TCP와 UDP

TCP와 UDP는 OSI 7계층 중 전송 계층에서 사용되는 프로토콜로, 전송 계층은 송싱자와 수신자를 연결하는 통신 서비스를 제공하는 계층임 즉, 데이터의 전달을 담당하며 패킷의 오류를 검사하고 재전송 요구 등의 제어를 담당함

배경(TCP/IP 프로토콜의 패킷 교환 방식)

전 세계를 연결하는 복잡한 네트워크인 인터넷에서는 엄청난 양의 데이터를 보다 효율적이고 안정적으로 전송하기 위해 패킷 교환 방식으로 데이터를 전송함 이때 TCP와 IP는 패킷 교환 방식에 따라 데이터를 전송할 때 사용하는 프로토콜임

• 네트워크에서 데이터 전송 방식

  • 송신지 호스트에서 수신지 호스트로 데이터가 전송될 때, 데이터가 중간 노드들을 경유하게 되는데 어떤 링크로 이동할지 선택하고 이동함

  • 이때 노드와 노드 사이의 이동 과정에서 어떤 경로를 선택해 데이터를 전송하는 방법은 크게 2가지가 존재함

    • 회선 교환 방식

    • 패킷 교환 방식

• 회선 교환(Circuit Switching) 방식

  • 통신하고자 하는 두 호스트가 데이터를 전송하기 전에 미리 데이터 이동 경로를 하나 설정해두는 방식

  • 미리 설정해둔 경로는 두 호스트만을 위한 전용 경로가 되며, 이 경로를 통해 통신의 처음부터 끝까지 모든 데이터가 이동함

  • 과거에는 회선 교환 방식을 사용하였는데, 미리 이동 경로를 결정하기 때문에 연결된 선 하나가 잘려나가면 그대로 통신이 끊어졌음

    • 하나의 회선에 전적으로 의존하는 연결이라는 큰 단점을 보완하기 위해 나온 방식이 패킷 교환 방식!

• 패킷 교환(Packet Switching) 방식

  • 미리 고정된 이동 경로를 설정하지 않는 대신 패킷이라는 작은 단위로 나누어 전송하는 방식

  • 데이터는 네트워크를 통해 전송되기 전에 패킷이라는 작은 조각으로 나누고, 각 패킷에는 고유 번호가 있어서 네트워크를 거쳐 최종 수신지에 전송되었을 때 원래의 데이터로 재결함됨

    • 각각의 패킷은 전송 당시 가장 효율적인 경로를 각자 설정하여 최종 수신지까지 이동함

    • 패킷을 수신한 중간 노드가 패킷의 수신지 호스트를 확인하고 수신지 호스트까지 가는 다양한 경로 중 가장 좋다고 판단되는 경로를 따라 다음 중간 노드로 패킷을 전송하는 기능(라우팅)을 수행함

  • 현재는 데이터를 패킷이라는 작은 단위로 분할하여 라우터를 통해 전송하는 것이 기본이 됨

  • 패킷 교환 방식의 유형

    • 가상 회선 패킷 교환(연결 지향 패킷 교환) ➜ TCP

    • 데이터그램 패킷 교환(비 연결형 패킷 교환) ➜ UDP

TCP(Transmission Control Protocol)

• 개념

  • 전송 제어 프로토콜로, 인터넷상에서 데이터를 메세지의 형태로 보내기 위해 IP와 함께 사용하는 프로토콜

  • 일반적으로 TCP와 IP를 함께 사용하여 TCP/IP 프로토콜로 불리기도 함

    • IP는 인터넷 망 속에서 IP 주소와 패킷과 같은 규칙을 통해 클라이언트와 서버 간에 통신할 수 있게 하는 것

    • TCP는 IP 규칙으로 통신하기에 부족하거나 불안정한 단점들을 보완하기 위해 패킷 전송을 제어하여 신뢰성을 보장하는 것

  • 네트워크에 연결된 컴퓨터에서 실행되는 프로그램 간에 데이터를 세그먼트(Segment) 단위로 쪼개어 신뢰성(안정적으로, 순서대로, 에러 없이)을 기반한 통신을 제공함

• 특징

  • 연결형 서비스로 가상 회선 패킷 교환 방식을 제공함

    • 가상 회선 방식: 발신지와 수신지를 연결하여 패킷을 전송하기 위한 논리적 경로를 배정한다는 의미

    • 3-way handshaking 과정을 통해 연결을 설정하고, 4-way handshaking 과정을 통해 연결을 해제함

      • 3-way handshaking 과정은 발신지와 수신지 사이에 논리적인 접속(세션)을 성립하는 과정을 의미함

  • 전송 제어

    • 흐름 제어(Flow control): 데이터 처리 속도를 조절하여 수신자의 버퍼 오버플로우를 방지

    • 오류 제어(Error Control): 데이터가 유실되거나 잘못된 데이터가 수신되었을 경우 대처하는 방법

    • 혼잡 제어(Congestion control): 네트워크 내의 패킷 수가 과도하게 증가하지 않도록 방지

  • 높은 신뢰성을 보장함

    • 따라서 UDP 보다 속도가 느림

  • 전이중(Full-Duplex), 점대점(Point to Point) 방식

    • 전이중: 전송이 양방향으로 동시에 일어날 수 있음

    • 점대점: 각 연결이 정확히 2개의 종단점을 가지고 있음

• 연속성 보다는 신뢰성 있는 전송이 필요할 때 사용함

  • ex) 파일 전송

TCP의 헤더

TCP의 헤더 크기는 최저 20바이트로, 송수신지의 번호 뿐만 아니라 데이터 검증 및 순서 확인을 위한 정보등을 포함하고 있음

종류	설명
Source/Destination Port(송신/수신 포트 번호)	세그먼트의 출발지와 목적지를 나타내는 필드로, 애플리케이션 식별을 위한 포트 번호가 필요함(IP 주소는 네트워크 계층에 있는 IP 헤더에 담김)
Sequence Number	TCP 세그먼트를 올바른 순서로 정렬하기 위해 사용되는 필드로, 송신 측 단말은 애플리케이션에서 받은 데이터의 각 바이트에 대해 초기 시퀀스 번호(ISN, Initial Sequence Number)에서 연번을 부여함
Acknowledgement Number	확인 응답 번호(ACK)는 다음 수신을 기대하는 데이터의 시퀀스 번호를 의미함
Data Offset(Header Length)	TCP 세그먼트가 시작되는 위치를 기준으로 헤더의 길이를 나타내는 필드
Code Bit(Flags)	컨트롤 비트는 커넥션의 상태를 나타내는 필드
Window	한 번에 전송할 수 있는 데이터의 양을 의미하는 값으로, 단위는 바이트
Checksum	데이터 송신 중에 발생될 수 있는 오류를 검출하기 위한 값
Urgent Pointer	긴급 포인터는 컨트롤 비트의 URG 플래그가 1로 설정됐을때 유효한 필드로, 긴급 데이터가 있을 때 긴급 데이터를 나타내는 가장 마지막 바이트의 시퀀스 번호가 설정됨
Options	TCP에 관련된 확장 기능을 알리기 위해 사용함

• Checksum

  • 헤더 및 데이터를 16비트 단위로 분할하여 비트 합을 구한 뒤, 이에 대한 1의 보수를 취함으로써 계산함

  • 만약 carry(자리 수가 하나 올라간 부분)가 발생한다면 wrap around(넘친 부분만 떼어내어 다시 더해줌)를 적용함

• Code Bit(Flags)

TCP의 전송 제어 기법

흐름 제어, 오류 제어, 혼잡 제어

데이터 전송 과정

1. 응용 계층(Application Layer)에서 데이터를 전송할 때, 송신자(sender)의 애플리케이션(Application)은 소켓(Socket)에 데이터를 씀

2. 이 데이터는 전송 계층(Transport Layer)으로 전달되어 세그먼트(Segment)라는 작은 단위로 나누어짐

3. 전송 계층은 이 세그먼트를 네트워크 계층(Network Layer)으로 넘겨줌

4. 전송된 데이터는 수신자(receiver)쪽으로 전달되어 수신 버퍼(Receive Buffer)에 저장됨

   • 이때 수신자 쪽에서는 수신 버퍼의 용량을 넘치지 않게 조절해야 함

   • 흐름 제어 (Flow Control) 과정

     • 수신자 쪽에서 자신의 수신 버퍼의 남은 용량을 송신자에게 알려주는데, 이를 수신 윈도우(Receive Window)라고 함

     • 송신자는 수신자의 수신 윈도우를 확인하여 수신자의 수신 버퍼 용량을 초과하지 않도록 데이터를 전송함

     • 이를 통해 데이터 전송 중에 수신 버퍼가 넘치는 현상을 방지하면서, 안정적인 데이터 전송을 보장함

5. 수신 측 애플리케이션이 준비가 되면 수신 버퍼에 있는 내용을 읽기 시작함

1. 흐름 제어 (Flow Control)

데이터 전송 중에 발생하는 수신 버퍼의 오버플로우를 방지하면서, 안정적인 데이터 전송을 위해 중요한 기술

• 수신측이 송신측보다 데이터 처리 속도가 빠르면 문제 없지만, 송신측의 속도가 빠를 경우 문제가 발생함

  • 수신측에서 제한된 저장 용량을 초과한 이후에 도착하는 데이터는 손실될 수 있으며, 만약 손실된다면 불필요한 응답과 데이터 전송이 발생함

• 흐름 제어는 이러한 송신측과 수신측의 데이터 처리 속도 차이를 해결하기 위한 기법으로, 수신자가 패킷을 지나치게 많이 받지 않도록 조절하는 것

  • 기본 개념은 수신자가 송신자에게 현재 자신의 상태를 feedback한다는 점

흐름 제어 기법

• Stop and Wait

  • 매번 전송한 패킷에 대해 확인 응답(ACK)을 받아야만 그 다음 패킷을 전송하는 방법

    
  • 패킷을 하나씩 보내기 때문에 비효율적인 방법

• Sliding Window

  • 수신측에서 설정한 윈도우 크기만큼 송신측에서 확인 응답없이 세그먼트를 전송할 수 있게 하여 데이터 흐름을 동적으로 조절하는 제어 기법

  • 최초의 윈도우 크기(수신 측이 한 번에 처리할 수 있는 데이터의 양)는 3-way handshake 과정에서 수신 측의 윈도우 크기가 송신 측에 전달됨

    • 이후 수신 측의 버퍼에 남아있는 공간에 따라 변함

    • 수신 측에서 송신 측으로 확인 응답(ACK)를 보낼 때 TCP 헤더(window size)에 담아서 보냄

2. 오류 제어(Error Control)

• TCP 통신 중에 오류(데이터 유실 or 잘못된 데이터 수신)가 발생하면 해당 데이터를 재전송함

  • 재전송 기반 오류 제어 ARQ(Automatic Repeat Request)를 사용함

• 오류를 알 수 있는 방법

  • 송신 측이 ACK를 받지 못함(송신 측이 보낸 데이터가 유실되거나 수신 측이 보낸 ACK 데이터가 유실된 경우)

  • 중복된 ACK는 받는 경우

  • 수신 측이 NACK(부정 응답)을 보내는 경우

오류 제어 기법

• Go Back N

  • 어느 데이터로부터 오류가 발생했는지 파악하여, 오류가 발생한 지점부터 다시 순서대로 재전송하는 방식

  • 성공적으로 전송된 데이터까지 재전송하기 때문에 비효율적

• Selective Repeat ARQ(선택적 재전송)

  • 에러가 난 데이터만 재전송하고, 그 전에 받았던 순서가 잘못된 데이터 버퍼를 재정렬하여 제어함

  • 수신 측 버퍼의 데이터가 순차적이지 않기 때문에 정렬의 과정이 추가로 필요하고 별도의 버퍼가 필요함

3. 혼잡 제어 (Congestion Control)

• 네트워크의 혼잡을 피하기 위해 송신 측에서 보내는 데이터의 전송 속도를 강제로 줄이는 제어 기법

  • 송신측의 데이터는 지역망이나 인터넷으로 연결된 대형 네트워크를 통해 전달되는데, 만약 한 라우터에 데이터가 몰리게 되면 자신에게 온 데이터를 처리할 수 없게 됨

  • 이러한 경우 호스트들은 재전송하게 되고, 결국 혼잡만 가중시켜 오버플로우나 데이터 손실이 발생함

• 송신측의 데이터 전달과 네트워크의 데이터 처리 속도 차이를 해결하기 위한 기법

  • 흐름 제어가 송신측과 수신측 사이의 전송 속도를 다루는데 반해, 혼잡제어는 호스트와 라우터를 포함한 보다 넓은 관점에서 전송 문제를 다루게 됨

혼잡 제어 기법

• AIMD(Additive Increase / Multiplicative Decrease)

  • 처음에 패킷을 하나씩 보내고 이것이 문제없이 도착하면 window 크기(단위 시간 내에 보내는 패킷의 수)를 1씩 증가시켜가며 전송하는 방법

  • 패킷 전송에 실패하거나 일정 시간을 넘으면 패킷의 보내는 속도를 절반으로 줄임

  • 윈도우 크기를 너무 조금씩 늘리기 때문에 네트워크의 모든 대역을 활용하여 제대로 된 속도로 통신하기까지 시간이 오래 걸림(단점)

• Slow Start(느린 시작)

  • AIMD에 반해 지수 함수 꼴로 증가시켜 윈도우 크기를 더 빠르게 증가시키다가 혼잡이 감지되면 윈도우 크기를 1로 줄이는 방식

  • 보낸 데이터의 ACK가 도착할 때마다 윈도우 크기를 증가시키기 때문에 처음에는 윈도우 크기가 조금 느리게 증가할지라도, 시간이 가면 갈수록 윈도우 크기가 점점 빠르게 증가함

• Fast Retransmit(빠른 재전송)

  • 패킷을 받는 수신자 입장에서는 세그먼트로 분할된 내용들이 순서대로 도착하지 않는 경우가 생길 수 있음

    • 이런 상황이 발생했을 때, 수신 측에서는 순서대로 잘 도착한 마지막 패킷의 다음 순번을 ACK 패킷에 실어서 보냄

    • 그리고 이런 중복 ACK를 3개 받으면 재전송이 이루어짐

  • 송신 측은 자신이 설정한 타임 아웃 시간이 지나지 않았어도 바로 해당 패킷을 재전송할 수 있기 때문에 보다 빠른 재전송률을 유지할 수 있음

• Fast Recovery(빠른 회복)

  • 혼잡한 상태가 되면 window size를 1로 줄이지 않고 반으로 줄이고 선형 증가시키는 방법

  • 혼잡 상황을 한 번 겪은 이후부터는 순수한 AIMD 방식으로 동작하게 됨

UDP(User Datagram Protocol)

• 개념

  • 사용자 데이터그램 프로토콜로, 데이터를 데이터그램 단위로 처리하는 프로토콜

    • 데이터그램: 독립적인 관계를 지니는 패킷

  • 데이터를 서로 다른 경로로 독립적으로 처리함

• 특징

  • 비연결형 서비스로, 데이터그램 패킷 교환 방식을 제공함

    • 연결을 위해 할당하는 논리적인 경로가 없고, 각각의 패킷은 다른 경로로 전송되며 독립적인 관계를 지님

    • 따라서 데이터의 전송 순서가 바뀔 수 있음

  • 데이터의 수신 여부를 확인하지 않음

    • TCP의 3-way handshaking과 4-way handshaking과 같은 연결을 설정하고 해제하는 과정이 없음

  • 신뢰성이 낮음

    • 흐름 제어 또는 혼잡 제어 같은 기능이 없어서 제대로 전송되었는지, 오류가 없는지 확인할 수 없음

  • TCP 보다 속도가 빠르며 네트워크 부하가 적음

  • 1:1 & 1:N & N:N 통신이 가능함

    • 브로드캐스트 및 멀티캐스트 기능을 통해 하나의 UDP 전송을 여러 수신자에게 한 번에 전송할 수 있음

• 신뢰성보다는 연속성 있는 전송이 필요할 때 사용함

  • ex) 실시간 서비스(streaming)

UDP의 헤더

UDP의 헤더는 TCP와 비교했을 때 훨씬 더 작은 크기의 헤더를 갖고 있음

• Source/Destination Port

  • UDP Datagram Length

  • Checksum

QUIC

• TCP와 비교했을 때 UDP 헤더 포멧은 거의 백지와 마찬가지로, User Datagram이라는 의미는 사용자가 정의해서 사용하라는 의미임

  • 즉, 여기에 원하는 기능을 얼마든지 얹으면 되고 서버와 클라이언트의 구현에 따라 그 퍼포먼스는 크게 달라질 수 있음

  • TCP 처럼 신뢰성 있는 전송을 하고싶으면 시퀀스 번호 등을 정의하여, 서버와 클라이언트 간에 패킷 유실에 대한 대처방법도 상호 정의한다면 UDP 기반의 신뢰성 있는 프로토콜을 만들 수 있음

  • 이러한 개념에서 나온 것이 QUIC임

• QUIC(Quick UDP Internet Connections) 프로토콜은 Google을 통해 개발이 진행되었고, 현재 모든 Google 관련 제품의 기본 프로토콜로 사용됨

  • UDP 보다 안전하고 TCP 보다 빠르다는 장점을 갖고 있음

  • TCP는 클라이언트와 서버 연결 과정에서 핸드셰이크를 사용하여 커넥션을 만든다음 통신함

    
  • 반면에 QUIC은 사전에 핸드셰이크를 완료할 필요 없이 연결 시작 시에 클라이언트가 바로 서버에 데이터를 보낼 수 있도록 함

    

TCP와 UDP 비교

종류	UDP	TCP
IP 헤더의 프로토콜 번호	17	6
연결 방식	비 연결지향형 프로토콜	연결지향형 프로토콜
패킷	데이터그램 TCP 패킷	세그먼트 UDP 패킷
패킷 교환 방식	데이터그램 패킷교환	가상회선 패킷교환
신뢰성	낮음	높음
즉시성(실시간성)	빠름	느림
순서 보장	X	O
통신 방식	1:1, 1:N, N:N	1:1

ref

• TCP/IP (흐름제어/혼잡제어)

• QUIC과 HTTP/3 - 1. UDP기반 전송 프로토콜의 대두

• QUIC 0-RTT 재시작으로 더 빨리 연결하기

• TCP/IP 프로토콜과 패킷 교환 방식

• TCP 의 흐름 제어 / 오류 제어 / 혼잡 제어