1. Transport Layer

TCP와 UDP는 TCP/IP의 전송 계층에서 사용되는 프로토콜이다.
전송 계층은 IP에 의해 전달되는 패킷의 오류를 검사하고 재전송 요구 등의 제어를 담당하는 계층이다.

2. TCP

Transmission Control Protocol

TCP는 네트워크 계층 중 전송 계층에서 사용하는 프로토콜로서, 장치들 사이에 논리적인 접속을 성립(establish)하기 위하여 연결을 설정하여 신뢰성을 보장하는 연결형 서비스이다. TCP는 네트워크에 연결된 컴퓨터에서 실행되는 프로그램 간 일련의 Segments를 안정적으로, 순서대로, 에러없이 교환할 수 있게 한다.

2.1 TCP의 특징

연결형 서비스

연결형 서비스로 가상 회선 방식을 제공한다.

• 3-Way Handshaking 과정으로 연결을 설정
• 4-Way Handshaking 과정으로 연결을 해제

흐름 제어(Flow Control)

데이터 처리 속도를 조절하여 수신자의 버퍼 Overflow를 방지.

• 송신하는 곳에서 감당이 안되게 많은 데이터를 빠르게 보내 수신하는 곳에서 문제가 발생하는 것을 막는다.
• 수신자가 Window Size 값으로 수신량을 정할 수 있다.

혼잡 제어(Congestion Control)

네트워크 내의 패킷 수가 넘치게 증가하지 않도록 방지.

• 정보의 소통량이 과다하면 패킷을 조금만 전송하여 혼잡 붕괴 현상이 일어나는 것을 막는다.

높은 신뢰성의 전송(Reliable Transmission)

• Dupack-based retransmission
  • 정상적인 상황에서는 ACK 값이 연속적으로 전송되어야 한다.
  • ACK 값이 중복으로 올 경우 패킷 이상을 감지하고 재전송을 요청한다.
• Timeout-based retransmission
  • 일정시간동안 ACK 값이 수신을 못할 경우 재전송을 요청한다.

전이중, 점대점 방식

• Full-Duplex(전이중)
  전송이 양방향으로 동시에 일어날 수 있다.
• Point to Point(점대점)
  각 연결이 정확히 2개의 종단점을 가지고 있다.

=> 멀티캐스팅이나 브로드캐스팅을 지원하지 않는다.

2.2 TCP Header

Application Layer로 부터 데이터를 받은 TCP는 Header를 추가한 후에 이를 IP로 보낸다.
헤더에는 아래와 같은 정보가 포함된다.

필 드	내 용	크 기
Source Port, Destination Port(송수신자의 포트 번호)	TCP로 연결되는 가상 회선 양단의 송수신 프로세스에 할당되는 포트 주소.	16
Sequence Number(시퀀스 번호)	송신자가 지정하는 순서 번호, 전송되는 바이트 수를 기준으로 증가. SYN = 1 : 초기 시퀀스 번호가 된다. ACK 번호는 이 값에 1을 더한 값. SYN = 0 : 현재 세션의 이 세그먼트의 최초 바이트 값의 누적 시퀀스 번호.	32
Acknowledgment Number(응답 번호)	수신 프로세스가 제대로 수신한 바이트의 수를 응답하기 위해 사용.	32
Data Offset(데이터 오프셋)	TCP 세그먼트의 시작 위치를 기준으로 데이터의 시작 위치를 표현(TCP Header Length)	4
Reserved(예약 필드)	사용하지 않지만 나중을 위한 예약 필드이며 0으로 채워져야 한다.	4
Flag Bit(제어 비트)	CWR, ECE, URG, ACK 등의 제어 번호.	6
Window Size(윈도우 크기)	수신 윈도우의 버퍼 크기를 지정할 때 사용. 0이면 송신 프로세스의 전송 중지.	16
TCP Checksum(체크섬)	TCP 세그먼트에 포함되는 프로토콜 헤더와 데이터에 대한 오류 검출 용도.	16
Urgent Pointer(긴급 위치)	긴급 데이터를 처리하기 위한 URG Flag Bit가 지정된 경우에만 유효	16

Flag Bit(제어 비트) 정보

종 류	내 용
URG	Urgent Pointer 필드가 유효한지 설정.
ACK	ACK Number 필드가 유효한지 설정. 클라이언트가 보낸 최초의 SYN 패킷 이후에 전송되는 모든 패킷은 이 플래그가 설정되어야 한다.
PSH	수신 어플리케이션에 버퍼링된 데이터를 상위 계층에 즉시 전달할 때.
RST	연결의 리셋이나 유효하지 않은 세그먼트에 대한 응답용.
SYN	연결 설정 요구, 동기화 Sequence Number. 양쪽이 보낸 최초의 패킷에만 이 플래그가 설정되어 있어야 한다.
FIN	더 이상 전송할 데이터가 없을 때 연결 종료 의사 표시.

ACK Flag Bit

• ACK는 송신측에 대해 수신측에서 긍정 응답으로 보내지는 전송 제어용 character.
• ACK 번호를 사용하여 패킷이 도착했는지 확인한다.
  송신한 패킷이 제대로 수신되지 않았으면 재송신을 요구한다.

2.3 TCP의 연결 및 해제

TCP Connection(3-Way Handshake)

1. OPEN()을 실행한 클라이언트가 SYN을 보내고 SYN_SENT 상태로 대기한다.
2. 서버는 LISTEN 상태에서 SYN_RCVD 상태로 바뀌고 SYN과 응답ACK를 보낸다.
3. SYN과 응답ACK를 받은 클라이언트는 ESTABLISHED 상태로 변경하고 서버에게 응답 ACK를 보낸다.
4. 응답 ACK를 받은 서버는 ESTABLISHED 상태로 변경한다.

TCP Disconnection(4-Way Handshake)

1. CLOSE()를 실행한 클라이언트가 FIN을 보내고 FIN_WAIT1 상태로 대기한다.
2. 서버는 CLOSE_WAIT으로 바꾸고 응답 ACK를 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_ACK 상태로 바꾼다.
5. FIN을 받은 클라이언트는 ACK를 서버에 다시 전송하고 TIME_WAIT으로 상태를 바꾼다.
   TIME_WAIT에서 일정 시간이 지나면 CLOSED된다. ACK를 받은 서버도 포트를 CLOSED로 닫는다.

❗️ 참고

• 반드시 서버가 CLOSE_WAIT 상태를 갖는 것은 아니다.
• 서버가 먼저 종료하겠다고 FIN을 보낼 수 있고, 이런 경우 서버가 FIN_WAIT1 상태가 된다.
• 누가 먼저 CLOSE를 요청하느냐에 따라 상태가 달라질 수 있다.

3. UDP

User Datagram Protocol

UDP 또한 네트워크 계층 중 전송 계층에서 사용하는 프로토콜로서 데이터를 Datagram 단위로 처리하는 프로토콜이다. 여기서 Datagram이란 독립적인 관계를 지니는 패킷이라는 뜻이다.

TCP와 달리 UDP는 비연결형 프로토콜이다. 즉, 연결을 위해 할당되는 논리적인 경로가 없다는 것인데,
그렇기 때문에 각각의 패킷은 다른 경로로 전송되고 각각의 패킷은 독립적인 관계를 지니게 된다.
이렇게 데이터를 서로 다른 경로로 독립적으로 처리하게 되고, 이러한 프로토콜을 UDP라고 한다.

3.1 UDP의 특징

비연결형 서비스

비연결형 서비스로 데이터그램 방식을 제공한다.

• 연결을 설정하고 해제하는 과정이 존재하지 않는다.
• 서버 소켓과 클라이언트 소켓의 구분이 없다.
• 소켓 대신 IP를 기반으로 데이터를 전송한다.
• Datagram 단위로 전송되며 그 크기는 65535 byte로 크기가 초과하면 잘라서 보낸다.

빠른 속도

서로 다른 경로로 독립적으로 처리하지만 패킷에 순서를 부여하여 재조립을 하거나 흐름 제어 또는 혼잡 제어와 같은 기능도 처리하지 않기에 TCP보다 속도가 빠르며 네트워크 부하가 적다.

오류 검출

UDP 헤더의 CheckSum 필드를 통해 최소한의 오류만 검출한다.

실시간 응용 및 멀티캐스팅 가능

• 빠른 요청과 응답이 필요한 실시간 응용에 적합하다.
• 서버와 클라이언트는 1:1, 1:N, N:N 등으로 연결될 수 있다.

단순한 헤더

• UDP는 TCP 처럼 16 bit의 포트 번호를 사용하나 헤더는 고정크기의 8 byte(TCP는 20 byte)만 사용한다.
• 즉, 헤더 처리에 많은 시간을 요하지 않는다.

3.2 UDP Header

응용 계층으로부터 받은 데이터에 UDP 헤더를 추가한 후에 이를 IP로 보낸다.

필 드	내 용	크 기
Source Port(송신자의 포트 번호)	데이터를 보내는 어플리케이션의 포트 번호	16
Destination Port(수신자의 포트 번호)	데이터를 받을 어플리케이션의 포트 번호	16
Length(데이터의 길이)	UDP 헤더와 데이터의 총 길이	16
CheckSum(체크섬)	데이터 오류 검사에 사용	16

4. TCP VS UDP

공통점

• 포트 번호를 이용하여 주소를 지정한다.
• 데이터 오류 검사를 위한 체크섬이 존재한다.

차이점

• 가장 큰 차이는 신뢰성과 연결성에 있다.
  TCP는 신뢰성있고 연결지향적이지만 UDP는 신뢰성이 없고 비연결적이다.
• TCP는 송신자-수신자 연결이 되어야 통신이 가능하지만 UDP는 연결 없이도 통신이 가능하다.

Flow 차이

장단점

TCP
장점

• 종점간의 연결 개설, 오류 발생시 패킷 재전송, 패킷 전달순서 확인, 중복 패킷 제거, 흐름 제어, 네트워크 오동작시 보고 등을 제공합니다.
• 연속된 흐름(stream)의 데이터 송수신이 가능하며 큰 파일 전송시에도 데이터가
  중간에 끊어지지 않습니다.

단점

• 모든 클라이언트와의 접속마다 소켓을 각각 개설해야 하는 단점이 있습니다.
• 클라이언트 수가 늘면 서버에 부담이 크게 됩니다. 한 컴퓨터에서 동시에 열 수 있는
  파일 수가 제한되듯이 소켓을 많이 개설하면 시스템 자원을 많이 사용하게 됩니다.

UDP
장점

• 프로토콜 헤더의 크기가 작고 연결 지연이 없으므로 간단한 패킷을 주고받는 경우에
  유리합니다.(실시간 서비스 등)
• 메시지를 한번만 보내면 되는 간단한 서비스에 적합. 클라이언트마다 연결을 설정할
  필요가 없으므로 서버의 부담이 적습니다.(메모리 사용 등)

단점

• 패킷의 분실 확인이나 전달 순서를 보장해주지 않습니다.

5. 사용 예

TCP

TCP는 순서를 보장한다는 점과 신뢰도가 있다는 점에서 대부분의 HTTP 통신, 이메일이나 파일 전송처럼 데이터가 순차적으로 도착해야 하는 상황에서 사용된다.

• SSH(Secure Shell)
• FTP(File Transfer Protocol)
• telnet
• SMTP
• IMAP/POP

UDP

UDP는 순서는 보장해주지 못하지만 실시간으로 반응해야 하는 실시간 동영상 플레이어나 게임, 혹은 DNS에서 사용된다.
DNS의 경우 누군가 도메인을 칠때마다 그때 그때 서버와 클라이언트가 커넥션을 맺으면 속도가 느려지기 때문에 UDP를 사용한다.

• Tunneling/VPN
• VoIP(Voice over IP)
• TFTP(Trivial File Transfer Protocol)

채팅에서 TCP를 사용하는 이유

채팅에서 TCP를 사용하는 이유는 연결된 상태에서 순서대로 송신자와 수신자가 보낸 메세지를 그대로 전송할 수 있기 때문이다. 고로 양뱡향통신에 유리하다. (+ UDP는 그 순서를 보장해주지 못하기 때문)