TCP 공부하기

TCP(전송 제어 프로토콜) 개요

TCP는 불안정한 네트워크 환경에서도 신뢰성 있고 순서가 보장된 데이터 전송을 가능하게 하는 핵심 인터넷 프로토콜이다. IP가 호스트 간 패킷 전달만을 담당한다면, TCP는 포트 기반 프로세스 간 통신, 오류 복구, 재전송, 순서 제어를 제공한다. 흐름 제어와 혼잡 제어를 통해 TCP는 수신 버퍼와 네트워크 대역폭의 고갈을 방지한다.

이 글에서는 간단한 TCP 서버와 C 언어로 구현한 HTTP 서버를 예시로 소켓 생성, 바인딩, 리스닝, 연결 수락, 데이터 교환 과정을 살펴본다. 시퀀스 번호·응답 번호, 윈도우 크기, 체크섬, 제어 플래그(SYN, ACK, FIN, RST)와 같은 TCP 핵심 메커니즘을 분석함으로써 오늘날 인터넷이 안정적으로 동작할 수 있는 기반을 이해한다.

TCP의 필요성 및 역할

• 전송 계층의 요구: IP는 단순히 호스트 간 패킷 포워딩만을 수행한다. 프로세스 간 신뢰성 있는 통신을 위해서는 TCP·UDP와 같은 전송 계층 프로토콜이 필요하다.
• 주소 체계 비유: IP 주소는 건물에 비유될 수 있고, 포트는 그 건물 안의 호수와 같다. 각 애플리케이션은 특정 포트에 바인드하여 통신에 참여한다.
• 신뢰성 보장: TCP는 패킷 손실·중복·재정렬 등 네트워크 결함을 재전송·체크섬·기타 메커니즘으로 감춘다.
• 라우팅 단순화: 신뢰성 관리는 통신 종단점에서 처리되므로 라우터는 단순하게 유지될 수 있어 전체 인프라 복잡도가 감소한다.
• 서비스 기반: HTTP, SMTP, SSH 등 주요 인터넷 서비스는 모두 TCP 위에서 안정적으로 동작한다.

흐름 제어와 혼잡 제어

1. 수신 버퍼 관리 – 수신자는 커널의 수신 버퍼에 들어오는 데이터를 일시적으로 저장한다. 버퍼 크기는 net.ipv4.tcp_rmem으로 조정 가능하다.
2. 윈도우 기반 전송 – 송신자는 수신자가 광고하는 윈도우 필드 값을 기준으로 전송 속도를 조절한다. 이는 수신자가 현재 받아들일 수 있는 데이터 양을 의미한다.
3. 혼잡 회피 – 대역폭이 서로 다른 경로에서 발생할 수 있는 네트워크 전체 혼잡을 방지하기 위해 TCP는 혼잡 제어 알고리즘을 도입한다. 1986년 발생한 혼잡 붕괴 사건을 계기로 “백오프(back‑off)” 메커니즘이 추가되었다.

구현 예시

간단한 TCP 에코 서버 (C)

• Berkeley sockets API(socket(), bind(), listen(), accept(), send(), recv())를 활용한다.
• 클라이언트가 전송한 문자열을 “you sent:”라는 접두어와 함께 에코한다.
• 서버가 슬립 상태에 있는 동안 클라이언트 데이터는 수신 버퍼에 적재되고, 서버가 깨어나면 순차적으로 처리된다.

최소 HTTP/1.1 서버 (C)

• TCP 연결을 수락하고 HTTP/1.1 요청을 파싱한 뒤 200 OK 헤더와 본문을 반환한다.
• 요청 횟수를 카운트(i)하여 curl localhost:8080 호출 시 [1] Yo, I am a legit web server와 같은 응답을 제공한다.

TCP 세그먼트 구조 및 핵심 필드

• 5‑tuple 식별: (프로토콜, 출발지 IP, 출발지 포트, 목적지 IP, 목적지 포트) 로 연결을 고유하게 식별한다.
• 시퀀스·ACK 동작: 데이터 누락 시 ACK가 정지하고, 재전송 후 누적 ACK가 전송된다.
• 연결 설정·해제: SYN/ACK가 3‑way handshake를 수행하고, FIN이 4‑way termination을 수행한다. RST는 비정상 연결을 즉시 종료한다.
• 윈도우 확인: ss 명령으로 버퍼 상태를 확인할 수 있다(예: rb131072, tb16384).

결론

TCP는 신뢰성·순서·데이터 무결성을 보장함으로써 애플리케이션이 불안정한 인터넷 경로에서도 정상 동작하도록 한다. 초기 네트워크가 몇 킬로바이트 전송에 애를 먹던 시절과 달리, 현대 구현은 4K 영상 스트리밍을 포함한 대용량 데이터 전송을 무리 없이 지원한다. TCP의 정교한 설계와 구현은 인터넷 지속 성장의 초석이라 할 수 있다.