[컴퓨터 네트워크] UDP, TCP 네트워킹 / 패킷 유실 시 UDP와 TCP에서의 현상

Jin Hur·2022년 6월 24일

Server Programming

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프로그램이 데이터를 보내거나 받는 과정 => UDP 또는 TCP 소켓 통신

소켓(socket)

단말기 사이에 통신할 수 있게 OS에서 제공하는 자원
파일을 읽고 쓰려면 파일 핸들(file handle) 혹은 파일 디스크립터(file descriptor, fd)를 생성해야 하듯이, 통신을 하려면 소켓을 생성해야 함.
소켓을 생성하면 소켓 핸들 값이 반환되며, 이는 대부분 OS에서 int32 타입

source: http://jkkang.net/unix/netprg/chap2/net2_1.html

UDP 네트워킹

사용자가 정의한 데이터그램(UDP의 PDU)을 상대방에게 보낼 수 있게 하는 통신 프로토콜
데이터그램은 개발자 마음대로 정하는 약 64KB 이하의 이진 데이터로, 메시지 성질을 가짐.
즉, 데이터 일부가 뭉치거나 쪼개지지 않음.
UDP는 패킷 유실 현상이 발생할 수 있음.
받는 쪽에서 데이터그램 유실이나 순서 뒤바뀜 혹은 중복 수신 현상이 발생해도 괜찮을 때만 UDP를 사용하는 것이 좋음.
- 동영상이나 음성 데이터를 보낼 때, 중간에 좀 잃어버리더라도 뒤이어서 오는 다른 데이터들을 계속 출력해 주면 크게 불편함을 느끼지 않음.
- 네트워크 게임에서 캐릭터가 이동할 때마다 계속해서 보내주는 이동 정보(캐릭터 위치 등)를 보낼 때 UDP를 잘 씀. 중간에 데이터 유실이 생겨도 이어서 도착하는 캐릭터 이동 정보가 보완.

송신측 UDP 소켓 프로그래밍

main() {
	// (1) UDP 사용 선언, 소켓 핸들 반환
    s = socket(UDP);	
    // (2) 데이터를 주고 받기 위해 포트를 하나 할당받음. 
    // any_port(0)을 넣으면 OS가 알아서 사용 중인 포트를 할당해줌
    s.bind(any_port);	
   	// (3) 상대방의 주소와 포트, 즉 끝점(endpoint)에 원하는 데이터를 보내면 됨
    s.sendTo("55.66.77.88:5959", "hello");	
    // (4) 소캣 핸들 닫기
    // 소캣 핸들이 닫히면 할당받은 포트도 다른 곳에서 사용 가능한 상태가 됨
    s.close();

수신측 UDP 소켓 프로그래밍

main() {
    s = socket(UDP);
    // (1) bind() 시 포트 번호를 명시적으로 지정
    // 송신측에서 포트 5959번으로 데이터를 보냈기 때문
    s.bind(5959);
    // (2) recvfrom()을 호출하여 데이터를 받음
    // 데이터가 아직 도착하지 않았으면 함수는 리턴하지 않음 => "블로킹 상태"
    r = s.recvfrom();
    print(r.srcAddrPort, r.data);
    // (출력) => 11.22.33.44:53234 hello
    s.close();
}

UDP 소켓을 이용하면 데이터 송신 뿐 아니라 받는 것도 가능. 즉 수신용 소켓, 송신용 소켓을 따로 만들지 않는다.
UDP의 또 다른 특징은 "다대다 통신"이 가능하다는 점. 상대방의 끝점(호스트 이름 혹은 IP 주소와 포트 값)만 알면 우편 보내듯이 보내면 됨.

TCP 네트워킹

보내는 쪽 데이터가 받는 쪽에서 완전히 동일함을 보장해주는 프로토콜
TCP는 데이터를 주고받기 전 연결
연결 후 보낸 데이터가 받는 쪽에서 정확히 모두 도착한다는 것을 보장
메시지 형태가 아니라 스트림 형태
스트림 형태이기에 a, bb, ccc, dddd 뿐 아니라 abbcccdddd로 받을 수도 있고 abb, cccd, ddd로 받을 수도 있다. => 즉, 데이터를 뭉치거나 쪼갤 수 있음.
UDP는 IP 패킷이 유실이 발생할 경우 UDP 데이터그램도 덩달아 드롭, TCP는 똑같은 상황에서도 데이터가 상대방에게 정확히 전송됨. 이것이 가능한 이유는 TCP 자체가 가지고 있는 흐름 제어 기능(data flow control)때문임.
TCP에서 보낼 스트림 데이터는 세그먼트라는 IP 패킷에 넣을 수 있는 크기의 단위로 쪼개짐. 그리고 IP 패킷 안에 세그먼트를 넣어 수신자에게 전송
수신자는 IP 패킷을 받으면 여기서 세그먼트를 꺼내 받은 세그먼트 응답을 송신자에게 반송. 응답(ack)
보낸 쪽에서는 일정 시간 안에 세그먼트에 대한 ack가 회신되지 않으면, 상대방이 받았다는 응답이 올 때까지 다시 세그먼트를 보냄.

송신측 TCP 소켓 프로그래밍

main() {
    s = socket(TCP);
    s.bind(any_port);
    // (1) connect() 함수는 연결에 성공할 때까지 블로킹됨.
    s.connect("55.66.77.88:5959");
    // (2) 이미 연결이 되었기에 sendTo가 아닌 send 호출
    s.send("hello");
    s.close();
}

수신측 TCP 소켓 프로그래밍

main(){
    s = socket(TCP);
    // (1) s는 listen 소켓 역할
    // listen 소켓은 TCP 연결을 받아들이는 역할
    s.listen(5959);
    // (2) accept()를 실행하면 상대방에게 TCP 연결을 받을 때까지 블로킹됨
    // TCP 연결이 받아지면 새로운 소켓이 생성되며, 소켓의 핸들 값이 리턴됨
    // 상대방과의 통신은 이 새로운 소켓으로 함
    // 새로운 소켓은 listen 소켓이 점유한 포트 값과는 다른 포트 값을 가짐
    s2 = s.accept();
    // (3) 상대방 끝점 확인
    print(getpeeraddr(s2));
    while(true) {	// 네트워크에서의 스트림 특성상 send() 호출 횟수와 recv() 호출 횟수가 일치하지 않을 수 있음
        r = s2.recv();
        // (4) UDP 메시지는 0바이트 메시지도 허락
        // TCP에선 0바이트를 수신하면 '연결 종료'를 의미 (like eof)
        if(r.length == 0)
            break;
        print(r);
    }
    s2.close();
}

UDP 소켓과 마찬가지로 수신용 소켓, 송신용 소켓을 따로 만들지 않는다.

패킷 유실 시 UDP와 TCP에서의 현상

앞서 설명하였듯 OSI 모델의 계층 1~3에서는 패킷 유실이 발생할 수 있음.

UDP: 데이터그램이 유실됨

패킷 유실 시 UDP에서는 데이터그램 자체가 유실됨
UDP 데이터그램의 크기가 클수록 유실될 확률도 높아짐.
- IP 패킷이 1300바이트일 때, 데이터그램이 1만 바이트라면 대략 8개정도로 나뉘어 IP 패킷 8개가 상대방에게 전송된다는 뜻. 이 중 하나라도 유실되면 수신자는 8개를 모두 받지 못하는 것과 같음.