로 SYN + ACK 으로 응답.
      • 이 때 Acknowledgment Number는 TCP Client로부터 받은 초기 순번(ISN: Initial Sequence Number)에 1을 더한 A + 1 값으로 응답
      • Sequence Number는 임의의 다른 값 B로 결정하여 응답
    3. ACK : TCP Client는 TCP Server 로 ACK 응답으로 연결 수립을 알림.
      • Sequence Number는 TCP Server로부터 받은 Acknowledgment Number인 A + 1 값으로 응답
      • Acknowledgment Number는 TCP Server로부터 받은 Sequence Number에 1을 더한 B + 1 값으로 응답
      • 선택적으로 TCP Client는 ACK + PSH로 Request payload data를 함께 전송하기도 함.

1.4. TCP 연결 종료

  • four-way handshake : 연결 종료는 각자 FIN을 전송하고 그에 대한 응답 ACK를 받는 흐름)
    1. FIN : 연결 종료을 시작하는 쪽에서 FIN을 전송
    2. ACK : FIN을 받은 쪽에서 ACK응답
    3. FIN : 연결 종료를 받은 쪽에서 FIN을 전송
    4. ACK : 연결 종료를 시작한 쪽에서 최종 ACK를 전송
  • three-way (or 3-step) handshake
    1. FIN : 연결 종료을 시작하는 쪽에서 FIN을 전송
    2. ACK+FIN : FIN을 받은 쪽에서 ACK + FIN 응답
    3. ACK : 연결 종료를 시작한 쪽에서 최종 ACK를 전송
  • half-duplex close sequence
    1. FIN 대신에 RST를 전송하여 연결을 종료
    2. 더이상 아무것도 전송하는 것 없이 종료 처리되어야 함.

1.5. TCP 흐름 제어

TODO

1.6. TCP 혼잡 제어

TODO

1.7. TCP 최대 Segment size 결정

TODO

1.8. TCP Window scaling

TODO

1.9. TCP OOB(Out of band) data

TODO

1.10. 참고자료


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