[Network] 3-way Handshake

해당 글은 VSFe 깃허브 레포를 참고하여 작성한 글입니다. (아래 출처에 표기)

 

✅ 3-Way Handshake에 대해 설명해 주세요.

3-Way Handshake는 TCP 연결을 설정하는 과정으로, 데이터 전송 전에 양측의 준비 상태를 확인하고 신뢰할 수 있는 세션을 수립하는 과정이다.

TCP와 관련된 자세한 설명은 여기를 참고하면 좋을 것 같다.

 

▶ 플래그 정보

FLAG	기능	설명
SYN	연결 설정	Synchronize Sequence Number Sequence Number를 랜덤으로 설정하여 세션을 연결하는데 사용하며, 초기에 Sequence Number를 전송한다.
ACK	응답 확인	Acknowledgement 패킷을 받았다는 것을 의미하며, Acknowledgement Number 필드가 유효한지 나타낸다.

 

▶ 포트 상태 정보

STATE	설명
CLOSED	포트가 닫힌 상태
LISTEN	포트가 열린 상태로 연결 요청 대기 중
SYN_SENT	SYN 요청을 한 상태
SYN_RECEIVED	SYN 요청을 받고 상대방의 응답을 기다리는 중
ESTABLISHED	포트가 연결 상태

 

▶ 3-Way Handshake 동작 과정

1. Client -> Server (SYN)
   • 클라이언트는 서버에 연결을 요청하기 위해 SYN 패킷을 전송한다.
   • 이 패킷의 세그먼트(segment)는 클라이언트의 초기 Sequence Number를 임의의 랜덤 숫자로 지정하고, SYN 플래그 비트를 1로 설정한다.
   • PORT 상태
     • 클라이언트: CLOSED -> SYN_SENT
     • 서버: LISTEN
2. Server -> Client (SYN/ACK)
   • 서버는 LISTEN 상태에서 SYN 패킷을 수신한 후, 클라이언트의 요청을 수락하고 응답하기 위해 SYN-ACK 패킷을 전송한다.
   • 이 패킷의 세그먼트(segment)는 ACK Number 필드를 클라이언트의 Sequence Number에 1을 더한 값으로 설정하고, SYN과 ACK 플래그 비트를 1로 설정한다.
   • PORT 상태
     • 클라이언트: SYN_SENT
     • 서버: SYN_RECEIVED
3. Client -> Server (ACK)
   • 클라이언트는 서버의 SYN-ACK 패킷을 수신한 후, ACK 패킷을 서버에 보낸다.
   • 이 패킷의 ACK Number 필드는 서버의 Sequenct Number에 1을 더한 값으로 설정되며, ACK 플래그가 설정된다.
   • PORT 상태
     • 클라이언트: SYN_SENT -> ESTABLISHED
     • 서버: SYN_RECEIVED -> ESTABLISHED

 

 

✅ ACK, SYN 같은 정보는 어떻게 전달하는 것일까요?

• TCP 헤더에는 제어 비트(Control Bit) 또는 플래그 비트(Flag Bit)라고 불리는 6개의 비트가 있으며, 이 비트들은 TCP 세그먼트(segment)의 동작을 제어하는 역할을 한다. 각 비트는 "URG-ACK-PSH-RST-SYN-FIN"의 의미를 가진다.
  • URG (Urgent): 1로 설정되면 긴급 데이터가 있음을 나타낸다.
  • ACK (Acknowledgement): 1로 설정되면 패킷 수신에 대한 확인 응답을 나타낸다.
  • PSH (Push): 1로 설정되면 수신 측에서 버퍼에 쌓지 않고 즉시 애플리케이션에 전달해야 함을 나타낸다.
  • RST (Reset): 1로 설정되면 연결을 강제로 재설정해야 함을 나타낸다.
  • SYN (Synchronize Sequence Number): 1로 설정되면 연결을 설정하기 위한 초기 Sequence Number을 동기화하려는 요청을 나타낸다.
  • FIN (Finish): 1로 설정되면 연결을 종료하고 데이터 전송이 완료되었음을 나타낸다.

 

 

✅ 2-Way Handshaking를 하지 않는 이유에 대해 설명해 주세요.

▶ 신뢰성 확인 부족

2-Way Handshake는 3-Way Handshake의 마지막 과정인 클라이언트에서 서버에게 ACK 패킷을 보내는 과정이 생략되는 방법이다.

Handshake에서의 신뢰성 조건
1. 상대방에게 패킷이 전달 가능하다.
2. 상대방에게 패킷을 전달받을 수 있다.

• 2-Way Handshake에서는 클라이언트가 서버에 연결 요청을 보내고, 서버가 응답을 보내는 과정만으로 연결을 설정한다.
• 클라이언트는 서버의 연결이 성공적으로 이루어졌다는 것을 확인할 수 있지만, 서버는 클라이언트의 최종 ACK을 수신하지 못할 수 있다.
• 따라서 연결이 일방적으로 설정될 수 있으며, 서버의 입장에서는 1번 조건을 만족하지 못하기 때문에 서버는 연결 상태를 신뢰할 수 없게 된다.

 

▶ 초기 Sequence Number 동기화 부족

2-Way Handshake에서는 클라이언트와 서버가 서로의 초기 Sequence Number 번호를 동기화하기 전에 연결을 설정한다.

• 2-Way Handshake에서는 클라이언트와 서버가 서로의 초기 Sequence Number을 알지 못하므로, 세그먼트(segment)의 순서를 파악하고 데이터의 무결성을 유지하는 데 필요한 정보가 부족하다.
• 이는 데이터 전송 시 패킷의 순서가 어긋나거나 데이터가 손실되는 등의 문제가 발생할 수 있다.

 

 

✅ 두 호스트가 동시에 연결을 시도하면, 연결이 가능한가요? 가능하다면 어떻게 통신 연결을 수행하나요?

두 호스트가 동시에 연결을 시도할 수 있으며, 이 경우에도 연결이 가능하다. 이를 동시 연결 요청(Simultaneous Open)이라고 한다.

1. SYN 패킷 전송
   • 호스트 A와 호스트 B가 동시에 서로에게 SYN 패킷을 보낸다.
   • 각 SYN 패킷에는 각 호스트의 초기 Sequence Number가 포함되어 있다.
   • 이는 통상적인 연결 요청과 동일하게 동시에 발생한다.
2. SYN-ACK 패킷 응답
   • 호스트 A는 호스트 B로부터 SYN 패킷을 수신한 후, SYN-ACK 패킷으로 응답한다.
   • 마찬가지로, 호스트 B도 호스트 A로부터 SYN 패킷을 수신한 후, SYN-ACK 패킷으로 응답한다.
   • 이 단계에서 각 호스트는 상대방의 SYN에 대해 ACK을 보내면서 동시에 자신의 SYN에 대한 ACK도 기대한다.
3. ACK 패킷 전송
   • 호스트 A와 호스트 B 모두 상대방으로부터 받은 SYN-ACK 패킷에 대해 ACK 패킷으로 응답한다.
   • 이 ACK 패킷은 상대방의 초기 Sequence Number에 1을 더한 값을 포함하여, 상대방의 SYN-ACK를 올바르게 수신했음을 확인한다.

 

 

✅ SYN Flooding에 대해 설명해 주세요.

SYN Flooding은 DDos(Distributed Denial of Service) 공격의 일종으로, TCP 3-Way Handshake의 취약점을 악용하여 네트워크 서비스를 방해하기 위해 사용된다.

1. 대량의 SYN 패킷 전송
   • 공격자는 대량의 SYN 패킷을 서버에 보낸다. 이 패킷들을 실제로 연결이 설정되지 않은 가짜 요청이다.
2. 서버의 SYN-ACK 응답
   • 서버는 각 SYN 패킷에 대해 SYN-ACK 패킷으로 응답한다. 이 패킷들은 서버의 연결 큐에 저장된다.
3. 응답 대기
   • 공격자는 서버의 SYN-ACK 패킷에 대한 응답을 일부러 보내지 않아, 서버는 계속해서 응답을 기다리면서 연결 요청을 처리하지 못한다.
4. 연결 큐의 포화
   • 결과적으로 서버의 연결 큐가 가득 차게 되어, 정상적인 클라이언트의 새로운 연결 요청을 처리할 수 없게 된다. 이를 통해 서버의 자원을 소모시키고, 정상적인 서비스가 중단되거나 심각하게 저하된다.

 

 

✅ 위 질문과 모순될 수 있지만, 3-Way Handshake의 속도 문제 때문에 이동 수를 줄이는 0-RTT 기법을 많이 적용하고 있습니다. 어떤 방식으로 가능한 걸까요?

0-RTT(Zero Round-Trip Time)는 TLS 1.3과 같은 최신 프로토콜에서 지원되는 기능으로, 연결 설정 속도를 개선하기 위해 사용된다.

1. 세션 재사용
   • 클라이언트는 이전에 연결한 서버와의 세션 정보를 캐시한다.
   • 이 정보를 재사용하여 새로운 연결 설정 시, 기존의 세션 정보를 기반으로 빠르게 연결을 설정한다. 이 과정에서 추가적인 Handshake가 필요 없어 0-RTT 데이터 전송이 가능하다.
2. 사전 공유 키 (Pre-Shared Key, PSK)
   • 클라이언트와 서버는 사전에 공유한 암호화 키를 사용하여 연결을 설정한다.
   • 이 암호화 키를 통해 초기 연결 단계에서 0-RTT 데이터를 전송할 수 있고, 초기 Handshake 과정 없이도 안전하게 송수신할 수 있다.

 

 

📍 문제 출처

Tech-Interview / 03-NETWORK.md

 

📍 참고 자료

• TCP 3-way HandShake & 4-way HandShake
• [네트워크] 3-way handshake
• [네트워크] TCP/UDP와 3 -Way Handshake & 4 -Way Handshake
• 2-way handshake를 사용하지 않는 이유?