TCP와 UDP

TCP와 UDP는 TCP/IP 4계층 중 Transport 계층에서 데이터의
송수신을 제어하는 프로토콜(규약)들입니다. 기본적으로 가장 많이 쓰이는 TCP와
UDP를 비교하면서 알아보도록 하겠습니다.

TCP

TCP는 Transmission Control Protocol의 약어로 네트워크에서 데이터를
주고받기 위해 IP와 함께 사용되는 프로토콜을 뜻합니다.

TCP의 특징

TCP는 연결 지향적 프로토콜로 클라이언트와 서버, 또는 호스트와 호스트 사이에서
서로 연결된 상태로 데이터를 주고받는 프로토콜입니다. 이 연결성을 지향하기 때문에
TCP는 높은 신뢰성을 보장합니다.

따라서 TCP는 이러한 신뢰성 보장을 위해 Handshaking을 통해 연결이 성공해야
그때부터 데이터 통신이 가능합니다. 또한 TCP는 데이터를 byte stream형태로 전송해
데이터의 경계를 구분하지 않으며 전송 데이터의 크기에 제약이 없습니다
또한 데이터를 Segment 기준으로 처리하므로, 데이터의 전송 순서를 보장합니다

하지만 이런 특징들을 가지고 신뢰성 있는 통신을 지향하기 때문에 생기는 단점도 존재하는데
먼저 데이터의 신뢰성과 연결성을 보장하기 위해 지속적으로 응답을 주고받아야 하고
데이터의 흐름과 혼잡을 제어해야하기 때문에 전송속도가 UDP에 비해 느리다는 단점이 있으며
CPU와 같은 자원을 많이 소모합니다.

3 Way Handshake

먼저 3 way handshake는 데이터 전송을 위해 호스트(주로 클라이언트-서버)가 연결되는 과정을 뜻합니다.

• 클라이언트에서 연결을 요청하는 SYN 패킷을 전송합니다.(Client : SYN_SENT 상태)
• 서버에서 SYN패킷을 수신하고, 해당 포트를 열어둡니다 (Server : SYN_RCVD 상태)
• 서버에서 응답을 수신했다는 ACK와 클라이언트 포트를 열어달라는 SYN을 보냅니다.
• 클라이언트는 이 패킷을 수신한 뒤 자신의 포트를 엽니다. (Client : ESTABLISHED 상태)
• 이후 서버로 ACK를 보내고 서버가 이를 수신하면 연결이 완료됩니다 (Server : ESTABLISHED 상태)

이 3 way handshake 를 거쳐 클라이언트와 서버의 연결이 성립되고 서로 패킷과 수신을 했다는
ACK를 주고받으며 통신하게 됩니다.

4 Way Handshake

다음은 연결을 종료하는 과정인 4 Way Handshake입니다.

• 클라이언트에서 종료를 예고하는 FIN 패킷을 보냅니다 (Client : FIN-WAIT-1)
• 서버는 이에 대한 응답 ACK를 보내고 자신의 포트를 닫습니다 (Server : CLOSE-WAIT)
• 클라이언트가 이 ACK를 받으면 Server의 FIN을 기다립니다 (Client : FIN-WAIT-2)
• 서버가 자신의 포트를 완전히 닫으면 클라이언트도 닫으라는 FIN을 보냅니다 (Server : LAST-ACK)
• 클라이언트는 FIN에 대한 ACK응답을 보내고 추가 패킷을 기다리다 종료합니다 (Client : TIME-WAIT -> CLOSED)
• 서버는 ACK를 받으면 종료합니다 (Server : CLOSED)

TCP State Diagram

위의 3-Way, 4-Way Handshake의 상태 변화를 다이어그램으로 표현하면 다음과 같습니다

TCP는 이런 방법을 사용하여 연결의 신뢰성을 확보하고 ACK를 통한 패킷 컨트롤을 사용합니다.

UDP

UDP는 User Datagram Protocol의 약어로 TCP와는 달리
비연결을 지향하는 프로토콜입니다. 즉 연결을 거치지 않고 Sender가 일방적으로
데이터를 전송하는 프로토콜입니다.

UDP의 특징

큰 특징으로는 UDP는 Datagram 단위로 데이터를 전송합니다. 이 방식은
TCP의 Segment 방식과는 달라서 데이터의 경계를 구분하고 크기에 제약이 있습니다 (65535 Byte)

UDP는 비연결을 지향하기 때문에 TCP와 달리 IP만을 가지고
데이터를 전송합니다. 따라서 1:1 연결인 TCP와 달리 1:1, 1:n, n:n 연결이 가능합니다.

TCP와 달리 데이터의 흐름 통제(ACK)를 하지 않으므로 신뢰성이 떨어지고 오류를 검출할 수 없으며
데이터의 순서를 맞추기 위한 작업을 하지 않습니다 따라서 패킷이 손실되거나 변조가 될 가능성이 있고
데이터 오류 검사는 가능하지만 응답 과정이 없으므로 재전송을 하지 않습니다
먼저 보낸 패킷이 나중에 도착할 수 있습니다.

하지만 TCP의 과정들이 생략되기 때문에 전송속도가 빠르다는 큰 장점이 있으며
패킷의 오버헤드가 적어 네트워크 망의 부하가 감소되는 장점이 있습니다. 또한 자원 소모가
TCP보다 적습니다.

따라서 UDP는 신뢰성보다 성능(속도)이 우선시되는 실시간 스트리밍과 같은 서비스에 주로 사용됩니다.