TCP, UDP

1. 전송 제어 프로토콜(TCP)

전송제어 프로토콜(Transmission Control Protocol, TCP) 는 인터넷 프로토콜 스위트(IP)의 핵심 프로토콜중 하나로 IP와 함께 TCP/IP라는 명칭으로도 널리 불린다.

TCP는 근거리 통신망이나 인트라넷, 인터넷에 연결된 컴퓨터에서 실행되는 프로그램간에 인련의 옥테트를 안정적으로, 순서대로, 에러없이 교환할 수 있게 한다.

TCP는 전송계층(Transport Layer)에 위치한다. 네트워크의 정보 전달을 통제하는 프로토콜이자 인터넷을 이루는 핵심 프로토콜의 하나이다

TCP는 장치들 사이에 논리적인 접속을 성립(establish)하기 위하여 연결을 설정하여 신뢰성을 보장하는 연결형 서비스이다. TCP는 네트워크에 연결된 컴퓨터에서 실행되는 프로그램간에 일련의 옥탯(데이터, 메시지, 세그먼트라는 블록단위)을 안정적으로, 순서대로, 에러없이 교환할수 있게 한다.

전송 계층(Transport layer)은 계층 구조의 네트워크 구성요소와 프로토콜 내에서 송신자와 수신자를 연결하는 통신 서비스를 제공한다. 전송 계층은 연결 지향 데이터 스트림 지원, 신뢰성, 흐름 제어, 그리고 다중화와 같은 편리한 서비스를 제공한다.
전송 계층은 인터넷의 기반인 TCP/IP 참조 모델과 일반적인 네트워크 모델인 개방형 시스템 간 상호 접속 (Open Systems Interconnection, OSI) 모두 포함하고 있다

특징

연결형 서비스(Connection oriented)

두 개 엔드포인트(로컬, 리모트)사이에 연결을 먼저 맺고 데이터를 주고받는다. 여기서 TCP 연결 식별자는 두 엔드포인트의 주소를 합친 것으로, <로컬 IP주소, 로컬 포트번호, 리모트 IP주소, 리모트 포트번호> 형태이다.

연결형 서비스로 가상 회선 방식을 제공한다

• 3-way handshaking 과정을 통해 연결을 설정
• 4-way handshaking 을 통해 연결을 해제

tcp_connection
1. 먼저 open()을 실행한 클라이언트가 SYN을 보내고 SYN_SENT상태로 대기한다
2. 서버는 SYN_RCVD상태로 바꾸고 SYN과 응답ACK를 보낸다
3. SYN과 응답ACK를 받은 클라이언트는 ESTABLISHED상태로 변경하고 서버에게 응답ACK를 보낸다
4. 응답ACK를 받은 서버는 ESTABLISHED상태로 변경한다

tcp_Dis-connection
1. 먼저 close()를 실행한 클라이언트가 FIN을 보내고 FIN_WAIT1상태로 대기한다
2. 서버는 CLOSE_WAIT으로 바꾸고 응답ACK를 전달한다. 동시에 해당 포트에 연결되어 있는 어플리케이션에게 close()를 요청한다
3. ACK를 받은 클라이언트는 상태를 FIN_WAIT2로 변경한다
4. close() 요청을 받은 서버 어플리케이션은 종료 프로세스를 진행하고 FIN을 클라이언트에 보내 LAST_ACK상태로 바꾼다
5. FIN을 받은 클라이언트는 ACK를 서버에 다시전송하고 TIME_WAIT으로 상태를 바꾼다. TIME_WAIT에서 일정 시간이 지나면 CLOSED된다. ACK를 받은 서버도 포트를 CLOSED로 닫는다

주의

• 반드시 서버만 Close_wait상태를 갖는것은 아니다
• 서버가 먼저 종료하겠다고 FIN을 보낼수도 있고, 이런경우 서버가 FIN_WAIT1상태가 된다
• 누가먼저 close()를 요청하느냐에 따라 상태가 달라질 수 있다

양방향 바이트 스트림(Bidirectional byte stream)

양방향 데이터 통신을 하며, 바이트 스트림을 사용한다

순서있는 전송(In-order Delivery)

송신자가 보낸 순서대로 수신자가 데이터를 받는다. 이를 위해서는 데이터의 순서가 필요하다. 순서를 표시하기 위해 32-bit 정수 자료형을 사용한다

흐름제어(Flow control)

송신자는 수신자가 받을수 있는 만큼 데이터를 전송한다. 수신자가 자신이 받을 수 있는 바이트 수(사용하지 않는 버퍼크기, receive window)를 송신자에게 전달한다. 송신자는 수신자 receive window가 허용하는 바이트 수만큼 데이터를 전송한다

• 송신하는 곳에서 감당이 안되게 많은 데이터를 빠르게 보내 수신하는 곳에서 문제가 일어나는 것을 막는다
• 수신자가 윈도우 크기(window size)값을 통해 수신량을 정할 수 있다

혼잡제어(Congestion control)

네트워크 정체를 방지하기 위해 receive window와 별도로 congetion window를 사용하는데 이는 네트워크에 유입되는 데이터양을 제한하기 위해서이다. Receive window와 마찬가지로 congetion window가 허용하는 바이트 수만큼 데이터를 전송하며 여기에는 TCP Vegas, Westwood, BIC, CUBIC 등 다양한 알고리즘이 있다. Flow controlrhk 달리 송신자가 단독으로 구현한다

• 네트워크 내의 패킷수가 넘치게 증가하지 않도록 방지
• 정보의 소통량이 과다하면 패킷을 조금만 전송하여 혼잡 붕괴 현상이 일어나는 것을 막는다

신뢰성이 높은 전송(Relialbe transmission through ACK)

데이터를 송신하고 수신자로부터 ACK(데이터는 받았음)를 받지 않으면, 송신자 TCP가 데이터를 재전송한다. 따라서 송신자TCP는 수신자로부터 ACK를 받지 않은 데이터를 보관한다(buffer unacknowledged data)

• Dupack-Based Retransmission

  • 정상적인 상황에서는 Ack값이 연속적으로 전송되어야한다
  • 그러나 Ack값이 중복으로 올 경우 패킷이상을 감지하고 재전송을 요청한다

• Timeout-Based Retransmission

  • 일정시간동안 Ack값이 수신을 못할 경우 재전송을 요청한다

사용

TCP는 웹브라우저들이 WWW에서 서버를 연결할 때 사용되며, 이메일 전송이나 파일 전송에도 사용된다

예외

TCP의 안정성을 필요로 하지않는 애플리케이션의 경우 일반적으로 TCP대신 비접소형 사용자 데이터그램 프로토콜(User Datagram Protocol)을 사용한다.

1.1 TCP Header

응용계층으로부터 데이터를 받은 TCP는 헤더를 추가한 후에 이를 IP로 보낸다. 헤더에는 아래표와 같은 정보가 포함된다

• 송신자의 포트번호 : tcp로 연결되는 가상 회선 양단의 송수신 프로세스에 할당되는 포트주소
• 시퀀스 번호(sequence Num) : 송신자가 지정하는 순서 번호, 전송되는 바이트 수를 기준으로 증가.
  SYN = 1 : 초기 시퀀스 번호가 된다. ACK번호는 이 값에 1을 더한값.
  SYN = 0 : 현재 세션의 이 세그먼트 데이터의 최초 바이트 값의 누적 시퀀스 번호
• 응답번호(ack Num) : 수신 프로세스가 제대로 수신한 바이트의 수를 응답하기 위해 사용
• 데이터 오프셋(Data offset) : tcp 세그먼트의 시작 위치를 기준으로 데이터의 시작 위치를 표현(tcp헤더의 크기)
• 예약 필드 : 사용을 하지 않지만 나중을 위한 예약 필드이며 0으로 채워져야한다
• 제어 비트 : SYN, ACK, FIN등의 제어 번호
• 윈도우 크기(window) : 수신 윈도우의 버퍼 크기를 지정할 때 사용. 0이면 송신 프로세스의 전송 중지
• 체크섬(check sum) : tcp세그먼트에 포함되는 프로토콜 헤더와 데이터에 대한 오류 검출용도
• 긴급 위치 : 긴급 데이터를 처리하기 위함, URG 플래그 비트가 지정된 경우에만 유효

제어비트(FLAG BIT)

• URG : 긴급 위치를 필드가 유요한지 설정
• ACK : ACK는 송신측에 대하여 수신측에서 긍정 응답으로 보내지는 전송 제어용 캐릭터
  ACK 번호를 사용하여 패킷이 도착했는지 확인한다, 송신한 패킷이 제대로 도착하지 않았으면 재송신을 요구한다
• PSH : 수신 어플리케이션에 버퍼링된 데이터를 상위 계층에서 즉시 전달할 때
• RST : 연결의 리셋이나 유효하지 않은 세그먼트에 대한 응답용
• SYN : 연결 설정 요구, 동기화 시퀀스 번호, 양쪽이 보낸 최초의 패킷에만 이 플래그가 설정되어 있어야 한다
• FIN : 더이상 전송할 데이터가 없을때 연결 종료 의사 표시

2. 사용자 데이터그램 프로토콜(UDP)

사용자 데이터그램 프로토콜(User Datagram Protocal, UDP) 는 인터넷 프로토콜 스위트(IP)의 주요 프로토콜중 하나이다.

사용

TCP와 함께 데이터그램으로 알려진 단문 메시지를 교환하기 위해 사용된다.
UDP를 사용하는 애플리 케이션에는 도메인의 서비스(DNS), IPTV, 음성 인식 프로토콜(VoIP), TFTP(파일전송), IP터널(두개의 IP를 연결하는 대화채널), 다양한 온라인게임 등이 있다

특징

UDP의 전송방식은 너무 단순해서 서비스의 신뢰성이 낮고, 데이터그램 도착순서가 바뀌거나, 중복되거나, 심지어 통보없이 누락시키기도 한다. UDP는 일반적으로 오류의 검사와 수정이 필요없는 애플리케이션에서 수행할 것으로 가정한다

3. TCP와 UDP의 비교

TCP는 데이터를 주고 받을 양단간에 먼저 연결을 설정하고 연결을 통해 양방향 데이터를 전송하지만, UDP는 연결을 설정하지 않고 수신자가 데이터를 받을 준비를 확인하는 단계를 거치지않고 단방향으로 정보를 전송한다

TCP

• 연결지향형 프로토콜
• 바이트 스트림을 통한 연결
• 혼잡제어, 흐름제어 지원
• 순서보장, 상대적으로 느림
• 신뢰성 있는 데이터 전송 - 안정적
• 세그먼트 TCP패킷
• HTTP, Email, File transfer에서 사용

UDP

• 비 연결지향형 프로토콜
• 메시지 스트림을 통한 연결
• 혼잡제어, 흐름제어를 지원하지 않는다
• 순서보장 X, 상대적으로 빠름
• 데이터 전송 보장 X
• 데이터그램 UDP패킷
• DNS, Broadcasting(도메인 실시간 동영상 서비스)에서 사용

신뢰성 - TCP는 메시지를 수신확인하지만 UDP는 수신자가 메시지를 수신했는지 확인 할 수가 없다
순서 정렬 - TCP에서는 메시지가 보내진 순서를 보장하기 위해 재조립하지만, UDP는 메시지 도착 순서를 예측할 수 없다
부하 - TCP보다 UDP가 속도가 빠르고 오버헤드가 적다