LESSON 20分

TCPの仕組みを深く理解しよう

ストーリー

「DBの調査はできるようになったな。ところで、DBサーバーに接続できないトラブルが起きたとき、どう対応する？」

「えっと...ネットワークの問題ですよね。L0でIPアドレスやDNS、HTTPは学びました」

「基礎は知ってるな。じゃあ次は、通信の信頼性を支えるTCPの仕組みを深く理解しよう。これがわかると、接続トラブルの原因を特定できるようになる」

TCPとは（復習と深掘り）

TCP（Transmission Control Protocol）は、信頼性のある通信を実現するプロトコルです。

L0で学んだこと

  • TCPはトランスポート層のプロトコル
  • データを確実に届ける仕組み

L1で深掘りすること

  • 3ウェイハンドシェイクの詳細
  • 接続状態の遷移
  • 再送制御の仕組み

3ウェイハンドシェイク

TCPで通信を開始するとき、クライアントとサーバーは3回のやりとりで接続を確立します。

クライアント                    サーバー
    |                             |
    |--- SYN (接続要求) -------->|  ステップ1
    |                             |
    |<-- SYN-ACK (要求受理) -----|  ステップ2
    |                             |
    |--- ACK (確認応答) -------->|  ステップ3
    |                             |
    |====== 接続確立 ============|
    |                             |
    |--- データ送受信 ----------->|

各ステップの詳細

ステップパケット説明
1SYNクライアントが「接続したい」と要求
2SYN-ACKサーバーが「OK、こちらも接続したい」と応答
3ACKクライアントが「了解」と確認

なぜ3回？ お互いが「送信」と「受信」の両方ができることを確認するためです。2回だと、サーバーの送信能力をクライアントが確認できません。

TCP接続の状態

接続にはいくつかの状態があります。netstat や ss コマンドで確認できます。

主要な状態

状態説明
LISTEN接続待ち（サーバー側）
SYN_SENTSYN送信済み、応答待ち（クライアント側）
SYN_RECEIVEDSYN-ACK送信済み、ACK待ち（サーバー側）
ESTABLISHED接続確立、通信中
FIN_WAIT_1切断要求（FIN）送信済み
FIN_WAIT_2切断要求の確認応答受信済み
TIME_WAIT切断後の待機（一定時間後に消滅）
CLOSE_WAIT相手から切断要求を受信
CLOSED接続なし

接続状態の確認コマンド

bash
# 現在のTCP接続一覧
ss -tn

# LISTEN状態のポートを表示
ss -tln

# 特定のポートの接続状態
ss -tn | grep :3306    # MySQL
ss -tn | grep :5432    # PostgreSQL

接続の切断（4ウェイハンドシェイク）

接続の終了は4回のやりとりで行います。

クライアント                    サーバー
    |                             |
    |--- FIN (切断要求) -------->|  ステップ1
    |<-- ACK (確認) ------------|  ステップ2
    |                             |
    |<-- FIN (切断要求) ---------|  ステップ3
    |--- ACK (確認) ------------>|  ステップ4
    |                             |
    |====== 接続終了 ============|

再送制御

データが途中で失われた場合、TCPは自動的に再送します。

クライアント                    サーバー
    |                             |
    |--- データ1 --------------->|  → ACK受信
    |<-- ACK -------------------|
    |                             |
    |--- データ2 ----X (消失)    |  → タイムアウト
    |                             |
    |--- データ2（再送）-------->|  → ACK受信
    |<-- ACK -------------------|

再送に関する設定

パラメータ説明
RTO（Retransmission Timeout）再送までの待ち時間
最大再送回数何回まで再送を試みるか
RTT（Round Trip Time）パケットの往復時間

TCPの再送制御があるおかげで、途中でパケットが失われても、アプリケーションはそれを意識する必要がありません。

トラブルシューティングへの活用

接続できない場合のチェックポイント

状態可能性のある原因
SYN_SENT が続くサーバーが応答していない / ファイアウォールでブロック
ESTABLISHED にならないハンドシェイクの途中で失敗
TIME_WAIT が大量短時間に大量の接続を作って閉じている
CLOSE_WAIT が大量アプリケーションが接続を閉じていない（リソースリーク）

まとめ

ポイント内容
3ウェイハンドシェイクSYN → SYN-ACK → ACK で接続確立
接続状態LISTEN, ESTABLISHED, TIME_WAIT 等
4ウェイハンドシェイクFIN → ACK → FIN → ACK で切断
再送制御パケット消失時に自動的に再送
トラブルシューティングss コマンドで接続状態を確認

チェックリスト

  • 3ウェイハンドシェイクの3ステップを説明できる
  • 主要なTCP接続状態を理解した
  • ss コマンドで接続状態を確認できる
  • 再送制御の仕組みを理解した

次のステップへ

TCPの仕組みを深く理解しました。 次のセクションでは、TCPと対になるUDPの特徴と使い分けを学びます。

推定読了時間: 20分