Network TCP(Transmission Control Protocol)

TCP 헤더에 대해 알아보겠습니다.

TCP헤더는 최소 20byte의 길이를 가집니다.

TCP헤더에서 중요하게 봐야할곳은 Seq_Num과 Ack_Num입니다. 이 두개가 세션을 표현하는 필드입니다.

파이썬 클래스로 정의하겠습니다.

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from struct import*

class Tcp:

  def __init__(self, raw=None):

    if raw != None:

      self._src_port = raw[:2]

      self._dst_port = raw[2:4]

      self._Seq_Num = raw[4:8]

      self._Ack_Num = raw[8:12]

      self._Offset_Reserved = raw[12:13]

      self._Flag = raw[13:14]

      self._Window = raw[14:16]

      self._Checksum = raw[16:18]

      self._Urgent_Pointer = raw[18:20]

    else:

      self._src_port = b'\x00\x00'

      self._dst_port = b'\x00\x00'

      self._Seq_Num = b'\x00\x00\x00\x00'

      self._Ack_Num = b'\x00\x00\x00\x00'

      self._Offset_Reserved = b'\x00'

      self._Flag = b'\x00'

      self._Window = b'\x00\x00'

      self._Checksum = b'\x00\x00'

      self._Urgent_Pointer = b'\x00\x00'

  @property

  def get_header(self):

    return self._src_port + self._dst_port + self._Seq_Num + self._Ack_Num + self._Offset_Reserved + \

           self._Flag + self._Window + self._Checksum + self._Urgent_Pointer

  @property

  def src_port(self):

    (tmp,) = unpack('!H', self._src_port)

    return tmp

  @src_port.setter

  def src_port(self, src_port):

    self._src_port = pack('!H', src_port)

  @property

  def dst_port(self):

    (tmp,) = unpack('!H', self._dst_port)

    return tmp

  @dst_port.setter

  def dst_port(self, dst_port):

    self._dst_port = pack('!H', dst_port)

  @property

  def Seq_Num(self):

    (tmp,) = unpack('!L', self._Seq_Num)

    return tmp

  @Seq_Num.setter

  def Seq_Num(self,Seq_Num):

    self._Seq_Num = pack('!L', Seq_Num)

  @property

  def Ack_Num(self):

    (tmp,) = unpack('!L', self._Ack_Num)

    return tmp

  @Ack_Num.setter

  def Ack_Num(self, Ack_Num):

    self._Ack_Num = pack('!L', Ack_Num)

  @property

  def Offset(self):

    (tmp,) = unpack('!B', self._Offset_Reserved)

    tmp = tmp >> 2

    return tmp

  @Offset.setter

  def Offset(self, Offset):

    (Re,)= unpack('!B', self._Offset_Reserved)

    Re = Re & 0b_0000_1111_1111_1111

    Offset = Offset << 2

    tmp = Offset + Re

    self._Offset_Reserved = pack('!B', tmp)

  @property

  def Flag(self):

    (tmp,) = unpack('!B', self._Flag)

    return tmp

  @Flag.setter

  def Flag(self, Flag):

    self._Flag = pack('!B', Flag)

  @property

  def Window_Size(self):

    (tmp,) = unpack('!H', self._Window)

    return tmp

  @Window_Size.setter

  def Window_Size(self, Win):

    self._Window = pack('!H', Win)

  @property

  def Checksum(self):

    (tmp,) = unpack('!H', self._Checksum)

    return tmp

  @Checksum.setter

  def Checksum(self, chk):

    self._Checksum = pack('!H', chk)

  @property

  def Urgent_Pointer(self):

    (tmp,) = unpack('!H', self._Urgent_Pointer)

    return tmp

  @Urgent_Pointer.setter

  def Urgent_Pointer(self, Urg):

    self._Urgent_Pointer = pack('!H', Urg)

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TCP헤더를 만들었으므로 실제 TCP통신은 어떤 식으로 이루어지는지 알아보겠습니다.

tcp sniffer를 만들어 실제 TCP통신 내용을 확인해보겠습니다.

다른 리눅스PC(192.168.1.8)에서 TCP Server를 열어두고 대기한후 리눅스PC(192.168.1.9)에서 TCP 통신을 시도해봅니다.

데이터 hello를 보내고 다시 받으면 TCP Server는 종료됩니다.

 클라이언트는 즉시 종료되지만 서버측은 완전히 종료되는데 약간의 시간이 걸립니다. 이 시간동안 사용했던 포트는 사용할수없습니다.

sniffer로 통신내용을 확인해볼수있었습니다. 아래의 내용에서 사용한 sniffer의 소스를 확인해볼수있습니다.

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기존의 sniffer에서 아래의 소스를 추가합니다.

elif ip.Protocol_type == 6 and (ip.src == '192.168.1.8' or ip.dst =='192.168.1.8'):

    tcp = Tcp(rawData[34:])

    print('{:d} -> {:d} Seq:{:d}, Ack:{:d} Flag: {:08b}'.format(tcp.src_port, tcp.dst_port, tcp.Seq_Num, tcp.Ack_Num, tcp.Flag))

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TCP는 데이터 하나를 전달하기 위해서 복잡한 작업을 하는데 TCP헤더 하나만으로도 제어가 가능합니다. TCP는 상태정보를 가지는데 Flag 상태를 확인할수있어야 합니다.

TCP Flag
CWR	ECE	URG(Urgent)	Ack	Push	Reset	Syn	Fin

Fin (연결 종료) : 세션 연결을 종료할때 사용합니다.

Syn(동기화, 연결요청) : 접속요청할때 가장먼저 보내는 패킷으로 TCP 접속시 시퀀스 번호를 랜덤으로 설정해 세션을 연결합니다.

Reset(재 연결) :  현재 패킷을 보내는 곳이 지금 접속하고 있는 곳과 접속을 끊을때 사용합니다.

Push : 데이터를 즉시 목적지까지 보내라는 뜻으로 받은 데이터를 즉시 목적지인 OSI 7Layer : Application계층으로 전송하도록 합니다.

Ack(응답) : 상대방으로부터 패킷을 받은걸 알려주는 패킷으로 다른 플래그와 같이 출력되는 경우도 있습니다.

URG(긴급 데이터) : Urgent Pointer가 유효한지 나타내는 것으로 예를들어 리눅스에서 어떤 작업을 할때 Ctrl + c 를 눌러 종료할때 사용이 됩니다.

위의 사진에 있는 TCP통신 내용중 시퀀스번호와 Ack번호에 대해 알아보겠습니다.

클라이언트 

33408 -> 12000 Seq:1819572075, Ack:0 Flag: 00000010   -> 랜덤으로 시퀀스번호가 생성되어 서버로 전송됩니다. (Syn상태)

이떄 시퀀스 번호를 ISU번호 즉 초기 시퀀스 번호라고 합니다.

서버

12000 -> 33408 Seq:1310797527, Ack:1819572076 Flag: 00010010 -> 서버에서는 클라이언트에게 제대로 통신이 되었다면 받은 시퀀스에 +1를 해서 Ack로 보내고 서버의 시퀀스 번호를 랜덤으로 생성하여 같이 Syn+Ack로 보내줍니다.

33408 -> 12000 Seq:1819572076, Ack:1310797528 Flag: 00010000 -> 이제 TCP통신을 할 준비가 되었습니다. 이 상태를 하나의 세션이라고 하며 3-way handshake라고 합니다. 이 작업은 클라이언트와 서버가 TCP에서 시퀀스번호를 확인하는 작업입니다. 만약 데이터를 전송하다고 파일이 깨져도 시퀀스 번호를 순서대로 맞추면 데이터를 손상없이 가져올수있습니다.

여기까지하면 상태에서 ESTABLISHED가 됩니다.

3-way handshake

33408 -> 12000 Seq:1819572076, Ack:1310797528 Flag: 00011000

12000 -> 33408 Seq:1310797528, Ack:1819572081 Flag: 00010000

12000 -> 33408 Seq:1310797528, Ack:1819572081 Flag: 00011000

아까 클라이언트쪽 사진을 보면 'hello'라는 데이터를 TCP서버에게 넘겼습니다. 이 데이터가 어떻게 제대로 넘어갔는지 확인하려면 시퀀스 번호를 살펴보면 됩니다. hello는 5byte로 기존의 시퀀스 번호에 +5로 받으며 서버에게 제대로 받았다면 +5가된 상태로 Ack를 날려줍니다. Seq:1819572076 ->  Ack:1819572081

33408 -> 12000 Seq:1819572081, Ack:1310797533 Flag: 00010000

33408 -> 12000 Seq:1819572081, Ack:1310797533 Flag: 00010001

클라이언트에서도 제대로 데이터를 받았다면 클라이언트도측 시퀀스도 마찬가지로 5byte를 합해서 서버에게 통신하며 Flag를 확인하면 FIN상태도 함께 전송하는걸 확인할수있습니다.

12000 -> 33408 Seq:1310797533, Ack:1819572082 Flag: 00010001

33408 -> 12000 Seq:1819572082, Ack:1310797534 Flag: 00010000

클라이언트에게 FIN상태를 받으면 Ack에 잘 받았다는 뜻으로 +1해줘서 클라이언트에게 넘겨주고 클라이언트도 제대로 받았다면 서버에게 +1해서 Ack를 보내줍니다.

클라이언트는 즉시 close로 종료되지만 서버는 Time_wait이 걸리는데 TCP통신을 연결할때 3-way handshake를 한다면 TCP통신을 종료할때는 4-way handshake를 합니다.

4-way handshake

TCP 통신은 이 시퀀스 번호로 서로임을 증명하는데 만약 이 시퀀스 번호를 유추할수있다면 Sesion Hijacking을 할수있게 됩니다.

상대의 통신을 가로챌수있기 때문인데 현재는 보안으로 시퀀스 번호는 완전 랜덤하게 바뀌었고 RET Flag가 추가로 적용되었습니다. 현재는 상대의 TCP통신을 가로채는건 거의 불가능하다고 할수있습니다.

Tip. https://en.wikipedia.org/wiki/Transmission_Control_Protocol TCP정보