[기술면접] TCP와 UDP

윤후·2022년 6월 27일

기술면접

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TCP와 UDP

네트워크의 계층들 중 전송 계층에서 사용하는 프로토콜에 대해 알아보자.
전송계층은 송신자와 수신자를 연결하는 통신서비스를 제공하는 계층으로 쉽게 말해 데이터의 전달을 담당한다. 그리고 데이터를 보내기위해 사용하는 프로토콜이 있는데 그 프로토콜이 TCP와 UDP이다.

[1줄 요약]
TCP와 UDP는 전송 계층에서 사용하는 데이터를 보내기 위해 사용하는 프로토콜이다. TCP와 UDP는 각각 가상회선 방식과 데이터그램 방식이라는 점에서 차이를 가지며, 신뢰성과 연속성 두 측면에서 상충관계에 있다.

[3줄 정리]
1. TCP와 UDP는 둘다 전송 계층에서 데이터를 보내기위해 사용하는 프로토콜.
2. TCP는 연결형 서비스로 가상회선 방식을 제공하고 높은 신뢰성을 보장하며 흐름제어 및 혼잡 제어 기능을 제공한다.
3. UDP는 비연결형 서비스로 데이터그램 방식을 제공하고 패킷에 순서 부여나 재조립등의 기능을 처리하지 않기 때문에 연속성이 중요한 서비스에 사용된다.

TCP

TCP를 해석하자면 전송을 제어하는 프로토콜(규약)이라는 뜻인데 정의는 아래와 같다.
"인터넷 상에서 데이터를 메세지의 형태로 보내기 위해 IP와 함께 사용하는 프로토콜"
일반적으로 TCP와 IP를 함께 사용하는데 IP가 데이터의 배달을 처리한다면 TCP는 *패킷을 추적 및 관리하게 된다. TCP는 연결형 서비스를 지원하는 프로토콜로 인터넷 환경에서 기본으로 활용한다.

*패킷이란?
인터넷 내에서 데이터를 보내기 위한 경로배정을 효율적으로 하기 위해서 데이터를 여러개의 조각들로 나누어 전송을하는데 이때 이 조각을 패킷이라고 한다.

*TCP는 패킷을 어떻게 추적 및 관리하는가?
데이터는 패킷단위로 나누어 같은 목적지(IP계층)로 전송된다. 예를 들어 한줄로 서야하는 A, B, C라는 사람들이 서울에서 출발하여 부산으로 간다고 한다. 그런데 A, B, C가 순차적으로 가는 상황에 B가 길을 잘못 들어서 분실되었다고 하자.

하지만 목적지에서는 A, B, C가 모두 필요한지 모르고 A, C만 보고 다 왔다고 착각할 수 있다. 그렇기 때문에 A, B, C라는 패킷에 1, 2, 3이라는 번호를 부여하여 패킷의 분실 확인과 같은처리를 하여 목적지에서 재조립을한다. 이런 방식으로 TCP 패킷을 추적하며 나누어 보내진 데이터를 받고 조립을 할 수 있다.

TCP의 특징

TCP가 가상회선 방식을 제공한다는 것은 발신지와 수신지를 연결하여 패킷을 전송하기 위한 논리적 경로를 배정한다는 말이다. 그리고 3-way hanshaking과정은 목적지와 수신지를 확실히 하여 정확한 전송을 보장하기 위해서 세션을 수립하는 과정을 의미한다. TCP가 이러한 특징을 지니는 이유는 간단명료하다. 바로 TCP는 연결형 서비스로 신뢰성을 보장하기 때문이다. 그래서 3-way handshaking의 과정도 사용하는 것이고, 데이터의 흐름제엉나 혼잡제어와 같은 기능도 한다. 하지만 이러한 기능 때문에 UDP보다 속도가 느리게 된다. 그렇기 때문에 TCP는 연속성 보다 신뢰성있는 전송이 중요할 때에 사용하는 프로콜로 파일 전송과 같은 경우에 사용된다.

연결형 서비스로 가상 회선 방식을 사용한다.
*3-way handshaking과정을 통해 연결을 설정하고 *4-way handshaking을 통해 해제한다.
흐름제어 및 혼잡 제어
높은 신뢰성을 보장
UDP보다 속도가 느림
전이중(Full-Duplex), 점대점(Point to Point)방식

*3-way handshaking이란?

양쪽 모두 데이터를 전송할 준비가 되었다는것을 보장한다.

실제로 데이터 전달이 시작전에 한쪽이 다른 쪽에 준비되었다는 것을 알린다.

양쪽 모두 상대편에 대한 초기 순차 일련번호를 얻을 수 있도록 한다.

*3-way handshaking의 과정

A클라이언트는 B서버에 접속을 요청하는 SYN패킷을 보낸다. 이때 A클라이언트는 SYN을 보내고 SYN/ACK 응답을 기다리는 SYN_SENT 상태가 되는 것이다.

B서버는 SYN요청을 받고 A클라이언트에세 요청을 수락한다는 ACK와 SYN flag가 설정된 패킷을 발송하고 A가 다시 ACK로 응답하기를 기다린다. 이때 B서버는 SYN_RECEIVED 상태가 된다.

A클라이언트는 B서버에게 ACK를 보내고 이후로 부터는 연결이 이루어지고 데이터가 오가게 되는 것이다. 이때의 B서버 상태가 ESTABLISHED이다.

*4-way handshaking이란?

3-way handshaking의 TCP연결을 초기화 할 때 사용한다.

4-way handshaking은 세션을 종료하기 위해 수행되는 절차이다.

*4-way handshaking의 과정

클라이언트가 연결을 종료하겠다는 FIN flag를 전송한다.

서버는 일단 확인 메세지를 보내고 자신의 통신이 끝날 때까지 기다리는데 이 상태가 CLOSE_WAIT상태이다.

서버가 통신이 끝났으면 연결이 종료되었다고 클라이언트에게 FIN flag를 전송한다.

클라이언트는 확인했다는 메세지를 보낸다.

TCP 서버의 특징

서버소켓은 연결만을 담당한다.
연결과정에서 반환된 클라이언트 소켓은 데이터의 송수신에 사용된다.
가상 회선 방식을 제공한다.
서버와 클라이언트는 1:1로 연결된다.
스트림 전송으로 전송 데이터의 크기가 무제한이다.
패킷에 대한 응답을 해야하기 때문에 (시간지연, CPU 소모)성능이 낮다.
손실된 경우 재전송 요청을 하므로 Streaming 서비스에 불리하다.

TCP Flow

UDP

UDP를 해석하자면 사용자 데이터그램 프로토콜(규약)이라는 뜻인데 해석하면 아래와 같다.
"데이터를 데이터그램 단위로 처리하는 프로토콜"
여기서 데이터그램이란 독립적인 관계를 지니는 패킷이라는 뜻으로 UDP의 동작방식을 설명하자면 다음과 같다. 위의 TCP와는 달리 UDP는 비연결형 프로토콜이다. 즉, 연결을 위해 할당되는 논리적인 경로가 없는데, 그렇기 때문에 각각의 패킷을 다르 ㄴ경로로 전송되고 각각의 패킷은 독립적인 관계를 지니게 되는데 이렇게 데이터를 서로 다른 경로로 독립적으로 처리하게 되고 이러한 프로토콜을 UDP라고 한다.

UDP의 특징

UDP는 비연결형 서비스이기 때문에 연결을 설정하고 해제하는 과정이 존재하지 않는다. 서로 다른 경로로 독립적으로 처리함에도 패킷에 순서를 부여하여 재조립을 하거나 흐름제어 또는 혼잡제어와 같은 기능도 처리하지 않기에 TCP보다 속도가 빠르며 네트워크 부하가 적다는 장점이 있지만 신뢰성있는 데이터의 전송을 보장하지는 못한다. 그렇기 때문에 신뢰성보다는 연속성이 중요한 서비스에 주요사용되며 주로 streaming서비스에 자주 사용된다.

비연결형 서비스로 데이터그램 방식을 제공한다.
정보를 주고 받을 때 정보를 보내거나 받는다는 신호절차를 거치치 않는다.
UDP헤더의 CheckSum필드를 통해 최소한의 오류만 검출한다.
신뢰성이 낮다.
TCP보다 속도가 빠르다.

UDP 서버의 특징

UDP에는 연결자체가 존개하지 않아(Connect 함수 불필요) 서버 소켓과 클라이언트 소켓의 구분이 없다.
소켓 대신 IP를 기반으로 데이터를 전송한다.
서버와 클라이언트는 1:1, 1:N, N:N 등으로 연결될 수 있다.
데이터그램 단위로 전송되며 그 크기는 65535바이트로 크기가 초과하면 잘라서 보낸다.
*흐름제어가 없어서 패킷이 전송되었는지 오류가 없는지 확인할 수 없다.
파일 전송과 같은 신뢰성이 필요한 서비스보다 성능이 중요시 되는 경우에 사용된다.

*흐름제어와 혼잡제어란?
흐름제어는 데이터를 송신하는 곳과 수신하는 곳의 데이터 처리속도를 조절하여 수신자의 버퍼 오버플로우를 방지하는 것이다. 예를들어 송신하는 곳에서 감당이 안되게 데이터를 빠르게 많이 보내면 수신자에게 문제가 발생하기 때문이다.

혼잡제어는 네트워크 내의 패킷 수가 넘치게 증가하지 않도록 방지하는 것이다. 만약 정보의 소통량이 과하다면 패킷을 조금만 전송하여 혼잡 붕괴현상이 일어나는것을 막는다.