TCP의 헤더에는 어떤 정보들이 담겨있는걸까?

저번에 HTTP/3는 왜 UDP를 선택한 것일까? 포스팅을 진행하며 TCP에 대해 간단한 언급을 했었지만, 해당 포스팅에서는 기존의 HTTP에서 사용하던 TCP에 어떤 문제가 있었는지에 집중해서 이야기했었지만 이번에는 TCP 자체에 조금 더 집중해서 이야기해보려고 한다.

원래는 이 포스팅에서 TCP의 개괄적인 내용을 모두 다루려고 했으나 생각보다 양이 너무 많아서 몇 개의 포스팅으로 나누어 작성하려고 한다.(파도파도 끝이 없는 이 놈의 할배 프로토콜…)

그런 이유로 이번 포스팅에서는 TCP의 헤더 안에 들어 있는 필드들이 어떤 의미를 가지고 있는지에만 집중해서 이야기 해보도록 하겠다.

TCP, Transmission Control Protocol

TCP(Transmission Control Protocol)는 OSI 7계층 중 전송 계층에서 사용되고 있는 프로토콜로, 장비들 간의 통신 과정에서 정보를 안정적으로, 순서대로, 에러없이 교환할 수 있도록 하는 것에 목적을 둔 프로토콜이다.

컴퓨터 공학에서는 컴퓨터에게 가까운 부분일 수록 낮다거나 뒤에 있다는 표현을, 사람에게 가까운 높다거나 앞에 있다라는 표현을 자주 사용하는데, OSI 7계층에서도 마찬가지로 낮은 계층일수록 기계에 가까운 부분이고 높은 부분일수록 사람에게 가까운 부분이라고 생각하면 편하다.

이때 우리에게 친숙한 HTTP, SMTP, FTP와 같은 프로토콜 친구들이 가장 높은 계층인 응용 계층에 위치한다. 그에 비해 더 낮은 계층에 존재하는 TCP, UDP, IP 같은 프로토콜들은 상대적으로 접할 일이 많이 없기는 하다.

이런 프로토콜들은 대부분 OS에서 알아서 처리해주기 때문에 상위 계층에서 프로그래밍을 하는 개발자가 굳이 여기서 일어나는 일까지 하나하나 신경쓸 필요가 없기 떄문이다.

애초에 이런 레이어 모델들이 존재하는 이유 중에 이거다. 애초에 네트워크라는 것이 수많은 기술의 집약체인 만큼 한 명의 개발자가 모든 것을 다 알기는 힘들다. 그래서 각 계층 간 철저한 역할 분담을 통해 어떤 작업을 할 때 신경써야하는 범위를 좁혀주는 것이다.

덕분에 우리는 HTTP를 사용할 때 DNS는 어디를 사용할지, 패킷은 어떻게 처리할지 등 여러 가지 작업을 한번에 신경쓸 필요가 없다.

하지만 아무리 레이어가 나누어져 있다고 한들 하위 레이어에서 일어나는 일을 전혀 모르고 있다면, 어플리케이션 레이어에서는 아무 문제 없지만 하위 레이어에서 문제가 발생했을 때 전혀 손도 못 대는 케이스도 발생할 수 있다.

이런 이유로 자신이 사용하고 있는 프로토콜의 대략적인 작동 원리와 개요 정도는 알고 있으면 좋다고 생각하기 때문에, 이번 포스팅을 작성하며 그 동안 대략적인 몇 가지 특징으로만 알고 있던 TCP를 조금 뜯어보려고 한다.

TCP는 왜 만들어진걸까?

개인적으로 어떤 기술을 공부할 때, 무작정 외우는 것이 아니라 이게 왜 필요한 것인지를 알고 그 이유에 대해 공감하며 공부하는 편이 효과적이라고 생각한다.

TCP는 워낙 옛날에 나온 기술이니 당시 상황을 100% 공감하기는 쉽지 않겠지만, 그래도 이 프로토콜이 개발된 이유를 살펴보면 당시 엔지니어들의 고충을 알아볼 수 있다.

패킷 교환 방식을 사용해보자!

TCP는 방금 이야기 했듯이 1970년 냉전 당시 미 국방성이 개발하던 알파넷 프로젝트의 일부로 개발되었는데, 그 당시 알파넷을 연구할 때 관심을 가진 주제 중에 하나가 바로 핵전쟁이 나도 살아남는 네트워크였다.(핵전쟁의 상대방은 당연히 마더 러씨아…)

왜냐하면 1970년대의 네트워크는 회선 교환 방식을 사용하고 있었기 때문에 중계국이 폭격을 맞아서 박살나거나 중간에 연결된 선이 하나가 잘려나가면 그대로 통신이 끊어져 버렸기 때문이다.

직접 보지는 않았지만 이런 느낌이지 않았을까…?

저 당시 중계국이 하는 일은 그냥 이거다. A가 중계국에 “B랑 연결해주세요!”라고 하면, 위의 사진과 같이 케이블이 마구 꽂혀있는 패치 테이블에서 A 라벨이 붙은 구멍과 B 라벨이 붙은 구멍을 찾아서 케이블로 연결해준다.

말 그대로 회선을 교환하는 방식인 것이다. 저러다가 A가 C랑 통신하고 싶으면 B 구멍에서 케이블을 빼서 C 구멍에 꽂으면 된다.

이렇게 회선 교환 방식의 경우에는 통신을 하고 싶은 상대방과 물리적으로 회선을 하나 딱 잡아놓고 계속 통신을 하는 것이기 때문에 회선의 효율이 낮을 수 밖에 없다. 우리가 전화를 걸 때 상대방이 통화 중이면 상대방이 통화 중이니... 어쩌고 나오는 것과 같은 원리이다.

물론 회선을 독점하기 때문에 대량의 데이터를 빠른 속도로 주르륵 보낼 수 있는 등의 장점도 있긴 하지만, 이때 미국에게 중요한 것은 핵이 터져도 끊기지 않는 연결이었기 때문에 하나의 회선에 전적으로 의존하는 연결이라는 건 큰 단점으로 다가왔을 것이다.

그래서 나온 아이디어가 바로 패킷 교환 방식이다. 데이터를 하나의 회선을 사용하여 보내다가 해당 회선이나 중계국이 개박살나면 전송되던 데이터와도 영원히 이별하게 되니, 데이터를 잘게 쪼갠 후 여러 개의 회선을 통해 보내자는 것이다. 일종의 분산투자랄까.

이렇게 되면 노드 하나가 박살나도 모든 데이터가 유실되진 않을 것이다

최악의 경우 중간에 있는 회선이나 중계국이 박살나서 데이터가 약간 유실될 수는 있겠지만 전체 네트워크를 한 번에 타격하지 않는 이상 모든 데이터가 유실될 가능성은 적다. 또한 하나의 회선을 잡아놓고 계속 통신하는 것이 아니라 패킷에 목적지를 마킹해놓고 그냥 보내기만 하면 되니, 회선의 사용 효율 또한 높아질 수 있다.

이런 이유로 미 국방성은 이 아이디어를 채택하여 알파넷에 적용했고, 초기 테스트도 대성공하여 패킷 교환 방식의 실용성을 증명했다.

이후 몇 개의 대학과 군에서만 사용되던 알파넷이 대중들에게 공개되고 전 세계적으로 연결되며 인터넷으로 발전하게 되었고, 덩달아 알파넷의 통신 프로토콜이었던 TCP도 함께 떡상하게 된 것이다.

패킷 교환 방식의 문제점

하지만 패킷 교환 방식도 당연히 만능이 아니기에, 몇 가지 문제가 있었다. 우리가 TCP를 공부할 때 함께 따라오는 ARQ나 SYN, ACK 등의 개념들이 바로 이런 문제들을 해결하기 위해 과거의 엔지니어들이 머리를 싸맨 결과인 것이다.

Q: 전송 중간에 패킷이 쥐도새도 모르게 사라지거나 훼손되면 어떡해요?
A: 그럼 그 패킷만 다시 보내라고 해!(ARQ)

Q: 송신 측이 패킷을 쪼갠 순서를 알아야 수신 측이 재조립할 수 있겠는데요?
A: 그럼 순서번호를 패킷이랑 같이 보내!(시퀀스 번호)

Q: 수신 측이 처리할 수 있는 속도보다 송신 측이 패킷을 빠르게 보내버리면 어떡하죠?
A: 그럼 수신 측이 처리할 수 있는 양을 송신 측에 알려주고 그 만큼만 보내라고 해! (슬라이딩 윈도우)

TCP가지고 있는 많은 기능과 개념들은 마냥 글로만 봤을 땐 복잡해보이고 뭔가 외울 것도 많아보이지만, 당시 상황을 생각해보면 반드시 필요한 것들이었음을 알 수 있다.

그리고 이런 기능들은 상대방이 보낸 세그먼트의 헤더에 들어있는 정보를 파악하여 작동하기 때문에, 이 기능들을 하나씩 알아보기 전에 TCP의 헤더에는 어떤 정보들이 들어있고, 이 정보들이 의미하는 것이 무엇인지 살펴보려고 한다.

TCP의 헤더를 까보자

HTTP, TCP, IP와 같은 프로토콜들은 각자 자신이 맡은 역할이 있고, 보내고자 하는 데이터에 자신의 헤더를 붙혀서 데이터의 정보를 표현한다.

TCP는 전송의 신뢰성과 흐름 제어, 혼잡 제어 등의 역할을 맡고 있는 프로토콜이기 때문에, TCP 헤더에도 이러한 기능을 사용하기 위한 여러가지 값들이 담겨있다.

즉, 이 헤더를 보면 개괄적인 TCP의 기능들을 한 차례 쓱 훑어볼 수 있다는 말이고, 그런 이유로 필자는 TCP 포스팅의 첫 번째 스텝으로 헤더 까보기를 골랐다.

TCP는 여러 개의 필드로 나누어진 20 bytes, 즉 160 bits의 헤더를 사용하며, 각 필드의 비트를 0 또는 1로 변경하여 전송하고자 하는 세그먼트의 정보를 나타낸다.

하지만 이 20 bytes라는 것은 아무 옵션도 없는 기본적인 헤더일 때의 용량이고, TCP의 여러가지 옵션들을 사용하면 헤더 맨 뒤에 옵션 필드들이 추가로 붙기 때문에 최대 40 bytes가 더해진 60 bytes까지도 사용할 수도 있다.

그럼 이 그림에 표기된 순서대로 각 필드가 어떤 정보를 담고 있는지 한번 살펴보도록 하자.

Source port, Destination port

이 필드들은 세그먼트의 출발지와 목적지를 나타내는 필드로, 각각 16 bits 를 할당받는다. 이때 출발지와 목적지의 주소를 판별하기 위해서는 IP 주소와 포트 번호가 필요하다.

IP 주소는 당연히 한 계층 밑인 네트워크 계층에 있는 IP의 헤더에 담기기 때문에, TCP 헤더에는 IP 주소를 나타내는 필드가 없고 포트를 나타내는 필드만 존재한다.

Sequence Number

시퀀스 번호는 전송하는 데이터의 순서를 의미하며, 32 bits를 할당받는다. 최대 4,294,967,296 까지의 수를 담을 수 있기 때문에 시퀀스 번호가 그리 쉽게 중복되지는 않는다.

이 시퀀스 번호 덕분에, 수신자는 쪼개진 세그먼트의 순서를 파악하여 올바른 순서로 데이터를 재조립할 수 있게 된다.

송신자가 최초로 데이터를 전송할 때는 이 번호를 랜덤한 수로 초기화 하며, 이후 자신이 보낼 데이터의 1 bytes당 시퀀스 번호를 1씩 증가시키며 데이터의 순서를 표현하다 4,294,967,296를 넘어갈 경우 다시 0부터 시작한다.

Acknowledgment Number

승인 번호는 데이터를 받은 수신자가 예상하는 다음 시퀀스 번호를 의미하며, 32 bits를 할당받는다.

연결 설정과 연결 해제 때 발생하는 핸드쉐이크 과정에서는 상대방이 보낸 시퀀스 번호 + 1로 자신의 승인 번호를 만들어내지만, 실제로 데이터를 주고 받을 때는 상대방이 보낸 시퀀스 번호 + 자신이 받은 데이터의 bytes로 승인 번호를 만들어낸다.

예를 들어 1 MB짜리 데이터를 전송한다고 생각해보자. 이렇게 큰 데이터를 한번에 전송할 수는 없으므로, 송신자는 이 데이터를 여러 개의 세그먼트로 쪼개서 조금씩 전송해야한다. 이때 송신자가 한번에 전송할 수 있는 데이터 양은 네트워크나 수신자의 상태에 따라 가변적이긴 하지만, 그냥 100 bytes라고 가정해보자.

송신자는 첫 전송으로 100 bytes 만큼만 데이터를 전송하며 시퀀스 번호를 0으로 초기화한다. 시퀀스 번호는 1 bytes당 1씩 증가하기 때문에 첫 번째 바이트 뭉치는 0, 두 번째 바이트 뭉치는 1, 세 번째 바이트 뭉치는 2와 같은 순서로 매겨질 것이다.

즉, 이번 전송을 통해 수신자는 0~99까지 총 100개의 바이트 뭉치를 받았고, 그 다음 전송 때 받아야할 시퀀스 번호는 2가 아닌 100이 되는 것이다.

100 bytes 만큼 하나의 세그먼트로 묶어서 전송한다

tcpdump를 사용하여 패킷을 캡쳐해보면 실제로 송신 측이 보낸 데이터의 길이만큼 수신 측의 승인 번호가 증가하는 모습을 확인해 볼 수 있다.

송신 측이 보낸 세그먼트를 보면 시퀀스 번호가 seq 160:240로 찍혀있고, 수신 측은 자신의 승인 번호로 콜론 뒤 쪽의 값을 사용하고 있다.

이때 시퀀스 번호의 형식은 n 이상:m 미만의 범위를 나타낸다. 콜론 뒤쪽의 번호는 송신 측의 시퀀스 범위에 포함되지 않으므로 수신 측이 저 번호를 그대로 가져다 쓰는 것이다.

즉, 승인 번호는 다음에 보내줘야하는 데이터의 시작점을 의미한다는 것을 알 수 있다.

Data Offset

데이터 오프셋 필드에는 전체 세그먼트 중에서 헤더가 아닌 데이터가 시작되는 위치가 어디부터인지를 표시한다.

이 오프셋을 표기할 때는 32비트 워드 단위를 사용하며, 32 비트 체계에서의 1 Word = 4 bytes를 의미한다. 즉, 이 필드의 값에 4를 곱하면 세그먼트에서 헤더를 제외한 실제 데이터의 시작 위치를 알 수 있는 것이다.

이 필드에 할당된 4 bits로 표현할 수 있는 값의 범위는 0000 ~ 1111, 즉 0 ~ 15 Word이므로 기본적으로 0 ~ 60 bytes의 오프셋까지 표현할 수 있다. 하지만 옵션 필드를 제외한 나머지 필드는 필수로 존재해야 하기 때문에 최소 값은 20 bytes, 즉 5 Word로 고정되어 있다.

이 필드가 필요한 이유는, 밑에서 설명할 옵션(Option) 필드의 길이가 고정되어 있지 않기 때문이다.

Reserved (3 bits)

미래를 위해 예약된 필드로, 모두 0으로 채워져야 한다. 상단의 헤더 그림에도 그냥 0 0 0으로 찍혀있는 것을 확인해볼 수 있다.

Flags (NS ~ FIN)

9개의 비트 플래그이다. 이 플래그들은 현재 세그먼트의 속성을 나타낸다. 기존에는 6개의 플래그만을 사용했지만, 혼잡 제어 기능의 향상을 위해 Reserved 필드를 사용하여 NS, CWR, ECE 플래그가 추가되었다.

먼저 기존에 존재하던 플래그들의 의미는 다음과 같다.

필드의미

기존의 Reserved 필드를 사용하여 새롭게 추가된 NS, CWR, ECE 플래그는 네트워크의 명시적 혼잡통보(Explicit Congestion Notification, ECN)을 위한 플래그이다.

ECN을 사용하지 않던 기존의 네트워크 혼잡 상황 인지 방법은 타임아웃을 이용한 방법이었다. 그러나 처리 속도에 민감한 어플리케이션에서는 이런 대기 시간 조차 아깝기 때문에, 송신자와 수신자에게 네트워크의 혼잡 상황을 명시적으로 알리기 위한 특별한 매커니즘이 필요하게 되었는데, 이것이 바로 ECN이다.

이때 CWR, ECE, ECT, CE 플래그를 사용하여 상대방에게 혼잡 상태를 알려줄 수 있는데, 이 중 CWR, ECE는 TCP 헤더에 존재하고 ECT, CE는 IP 헤더에 존재한다.

필드의미

ECN은 이 포스팅의 주제와는 또 다른 이야기이므로 궁금하신 분들은 MR.ZERO님의 Explict Congestion Notification? 블로그를 참고하길 바란다.

Window Size

윈도우 사이즈 필드에는 한번에 전송할 수 있는 데이터의 양을 의미하는 값을 담는다. 216=65535216=65535 만큼의 값을 표현할 수 있고 단위는 바이트이므로, 윈도우의 최대 크기는 64KB라는 말이 된다.

하지만 이 최대 크기는 옛날 옛적에 생긴 기준이라 요즘같이 대용량 고속 통신 환경에는 맞지 않는 경우도 있다. 그래서 비트를 왼쪽으로 시프트하는 방식으로 윈도우 사이즈의 최대 크기를 키울 수 있는 방식도 사용하고 있으며, 몇 번 시프트할 지는 옵션 필드의 WSCALE 필드를 사용하여 표기한다.

Checksum

체크섬은 데이터를 송신하는 중에 발생할 수 있는 오류를 검출하기 위한 값이다.

TCP의 체크섬은 전송할 데이터를 16 Bits씩 나눠서 차례대로 더해가는 방법으로 생성한다. 방식은 단순하지만 16 bits의 덧셈을 그대로 보자니 숫자가 너무 길어질 것이 뻔하므로 간단하게 반토막인 8 bits로만 한번 해보도록 하겠다.

앗, 8 bits인 두 수를 더 했더니 자리 수가 하나 올라가서 9 bits가 되었다. 이렇게 자리 수가 넘쳐버리면 체크섬 필드에 담을 수 없다.

이렇게 두 개의 수를 더했을 때 자리 수가 하나 올라간 부분을 캐리(Carry)라고 하는데, 계산 결과에서 이 부분만 떼어내서 다시 계산 결과에 더해주면 된다.

이런 방식을 Warp Around라고 한다. 이제 마지막 계산 결과에 1의 보수를 취해주면 체크섬이 된다. 1의 보수라고 하면 뭐지 싶겠지만 그냥 비트를 반전하면 된다.

이제 01110101이 이 데이터의 체크섬이 되는 것이다. 이 예제에서는 8 bits를 가지고 진행했기 때문에 8 bits짜리 체크섬이 나왔지만, 실제로는 16 bits 단위로 데이터를 잘라서 이 과정을 진행하기 때문에 16 bits인 체크섬 필드에 딱 들어맞는 이쁜 값이 나온다.

수신 측은 데이터를 받으면 위의 과정을 동일하게 거치되 1의 보수를 취하지 않은 값인 10001010까지만 만든 다음, 이 값과 송신 측이 보낸 체크섬을 더해서 모든 비트가 1이라면 이 데이터가 정상이라고 판단할 수 있다.

만약 이 값에 0이 하나라도 있으면 송신 측이 보낸 데이터에 뭔가 변조가 있었음을 알 수 있다.

Urgent Pointer

말 그대로 긴급 포인터이다. URG 플래그가 1이라면 수신 측은 이 포인터가 가르키고 있는 데이터를 우선 처리한다.

Options

옵션 필드는 TCP의 기능을 확장할 때 사용하는 필드들이며, 이 필드는 크기가 고정된 것이 아니라 가변적이다. 그래서 수신 측이 어디까지가 헤더고 어디서부터 데이터인지 알기 위해 위에서 설명한 데이터 오프셋 필드를 사용하는 것이다.

데이터 오프셋 필드는 20 ~ 60 bytes의 값을 표현할 수 있다고 했는데, 아무런 옵션도 사용하지 않은 헤더의 길이, 즉 Source Port 필드부터 Urgent Pointer 필드까지의 길이가 20 bytes이고, 옵션을 모두 사용했을 때 옵션 필드의 최대 길이가 40 bytes이기 때문이다.

만약 데이터 오프셋 필드의 값이 5, 즉 20 bytes보다 크지만 TCP의 옵션을 하나도 사용하고 있지 않다면, 초과한 bytes 만큼 이 필드를 0으로 채워줘야 수신 측이 헤더의 크기를 올바르게 측정할 수 있다.

대표적인 옵션으로는 윈도우 사이즈의 최대 값 표현을 확장할 수 있는 WSCALE, Selective Repeat 방식을 사용하기 위한 SACK 등이 있으며, 이외에도 거의 30개 정도의 옵션을 사용할 수 있기 때문에 이 친구들을 하나하나 설명하는 것은 조금 힘들 것 같다.

마치며

이렇게 간략한 TCP의 개요와 헤더 구조에 대해서 알아보았다. 사실 이 내용들은 TCP라는 놈의 껍데기 한 겹 정도에 불과한 내용이지만, 이게 거의 50년 묵은 프로토콜이다보니 포스팅 하나로 정리하기에는 내용이 굉장히 방대하다.

서두에서 이야기 했듯이 TCP나 IP 같은 프로토콜은 소켓 프로그래밍이라도 하지 않는 이상 직접적으로 마주할 기회가 흔치 않은 것이 사실이다.

하지만 직접 마주하지 않더라도 필자는 매일 HTTP를 사용하는 웹 개발자이기 때문에, 자신이 매일 사용하는 프로토콜이 어떤 식으로 굴러가는 지 정도는 알고 있는 것이 좋다고 생각한다.

TCP가 커널에 어떻게 구현되어있는지 직접 확인해보고싶은 분은 깃허브에 올라가있는 리눅스 소스인 linux/net/ipv4 안에 있는 구현체들을 통해 확인해볼 수 있다.(리눅스 소스 자체가 너무 커서 클론 받는 데 한 세월이라는 게 함정)

혹시 자신이 직접 TCP 통신 과정을 확인해보고 싶은 분은 간단한 TCP 예제 프로그램과 tcpdump, netstat 등의 유틸리티를 통해 확인해볼 수 있다. tcpdump를 클라이언와 서버가 주고 받는 패킷의 내용을 확인해보고, netstat을 사용하여 클라이언트와 서버의 TCP 상태를 확인해볼 수도 있다.

다음 포스팅에서는 TCP의 핸드쉐이크나 흐름 제어, 혼잡 제어 기법에 대해서 한번 다뤄보도록 하겠다.

이상으로 TCP의 헤더에는 어떤 정보들이 담겨있는걸까? 포스팅을 마친다.

참고 : https://evan-moon.github.io/2019/11/10/header-of-tcp/