TCP 프로토콜¶

개요¶

이 문서에서는 TCP(Transmission Control Protocol)의 핵심 개념을 다룹니다. 연결 지향적이고 신뢰성 있는 데이터 전송을 보장하는 TCP의 동작 원리, 헤더 구조, 흐름 제어, 혼잡 제어 메커니즘을 학습합니다.

난이도: ⭐⭐⭐ 예상 학습 시간: 3-4시간 선수 지식: 09_Routing_Protocols.md

목차¶

TCP의 특징
TCP 헤더 구조
3-Way Handshake
4-Way Handshake
시퀀스 번호와 ACK
흐름 제어
혼잡 제어
연습 문제
다음 단계
참고 자료

1. TCP의 특징¶

1.1 TCP 기본 특성¶

┌─────────────────────────────────────────────────────────────────┐
│                       TCP 특징                                   │
├─────────────────────────────────────────────────────────────────┤
│                                                                  │
│  1. 연결 지향 (Connection-Oriented)                             │
│     - 데이터 전송 전 연결 설정 필요 (3-way handshake)           │
│     - 전송 완료 후 연결 해제 (4-way handshake)                  │
│                                                                  │
│  2. 신뢰성 (Reliability)                                        │
│     - 데이터 전달 보장                                          │
│     - 순서 보장                                                 │
│     - 오류 감지 및 재전송                                       │
│                                                                  │
│  3. 흐름 제어 (Flow Control)                                    │
│     - 수신자의 처리 속도에 맞춰 전송                            │
│     - 슬라이딩 윈도우 사용                                      │
│                                                                  │
│  4. 혼잡 제어 (Congestion Control)                              │
│     - 네트워크 혼잡 상황 대응                                   │
│     - Slow Start, Congestion Avoidance 등                       │
│                                                                  │
│  5. 전이중 통신 (Full-Duplex)                                   │
│     - 양방향 동시 데이터 전송 가능                              │
│                                                                  │
└─────────────────────────────────────────────────────────────────┘

1.2 TCP vs UDP 간단 비교¶

특성	TCP	UDP
연결	연결 지향	비연결
신뢰성	신뢰성 보장	비신뢰성
순서	순서 보장	순서 미보장
속도	상대적 느림	빠름
헤더 크기	20-60 바이트	8 바이트
용도	웹, 이메일, 파일 전송	스트리밍, DNS, 게임

1.3 TCP 세그먼트¶

TCP 데이터 캡슐화

┌─────────────────────────────────────────────────────────────────┐
│ Application Layer                                               │
│ ┌─────────────────────────────────────────────────────────────┐ │
│ │                         Data                                 │ │
│ └─────────────────────────────────────────────────────────────┘ │
└────────────────────────────────────────────────────────────────┘
                              │
                              ▼
┌─────────────────────────────────────────────────────────────────┐
│ Transport Layer (TCP)                                           │
│ ┌──────────────┬──────────────────────────────────────────────┐ │
│ │  TCP Header  │                    Data                       │ │
│ │   (20-60B)   │                (Segment)                      │ │
│ └──────────────┴──────────────────────────────────────────────┘ │
│                      TCP Segment                                │
└─────────────────────────────────────────────────────────────────┘
                              │
                              ▼
┌─────────────────────────────────────────────────────────────────┐
│ Network Layer (IP)                                              │
│ ┌──────────────┬──────────────────────────────────────────────┐ │
│ │  IP Header   │              TCP Segment                      │ │
│ │   (20-60B)   │                                               │ │
│ └──────────────┴──────────────────────────────────────────────┘ │
│                       IP Packet                                 │
└─────────────────────────────────────────────────────────────────┘

2. TCP 헤더 구조¶

2.1 TCP 헤더 형식¶

 0                   1                   2                   3
 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
|          Source Port          |       Destination Port        |
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
|                        Sequence Number                        |
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
|                    Acknowledgment Number                      |
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
|  Data |       |C|E|U|A|P|R|S|F|                               |
| Offset| Rsrvd |W|C|R|C|S|S|Y|I|            Window             |
|       |       |R|E|G|K|H|T|N|N|                               |
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
|           Checksum            |         Urgent Pointer        |
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
|                    Options (if any)                           |
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
|                             Data                              |
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+

2.2 헤더 필드 설명¶

필드	크기	설명
Source Port	16 bits	송신자 포트 번호 (0-65535)
Destination Port	16 bits	수신자 포트 번호 (0-65535)
Sequence Number	32 bits	세그먼트 데이터의 첫 번째 바이트 번호
Acknowledgment Number	32 bits	다음에 받을 것으로 기대하는 바이트 번호
Data Offset	4 bits	TCP 헤더 길이 (4바이트 단위)
Reserved	4 bits	예약 (0으로 설정)
Flags	8 bits	제어 플래그 (CWR, ECE, URG, ACK, PSH, RST, SYN, FIN)
Window	16 bits	수신 윈도우 크기 (흐름 제어)
Checksum	16 bits	오류 검출용 체크섬
Urgent Pointer	16 bits	긴급 데이터 위치 (URG 플래그 설정 시)
Options	0-40 bytes	추가 옵션 (MSS, Window Scale 등)

2.3 TCP 플래그¶

┌─────────────────────────────────────────────────────────────────┐
│                       TCP 플래그                                 │
├─────────┬───────────────────────────────────────────────────────┤
│ CWR     │ Congestion Window Reduced - 혼잡 윈도우 축소 알림     │
│ ECE     │ ECN-Echo - 명시적 혼잡 알림                           │
│ URG     │ Urgent - 긴급 데이터 존재                             │
│ ACK     │ Acknowledgment - 확인 응답 유효                       │
│ PSH     │ Push - 버퍼링 없이 즉시 전달                          │
│ RST     │ Reset - 연결 강제 종료                                │
│ SYN     │ Synchronize - 연결 요청 (시퀀스 번호 동기화)          │
│ FIN     │ Finish - 연결 종료 요청                               │
└─────────┴───────────────────────────────────────────────────────┘

2.4 주요 TCP 옵션¶

옵션	Kind	설명
MSS	2	Maximum Segment Size (일반적으로 1460 bytes)
Window Scale	3	윈도우 크기 확장 (최대 1GB까지)
SACK Permitted	4	Selective ACK 지원 여부
SACK	5	수신된 세그먼트 범위
Timestamps	8	RTT 측정 및 PAWS
NOP	1	패딩용 (No Operation)

3. 3-Way Handshake¶

3.1 연결 설정 과정¶

TCP 연결은 3-way handshake를 통해 설정됩니다.

┌─────────────────────────────────────────────────────────────────┐
│                    3-Way Handshake                              │
├─────────────────────────────────────────────────────────────────┤
│                                                                  │
│     클라이언트                           서버                   │
│         │                                  │                    │
│         │  Step 1: SYN                     │                    │
│         │  ─────────────────────────────►  │                    │
│         │  SYN=1, Seq=100                  │                    │
│  CLOSED │                                  │ LISTEN             │
│    ↓    │                                  │    ↓               │
│ SYN_SENT│  Step 2: SYN-ACK                 │ SYN_RECEIVED       │
│         │  ◄─────────────────────────────  │                    │
│         │  SYN=1, ACK=1, Seq=300, Ack=101  │                    │
│    ↓    │                                  │                    │
│ ESTABLISHED Step 3: ACK                    │                    │
│         │  ─────────────────────────────►  │                    │
│         │  ACK=1, Seq=101, Ack=301         │                    │
│         │                                  │ ESTABLISHED        │
│         │                                  │                    │
│         │        연결 수립 완료            │                    │
│         │  ◄═════════════════════════════► │                    │
│         │         Data Transfer            │                    │
│                                                                  │
└─────────────────────────────────────────────────────────────────┘

3.2 각 단계 상세¶

Step 1: SYN (Synchronize)

클라이언트 → 서버

TCP Header:
  Source Port: 50000 (임의)
  Destination Port: 80 (HTTP)
  Sequence Number: 100 (ISN - Initial Sequence Number)
  Acknowledgment: 0
  Flags: SYN=1
  Window: 65535
  Options: MSS=1460, Window Scale=7

의미: "연결하고 싶습니다. 내 시퀀스 번호는 100부터 시작합니다."

Step 2: SYN-ACK

서버 → 클라이언트

TCP Header:
  Source Port: 80
  Destination Port: 50000
  Sequence Number: 300 (서버의 ISN)
  Acknowledgment: 101 (클라이언트 Seq + 1)
  Flags: SYN=1, ACK=1
  Window: 65535
  Options: MSS=1460, Window Scale=7

의미: "연결 요청을 받았습니다. 101번 바이트를 기다립니다.
       내 시퀀스 번호는 300부터 시작합니다."

Step 3: ACK

클라이언트 → 서버

TCP Header:
  Source Port: 50000
  Destination Port: 80
  Sequence Number: 101
  Acknowledgment: 301 (서버 Seq + 1)
  Flags: ACK=1
  Window: 65535

의미: "서버의 응답을 받았습니다. 301번 바이트를 기다립니다.
       이제 데이터를 주고받을 수 있습니다."

3.3 ISN (Initial Sequence Number)¶

ISN이 랜덤인 이유:

1. 보안
   - 예측 가능한 ISN은 TCP 세션 하이재킹 취약
   - 랜덤 ISN으로 공격 난이도 증가

2. 이전 연결과 구분
   - 동일 소켓(IP:Port 쌍)의 이전 연결 패킷과 혼동 방지
   - TIME_WAIT 상태와 연관

ISN 생성 예시:
  현대 운영체제: 안전한 난수 생성기(CSPRNG) 사용
  과거: 시간 기반 카운터 (4마이크로초마다 1 증가)

3.4 TCP 상태 전이 (연결 설정)¶

클라이언트 상태 전이:
CLOSED → SYN_SENT → ESTABLISHED

서버 상태 전이:
CLOSED → LISTEN → SYN_RECEIVED → ESTABLISHED

4. 4-Way Handshake¶

4.1 연결 종료 과정¶

TCP 연결은 4-way handshake를 통해 정상적으로 종료됩니다.

┌─────────────────────────────────────────────────────────────────┐
│                    4-Way Handshake                              │
├─────────────────────────────────────────────────────────────────┤
│                                                                  │
│   클라이언트 (능동적 종료)         서버 (수동적 종료)           │
│         │                                  │                    │
│ ESTABLISHED                          ESTABLISHED               │
│         │                                  │                    │
│         │  Step 1: FIN                     │                    │
│         │  ─────────────────────────────►  │                    │
│         │  FIN=1, Seq=100                  │                    │
│ FIN_WAIT_1                                 │                    │
│         │                                  │ CLOSE_WAIT         │
│         │  Step 2: ACK                     │                    │
│         │  ◄─────────────────────────────  │                    │
│         │  ACK=1, Ack=101                  │                    │
│ FIN_WAIT_2                                 │                    │
│         │                                  │ (남은 데이터 전송)  │
│         │                                  │                    │
│         │  Step 3: FIN                     │                    │
│         │  ◄─────────────────────────────  │                    │
│         │  FIN=1, Seq=300                  │ LAST_ACK           │
│ TIME_WAIT                                  │                    │
│         │  Step 4: ACK                     │                    │
│         │  ─────────────────────────────►  │                    │
│         │  ACK=1, Ack=301                  │                    │
│         │                                  │ CLOSED             │
│  (2MSL 대기)                               │                    │
│ CLOSED                                                          │
│                                                                  │
└─────────────────────────────────────────────────────────────────┘

4.2 각 단계 상세¶

단계	발신자	플래그	설명
1	클라이언트	FIN	"보낼 데이터 없음. 연결 종료 요청"
2	서버	ACK	"FIN 수신 확인. 아직 보낼 데이터 있을 수 있음"
3	서버	FIN	"나도 보낼 데이터 없음. 연결 종료 동의"
4	클라이언트	ACK	"FIN 수신 확인. 연결 종료 완료"

4.3 Half-Close¶

TCP는 half-close를 지원합니다. 한쪽에서 FIN을 보내도 다른 쪽은 계속 데이터를 보낼 수 있습니다.

Half-Close 시나리오

클라이언트           서버
    │                  │
    │── FIN ─────────►│  클라이언트: "더 보낼 데이터 없음"
    │                  │
    │◄──── ACK ───────│  서버: "알겠음"
    │                  │
    │◄──── Data ──────│  서버: 남은 데이터 계속 전송
    │◄──── Data ──────│
    │                  │
    │── ACK ─────────►│
    │                  │
    │◄──── FIN ───────│  서버: "나도 다 보냄"
    │                  │
    │── ACK ─────────►│  연결 종료
    │                  │

4.4 TIME_WAIT 상태¶

TIME_WAIT의 목적:

1. 지연 패킷 처리
   - 네트워크에 남아있는 이전 연결의 패킷 소멸 대기
   - 새 연결에서 혼란 방지

2. 마지막 ACK 손실 대비
   - 서버가 마지막 ACK를 못 받으면 FIN 재전송
   - 클라이언트가 TIME_WAIT 상태면 재응답 가능

TIME_WAIT 지속 시간: 2 × MSL (Maximum Segment Lifetime)
  - MSL: 일반적으로 30초 또는 2분
  - TIME_WAIT: 1분 ~ 4분

┌─────────────────────────────────────────────────────────────────┐
│  TIME_WAIT 문제                                                 │
├─────────────────────────────────────────────────────────────────┤
│  - 대량의 단기 연결 시 포트 고갈 가능                          │
│  - 해결책:                                                      │
│    1. SO_REUSEADDR 소켓 옵션 사용                               │
│    2. tcp_tw_reuse 커널 파라미터 (Linux)                        │
│    3. 커넥션 풀링 사용                                          │
└─────────────────────────────────────────────────────────────────┘

4.5 TCP 상태 다이어그램¶

┌─────────────────────────────────────────────────────────────────┐
│                 TCP 상태 다이어그램 (간략)                       │
└─────────────────────────────────────────────────────────────────┘

                              CLOSED
                                │
              ┌─────────────────┼─────────────────┐
              │ 능동적 열기     │ 수동적 열기     │
              ▼                 ▼                 │
          SYN_SENT ──────► LISTEN                │
              │                 │                 │
              │  SYN 수신       │ SYN 수신        │
              ▼                 ▼                 │
          ◄──────────── SYN_RCVD ─────────►      │
                              │                   │
                    ACK 수신  │                   │
                              ▼                   │
                        ESTABLISHED               │
                              │                   │
              ┌───────────────┴───────────────┐   │
              │ 능동적 종료    수동적 종료    │   │
              ▼                               ▼   │
          FIN_WAIT_1                    CLOSE_WAIT │
              │                               │   │
              ▼                               ▼   │
          FIN_WAIT_2                     LAST_ACK │
              │                               │   │
              ▼                               │   │
          TIME_WAIT ─────────────────────────►│   │
              │                                   │
              └─── 2MSL ──────────────────────────┘
                              │
                              ▼
                           CLOSED

5. 시퀀스 번호와 ACK¶

5.1 시퀀스 번호의 역할¶

시퀀스 번호 동작

클라이언트                               서버
    │                                      │
    │── Seq=1000, 1000 bytes ────────────►│
    │       (1000-1999)                    │
    │                                      │
    │◄─────────────────── ACK=2000 ───────│
    │   "2000번 바이트부터 보내주세요"     │
    │                                      │
    │── Seq=2000, 1000 bytes ────────────►│
    │       (2000-2999)                    │
    │                                      │
    │◄─────────────────── ACK=3000 ───────│
    │                                      │

시퀀스 번호 = 이 세그먼트의 첫 번째 데이터 바이트 번호
ACK 번호 = 다음에 받기를 기대하는 바이트 번호

5.2 누적 확인 응답 (Cumulative ACK)¶

누적 ACK 동작

송신자                                   수신자
    │                                      │
    │── Seq=1000, 500 bytes ─────────────►│
    │── Seq=1500, 500 bytes ─────────────►│
    │── Seq=2000, 500 bytes ─────────────►│
    │                                      │
    │◄────────────────────── ACK=2500 ────│
    │                                      │
    │  하나의 ACK로 3개 세그먼트 모두 확인 │
    │                                      │

장점:
- ACK 패킷 수 감소
- 네트워크 효율성 향상

단점:
- 중간 패킷 손실 시 이후 패킷도 재전송
  (SACK으로 해결)

5.3 SACK (Selective Acknowledgment)¶

SACK 동작

송신자                                   수신자
    │                                      │
    │── Seq=1000, 500B ─────────────────►│ ✓
    │── Seq=1500, 500B ────────────X     │ (손실)
    │── Seq=2000, 500B ─────────────────►│ ✓
    │── Seq=2500, 500B ─────────────────►│ ✓
    │                                      │
    │◄──── ACK=1500, SACK=2000-3000 ─────│
    │      "1500 빠졌는데, 2000-3000은 받음"
    │                                      │
    │── Seq=1500, 500B ─────────────────►│ (재전송)
    │                                      │
    │◄────────────────────── ACK=3000 ────│
    │                                      │

SACK 장점:
- 손실된 세그먼트만 선택적 재전송
- 불필요한 재전송 방지
- 고속 네트워크에서 효율적

5.4 재전송 타이머 (RTO)¶

RTO (Retransmission Timeout) 계산

1. RTT (Round Trip Time) 측정
   - 세그먼트 전송부터 ACK 수신까지 시간

2. SRTT (Smoothed RTT) 계산
   SRTT = (1 - α) × SRTT + α × RTT
   (α = 1/8, 일반적)

3. RTTVAR (RTT Variance) 계산
   RTTVAR = (1 - β) × RTTVAR + β × |SRTT - RTT|
   (β = 1/4, 일반적)

4. RTO 계산
   RTO = SRTT + max(G, 4 × RTTVAR)
   (G = 클럭 granularity)

예시:
  측정된 RTT: 100ms, 120ms, 90ms, 110ms
  SRTT ≈ 105ms
  RTTVAR ≈ 10ms
  RTO = 105 + 4 × 10 = 145ms

6. 흐름 제어¶

6.1 슬라이딩 윈도우¶

슬라이딩 윈도우 개념

송신 버퍼:
┌───┬───┬───┬───┬───┬───┬───┬───┬───┬───┬───┬───┐
│ 1 │ 2 │ 3 │ 4 │ 5 │ 6 │ 7 │ 8 │ 9 │10 │11 │12 │
└───┴───┴───┴───┴───┴───┴───┴───┴───┴───┴───┴───┘
│ACK됨│    윈도우 (전송 가능)    │   아직 전송 불가   │
│     │◄────── Window=5 ───────►│                    │

수신 윈도우 크기에 따라 전송량 조절:

Window = 5000:
┌──────────────────────────────────────────────────┐
│     최대 5000 bytes까지 ACK 없이 전송 가능       │
└──────────────────────────────────────────────────┘

Window = 0 (Zero Window):
┌──────────────────────────────────────────────────┐
│     전송 중지! 수신자 버퍼 가득 참               │
│     Window Probe로 주기적 확인                    │
└──────────────────────────────────────────────────┘

6.2 윈도우 크기 조절¶

윈도우 크기 변화

송신자                               수신자
    │                                  │ rcvbuf=4000
    │── 1000B ────────────────────────►│ Window=3000
    │── 1000B ────────────────────────►│ Window=2000
    │── 1000B ────────────────────────►│ Window=1000
    │                                  │
    │◄─── ACK, Window=0 (버퍼 풀) ─────│
    │                                  │
    │     (애플리케이션이 데이터 읽음)  │
    │                                  │
    │◄─── ACK, Window=4000 ────────────│
    │                                  │
    │── 1000B ────────────────────────►│
    │── 1000B ────────────────────────►│

6.3 Window Scale 옵션¶

기본 윈도우 크기: 16비트 = 최대 65,535 bytes

고속 네트워크에서 부족:
  - 100Mbps, RTT 100ms → BDP = 100 × 0.1 / 8 = 1.25MB 필요
  - 1Gbps, RTT 100ms → BDP = 12.5MB 필요

Window Scale 옵션:
  - 3-way handshake에서 협상
  - 윈도우 값을 왼쪽으로 시프트
  - 최대 스케일: 14 (윈도우 최대 약 1GB)

예시:
  Window = 65535, Scale = 7
  실제 윈도우 = 65535 × 2^7 = 65535 × 128 = 8,388,480 bytes (약 8MB)

6.4 Silly Window Syndrome 방지¶

문제: 작은 세그먼트 다수 전송 (비효율적)

송신측 해결: Nagle 알고리즘
┌─────────────────────────────────────────────────────────────────┐
│  작은 데이터가 있을 때:                                         │
│  1. 미전송 데이터가 없으면 즉시 전송                            │
│  2. 미전송 데이터가 있으면 MSS만큼 모이거나 ACK 올 때까지 대기   │
└─────────────────────────────────────────────────────────────────┘

수신측 해결: Delayed ACK + Clark's Solution
┌─────────────────────────────────────────────────────────────────┐
│  1. ACK를 즉시 보내지 않고 200ms 대기                           │
│  2. 윈도우 업데이트는 MSS 이상 또는 버퍼의 50% 이상일 때만      │
└─────────────────────────────────────────────────────────────────┘

7. 혼잡 제어¶

7.1 혼잡 제어 개요¶

┌─────────────────────────────────────────────────────────────────┐
│                     TCP 혼잡 제어                                │
├─────────────────────────────────────────────────────────────────┤
│                                                                  │
│  목적: 네트워크 혼잡을 감지하고 전송률을 조절                   │
│                                                                  │
│  핵심 변수:                                                     │
│  - cwnd (Congestion Window): 송신자가 결정하는 윈도우           │
│  - rwnd (Receive Window): 수신자가 광고하는 윈도우              │
│  - 실제 전송 가능량 = min(cwnd, rwnd)                           │
│                                                                  │
│  ssthresh (Slow Start Threshold):                               │
│  - Slow Start와 Congestion Avoidance의 경계                     │
│  - 혼잡 발생 시 조정                                            │
│                                                                  │
└─────────────────────────────────────────────────────────────────┘

7.2 Slow Start¶

Slow Start 동작

                cwnd 변화
               │
       64 MSS  ┤                              * (혼잡 발생)
               │                            *
       32 MSS  ┤                          *
               │                        *
       16 MSS  ┤                      *
               │                    *
        8 MSS  ┤                  *
               │                *
        4 MSS  ┤              *
               │            *
        2 MSS  ┤          *
               │        *
        1 MSS  ┤      *
               │
               └──────────────────────────────────── RTT
                    1   2   3   4   5   6

규칙:
- 초기 cwnd = 1 MSS (또는 IW=10 MSS, 최신 구현)
- 각 ACK마다 cwnd += 1 MSS
- 결과: RTT마다 cwnd 2배 증가 (지수적 증가)
- ssthresh 도달 시 Congestion Avoidance로 전환

7.3 Congestion Avoidance¶

Congestion Avoidance 동작

                cwnd 변화
               │
               │  ssthresh                    * (혼잡 발생)
        16 MSS ┼─────────────*──────────*──*
               │           *   *       *
               │         *      *    *
               │       *          *
               │     *       선형 증가 (AIMD)
               │   *
               │ *  Slow Start (지수)
               │*
               │
               └──────────────────────────────────── RTT

규칙:
- cwnd >= ssthresh일 때 동작
- 각 RTT마다 cwnd += 1 MSS (또는 cwnd += MSS/cwnd per ACK)
- 선형 증가 (Additive Increase)

7.4 혼잡 감지와 대응¶

혼잡 감지 방법:

1. 타임아웃 (RTO 만료)
   - 심각한 혼잡으로 판단
   - ssthresh = cwnd / 2
   - cwnd = 1 MSS
   - Slow Start 재시작

2. 중복 ACK 3개 (Fast Retransmit)
   - 경미한 혼잡으로 판단
   - ssthresh = cwnd / 2
   - cwnd = ssthresh + 3 MSS
   - Fast Recovery 진입

┌─────────────────────────────────────────────────────────────────┐
│                     혼잡 제어 상태 전이                          │
│                                                                  │
│  Slow Start ──(cwnd >= ssthresh)──► Congestion Avoidance        │
│      │                                        │                  │
│      │                                        │                  │
│   (timeout)                              (3 dup ACKs)            │
│      │                                        │                  │
│      ▼                                        ▼                  │
│  Slow Start ◄──────────────────────── Fast Recovery             │
│                    (recovery 완료)                               │
└─────────────────────────────────────────────────────────────────┘

7.5 Fast Retransmit과 Fast Recovery¶

Fast Retransmit 시나리오

송신자                               수신자
    │                                  │
    │── Seq=1000 ─────────────────────►│
    │── Seq=2000 ──────X              │ (손실)
    │── Seq=3000 ─────────────────────►│
    │                                  │
    │◄───────────────── ACK=2000 (dup1)│
    │                                  │
    │── Seq=4000 ─────────────────────►│
    │◄───────────────── ACK=2000 (dup2)│
    │                                  │
    │── Seq=5000 ─────────────────────►│
    │◄───────────────── ACK=2000 (dup3)│
    │                                  │
    │  3개의 중복 ACK 수신!            │
    │  → RTO 기다리지 않고 즉시 재전송 │
    │                                  │
    │── Seq=2000 (재전송) ────────────►│
    │                                  │
    │◄─────────────────────── ACK=6000 │

Fast Recovery:
- 3 dup ACKs 후 ssthresh = cwnd/2
- cwnd = ssthresh + 3 (이미 수신된 세그먼트 고려)
- 새 ACK 수신 시 cwnd = ssthresh
- Congestion Avoidance로 전환

7.6 현대 혼잡 제어 알고리즘¶

알고리즘	특징	사용 환경
Reno	기본 AIMD, Fast Recovery	표준
NewReno	부분 ACK 개선	Reno 개선
CUBIC	BIC 개선, Linux 기본	고속 네트워크
BBR	대역폭/RTT 기반	Google, 고지연 네트워크
Vegas	RTT 변화 기반	저지연 환경

CUBIC cwnd 증가

cwnd
  │
  │                              *
  │                           *     *
  │                        *           *
  │                     *                 *
  │                  *                       *
  │               *                             *
  │            *          cubic 함수              *
  │         *                                        *
  │      *
  │   *
  │ *
  │*
  └──────────────────────────────────────────────────── time

특징:
- W_max (마지막 혼잡 시 윈도우) 기억
- W_max에 빠르게 접근 후 느리게 증가
- 공정성과 확장성 우수

8. 연습 문제¶

문제 1: 3-Way Handshake 분석¶

다음 패킷 캡처를 분석하세요.

Packet 1: 192.168.1.10:50000 → 10.0.0.5:443
          SYN, Seq=1000000000

Packet 2: 10.0.0.5:443 → 192.168.1.10:50000
          SYN, ACK, Seq=2000000000, Ack=?

Packet 3: 192.168.1.10:50000 → 10.0.0.5:443
          ACK, Seq=?, Ack=?

a) Packet 2의 Ack 값은? b) Packet 3의 Seq 값은? c) Packet 3의 Ack 값은?

문제 2: 시퀀스 번호 계산¶

클라이언트가 서버에 5000 bytes 데이터를 전송합니다. MSS=1000 bytes입니다.

초기 시퀀스 번호가 10000일 때, 각 세그먼트의 Seq 번호와 예상 ACK를 계산하세요.

세그먼트	데이터 크기	Seq	예상 ACK
1	1000
2	1000
3	1000
4	1000
5	1000

문제 3: 흐름 제어¶

수신자의 receive buffer가 10000 bytes입니다. 현재 2000 bytes가 버퍼에 있습니다.

a) 광고 윈도우 크기는? b) 송신자가 4000 bytes를 전송하면, 새로운 윈도우 크기는? c) 애플리케이션이 3000 bytes를 읽으면, 새로운 윈도우 크기는?

문제 4: 혼잡 제어¶

ssthresh = 16 MSS, cwnd = 1 MSS로 시작합니다.

a) 4번의 RTT 후 cwnd 크기는? (손실 없음) b) cwnd = 32 MSS일 때 타임아웃 발생. 새로운 ssthresh와 cwnd는? c) cwnd = 24 MSS일 때 3개의 중복 ACK 발생. 새로운 ssthresh와 cwnd는?

정답¶

문제 1 정답¶

a) Packet 2의 Ack = 1000000001 (클라이언트 Seq + 1) b) Packet 3의 Seq = 1000000001 (SYN은 1바이트로 간주) c) Packet 3의 Ack = 2000000001 (서버 Seq + 1)

문제 2 정답¶

세그먼트	데이터 크기	Seq	예상 ACK
1	1000	10000	11000
2	1000	11000	12000
3	1000	12000	13000
4	1000	13000	14000
5	1000	14000	15000

문제 3 정답¶

a) 광고 윈도우 = 10000 - 2000 = 8000 bytes b) 새 윈도우 = 10000 - 2000 - 4000 = 4000 bytes c) 새 윈도우 = 10000 - (2000 + 4000 - 3000) = 7000 bytes

문제 4 정답¶

a) Slow Start 단계 (cwnd < ssthresh) - RTT 1: cwnd = 2 MSS - RTT 2: cwnd = 4 MSS - RTT 3: cwnd = 8 MSS - RTT 4: cwnd = 16 MSS

b) 타임아웃 발생: - 새 ssthresh = 32 / 2 = 16 MSS - 새 cwnd = 1 MSS

c) 3 dup ACKs (Fast Retransmit): - 새 ssthresh = 24 / 2 = 12 MSS - 새 cwnd = 12 + 3 = 15 MSS (Fast Recovery)

9. 다음 단계¶

TCP의 핵심 개념을 이해했다면, UDP와 포트에 대해 학습하세요.

다음 레슨¶

11_UDP와_포트.md - UDP 특징, 포트 번호

10. 참고 자료¶

RFC 문서¶

RFC 793 - TCP 기본 명세
RFC 5681 - TCP Congestion Control
RFC 7323 - TCP Extensions (Window Scaling, Timestamps)
RFC 2018 - TCP Selective Acknowledgment Options

명령어 참고¶

# TCP 연결 상태 확인 (Linux)
ss -tan
netstat -an | grep tcp

# TCP 통계
netstat -s | grep -i tcp
cat /proc/net/snmp | grep Tcp

# TCP 튜닝 파라미터 확인
sysctl net.ipv4.tcp_congestion_control
sysctl net.core.rmem_max
sysctl net.ipv4.tcp_window_scaling

# Wireshark 필터
tcp.flags.syn == 1 && tcp.flags.ack == 0  # SYN 패킷
tcp.analysis.retransmission               # 재전송
tcp.analysis.duplicate_ack                # 중복 ACK

학습 자료¶

문서 정보 - 최종 수정: 2024년 - 난이도: ⭐⭐⭐ - 예상 학습 시간: 3-4시간