[네트워크] TCP & UDP

[네트워크] TCP & UDP

TCP 와 UDP 는 TCP/IP 의 데이터의 전달을 담당하는 전송 계층에서 사용되는 프로토콜입니다.

 

TCP 와 UDP 는 모두 포트 번호를 이용하여 주소를 지정한다는 점과, 데이터 오류검사를 위한 체크섬이 존재한다는 공통점이 있지만 이보다 훨씬 많은 차이점을 가지고 있습니다.

TCP (Transmission Control Protocol)

TCP 는 클라이언트와 서버가 1:1 로 연결된 상태에서 데이터를 주고받는 연결 지향형 (Connection-Oriented) 프로토콜입니다. 

 

TCP 는 클라이언트와 서버의 연결을 위해 포트를 확인하고 이를 연결을 설정하기 위해 3번의 응답을 주고받는 과정인 3-way handshake 이라는 방식을 이용하고, 연결을 해제하기 위해서는 4-way handshake 라는 방식을 이용합니다.

 

그 과정은 다음과 같습니다.

3-way handshake

1. 클라이언트는 서버로 연결 요청을 위해서 SYN 패킷을 보내고 SYN_SENT 상태로 변경됩니다.
2. 서버는 해당 포트 LISTEN 상태에서 클라이언트에게 요청을 수락했다는 ACK 와 SYN flag 가 설정된 패킷을 전송하고 SYN_RCV 상태로 변경됩니다.
3. 클라이언트는 SYN 과 ACK 를 받고 서버에 응답을 잘 받았다는 ACK 를 보냅니다. 이후 ESTABLISHED 상태로 변경됩니다.
4. 서버도 ACK 를 받고 ESTABLISHED 상태가 됩니다. 이후부터는 연결이 이루어진 것이고 데이터가 오가게 됩니다.

4-way handshake

1. 클라이언트는 연결을 종료하겠다는 FIN flag 를 전송하고 FIN_WAIT1 상태로 대기합니다.
2. 서버는 요청을 받았다는 ACK 를 전달하고 해당 포트의 어플리케이션에게 close() 요청을 보냅니다. 이후 CLOSE_WAIT 상태로 변경됩니다. 
3. 서버가 보낸 ACK 를 받은 클라이언트는 FIN_WAIT2 상태로 변경됩니다.
4. close() 요청을 받은 서버 어플리케이션은 종료 프로세스를 진행하고, FIN 을 클라이언트에게 보낸 후 LAST_ACK 상태로 변경됩니다.
5. FIN 을 받은 클라이언트는 ACK 를 서버에 다시 전송하고, TIME_WAIT 상태로 변경됩니다.
6. 클라이언트는 TIME_WAIT 에서 분실되었을지 모르는 세그먼트를 위해 일정시간을 기다린 후 CLOSED 가 되고, ACK 를 받은 서버도 포트를 CLOSED 로 닫습니다.

TCP 상태

상태	내용
LISTEN	접속 요청을 기다리는 상태
SYN-SENT	클라이언트가 서버로 연결을 요청한 상태
SYN-RECEIVED	서버가 클라이언트로부터 연결 요청을 받아 클라이언트에게 응답을 보냈지만, 아직 클라이언트에게 확인 메세지는 받지 못한 상태
ESTABLISHED	3-way handshake 가 완료된 후 서로 연결된 상태
FIN-WAIT 1,2 CLOSE-WAIT	연결을 종료하기 위해 서버와 클라이언트가 서로 연결 종료를 요청하고 이를 대기하는 상태
TIME-WAIT	연결은 종료되었지만 분실되었을지 모르는 느린 세그먼트를 위해 당분간 소켓을 열어두고 있는 상태
CLOSING	확인 메세지가 전송 도중 분실된 상태 (흔치 않음)
CLOSED	종료 상태

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이러한 과정을 거쳐 고정된 선로를 통해 데이터가 전달되기 때문에 TCP 는 신뢰성 있는 데이터를 전달할 수 있습니다. 

 

하지만 연결을 생성하고 해제하는 과정에서 시간이 소요되기 때문에 UDP 보다 속도가 느리다는 단점을 가지고 있습니다.

 

TCP 는 신뢰성 있는 데이터를 전송하기 위해 패킷이 정상적으로 전달되었을때 ACK 값을 전송합니다. 

 

ACK 는 수신측에서 송신측으로 보내는 긍정 응답입니다. ACK 번호를 사용해 패킷이 제대로 도착했는지 확인할 수 있습니다.

 

정상적인 상황에서는 ACK 값이 연속적으로 전송되어야 하지만, ACK 값이 제대로 도착하지 않으면 경우에 따라 패킷을 재전송할지 말지 결정합니다.

 

Dupack-based Retransmission

• ACK 값이 중복으로 도착할 경우 패킷 이상을 감지하고 재전송을 요구

Timeout-based Retransmission

• ACK 값이 일정시간동안 도착하지 않을 경우 재전송을 요구

TCP 는 이 외에도 신뢰성있는 데이터의 전달을 위해 흐름제어와 혼잡제어를 수행합니다.

 

흐름제어 (Flow Control) 는 송신하는 곳에서 감당이 되지 않을 정도로 많은 데이터를 보내 수신하는 곳에서 문제가 발생하는 것을 방지합니다. 데이터 처리 속도를 조절하거나 수신자가 Window Size 값을 이용해 수신량을 조정할 수 있습니다.

 

혼잡제어 (Congestion Control) 는 네트워크 내의 패킷 수가 넘치지 않도록 방지합니다. 만약 정보의 소통량이 과다하다면 패킷을 조금만 전송해서 혼잡 붕괴 현상을 방지합니다.

 

이처럼 TCP 는 신뢰성 있는 데이터를 전송하기 때문에 파일 전송 등의 서비스에서 주로 이용됩니다.

 

위에서 설명한 TCP 의 특징을 정리해보겠습니다.

 

TCP 특징

• 연결지향형 서비스이기 때문에 연결이 성공해야 통신이 가능
• 연결 설정 (3-way handshake), 연결 해제 (4-way handshake)
• 바이트 스트림 서비스로 데이터 경계를 구분하지 않음
• 데이터 순서 보장 위해 각 바이트마다 번호 부여
• 신뢰성 있는 데이터 전송
  • 시퀀스 넘버, ACK 넘버
  • 흐름제어, 혼잡제어
• 전이중 방식 (Full-Duplex) : 전송이 양방향으로 동시에 일어날 수 있음
• 점대점 서비스 (Point to Point) : 각 연결이 정확히 2개의 종단점을 가지고 있음
• UDP 에 비해서 속도가 느림

TCP 헤더 정보

필드	내용	크기 (bit)
송수신자의 Port Number	TCP 로 연결되는 가상 회선 양단의 송수신 프로세스에 할당되는 포트 주소	16
Sequence Number	송신자가 지정하는 순서 번호, 전송되는 바이트 수를 기준으로 증가 SYN = 1 : 초기 시퀀스 번호, ACK 번호는 이에 1 을 더한 값 SYN = 0 : 현재 세션 해당 세그먼트 데이터의 최초 바이트값의 누적 시퀀스 번호	32
ACK Number	수신 프로세스가 제대로 수신했는지, 해당 바이트 수를 응답하기 위해 사용	32
Data Offset	TCP 세그먼트의 시작 위치를 기준으로 데이터의 시작 위치를 표현 (TCP 헤더 크기)	4
예약 필드 (Reserved)	사용하지 않지만 나중을 위한 예약 필드이며 0으로 채워져야함	6
제어 비트 (Flag Bit)	SYN, ACK, FIN 등의 제어번호	6
Window Size	수신 윈도우의 버퍼 크기를 지정할 때 사용, 0 이면 프로세스 전송 중지	16
Checksum	TCP 세그먼트에 포함되는 프로토콜 헤더와 데이터에 대한 오류 검출 용도	16
Urgent Pointer	긴급 데이터를 처리하기 위함, URG 플래그 비트가 지정된 경우에만 유효	16

TCP 제어 비트 (Flag Bit) 정보

종류	내용
ACK	응답 번호 필드가 유효한지 설정할 때 사용하며 상대방으로부터 패킷을 받았다는 걸 알려주는 패킷 클라이언트가 보낸 최초의 SYN 패킷 이후 전송되는 모든 패킷은 이 플래그가 설정되어야 함
SYN	연결 설정 요구, 동기화 시퀀스 번호 양쪽이 보낸 최초의 패킷에만 이 플래그가 설정되어 있어야 함 가장 먼저 보내는 패킷으로 시퀀스 번호를 임의적으로 설정하여 세션을 연결하는데 사용되며 초기에 시퀀스 번호를 보내게 됨
PSH	수신 어플리케이션에 버퍼링된 데이터를 상위 계층에 즉시 전달할 때 사용
RST	연결의 리셋이나 유효하지 않은 세그먼트에 대한 응답용으로 사용
URG	긴급 위치를 필드가 유효한지 설정 (긴급한 데이터는 다른 데이터에 비해 우선순위가 높음)
FIN	세션 연결을 종료시킬 때 사용되며 더 이상 전송할 데이터가 없을 때 연결 종료 의사 표시

UDP

UDP 는 데이터를 주고받을 때 연결 절차를 거치지 않고, 발신자가 일방적으로 데이터를 발신하는 비연결 지향적 프로토콜 입니다.

 

UDP 는 연결 과정이 없기 때문에 TCP 보다 속도는 빠르지만, 데이터의 신뢰성은 떨어지는 편입니다.

 

예를 들어 발신자가 데이터 패킷을 순차적으로 전송하더라도 패킷들은 서로 다른 통신 선로를 통해 전달될 수 있고, 만약 먼저 보낸 패킷이 느린 선로를 통해 전송되는 경우 나중에 보낸 패킷보다 느리게 도착할 수 있습니다.

 

최악의 경우에는 잘못된 선로로 전송되어 패킷이 유실되는 경우도 있습니다.

 

TCP 는 경우에 따라 패킷을 재전송하기도 하지만, UDP 는 패킷이 유실된다 하더라도 패킷을 재전송하지 않습니다.

 

하지만 UDP 의 데이터 처리 속도는 TCP 보다 빠르기 때문에 실시간 스트리밍과 온라인게임 등에 적합합니다. 이미지가 한 두장 빠지더라도 앞뒤로 보정하여 문제를 커버할 수 있습니다.

 

UDP 특징

• 비연결형 서비스로 연결 없이 통신이 가능하며 데이터그램 방식을 제공함
• 데이터그램 서비스로 데이터 경계를 구분함
• 데이터 송수신 시 보내거나 받는다는 신호절차를 가지지 않음
• TCP 보다 빠르지만, 신뢰성이 떨어지는 데이터 전송
  • 데이터 재전송과 데이터 순서 유지위한 별도의 작업 수행하지 않음
• 패킷 관리 필요
• 패킷 오버헤드가 적어 네트워크 부하 감소

UDP 헤더 정보

UDP 는 수신측이 데이터를 제대로 받았는지 그렇지 않았는지 검증하는 절차가 없기 때문에 TCP 보다 훨씬 간결한 헤더를 가집니다.

필드	내용	크기
송신자 포트번호 (Source Port)	데이터를 보내는 어플리케이션의 포트 번호	16
수신자 포트번호 (Destination Port)	데이터를 받을 어플리케이션의 포트 번호	16
데이터의 길이 (Length)	UDP 헤더와 데이터의 총 길이	16
Checksum	데이터 오류 검사에 사용	16

 

TCP & UDP 공통점과 차이점

https://adrian0220.tistory.com/153

공통점

• 포트번호를 이용하여 주소를 지정함
• 데이터 오류 검사를 위한 체크섬이 존재함

차이점

	TCP	UDP
연결 방식	연결 지향형 프로토콜 - 바이트 스트림을 통한 연결	비연결 지향형 프로토콜 - 메세지 스트림을 통한 연결
패킷 교환 방식	가상 회선 방식	데이터그램 방식
패킷	세그먼트	데이터그램
수신 여부 확인	수신 여부 확인함	수신 여부 확인하지 않음
신뢰성	순서 보장, 혼잡제어와 흐름제어 -> 신뢰성 있는 데이터	순서 보장되지 않음 -> 신뢰성 떨어지는 데이터
속도	느리다	빠르다
통신 방식	1:1 통신	1:1, 1:N, N:N 통신
사용 예시	HTTP, Email,파일 전송 등	DNS, 실시간 스트리밍 서비스 등

참고 링크

https://coding-factory.tistory.com/614

[Network] TCP / UDP의 개념과 특징, 차이점

https://mangkyu.tistory.com/15

[TCP/UDP] TCP와 UDP의 특징과 차이

https://velog.io/@hidaehyunlee/TCP-%EC%99%80-UDP-%EC%9D%98-%EC%B0%A8%EC%9D%B4

TCP 와 UDP 차이를 자세히 알아보자

https://mindnet.tistory.com/entry/%EB%84%A4%ED%8A%B8%EC%9B%8C%ED%81%AC-%EC%89%BD%EA%B2%8C-%EC%9D%B4%ED%95%B4%ED%95%98%EA%B8%B0-22%ED%8E%B8-TCP-3-WayHandshake-4-WayHandshake

[ 네트워크 쉽게 이해하기 22편 ] TCP 3 Way-Handshake & 4 Way-Handshake