TCP와 UDP

😀TCP와 UDP의 공통점과 차이점을 설명해보라는 CS면접질문을 보고 내게 취약한 네트워크CS지식을 보충할 수 있는 좋은 질문이 될 것이라 판단하여 이 포스팅을 정리하게 되었다. TCP와 UDP를 비교 분석해봐라는 질문이기에 TCP와 UDP를 하나씩 천천히 알아보고 비교해보자

전송계층(Transport Layer)

😀TCP와 UDP는 모두 TCP/IP의 전송계층에서 주로 사용되는 프로토콜이다. 때문에 전송계층이 무엇인지, 하는 역할이 무엇인지 알아야 할 필요성이 있다.

TCP/IP 모델의 전송 계층(Transport Layer)은 송신자와 수신자 간의 신뢰성 있는 데이터 전송을 담당하는 계층이다.

패킷이 전송 과정에서 아무 문제 없이 제대로 수신지 컴퓨터에 도착할 수 있도록 패킷 전송을 제어하는 역할을 한다.

이 계층에서는 데이터를 세그먼트(Segment) 또는 데이터그램(Datagram) 단위로 분할하고, 전송을 보장하고 오류를 검출하며, 흐름 제어와 혼잡 제어를 수행한다.

전송계층의 필요성

인터넷 계층이 패킷 전송이라는 중요한 역할을 담당하지만 수신지까지 최적의 경로를 찾아 패킷을 전송할 뿐 수신지 컴퓨터가 인터넷에 존재하는지, 수신지 컴퓨터가 존재하더라도 패킷을 수신할 준비가 되어 있는지, 패킷을 수신할 준비가 되어 있더라도 전송 과정에서 패킷이 손상되거나 유실되지는 않았는지 등의 문제들은 신경 쓰지 않는다.

패킷이 전송 과정에서 아무 문제 없이 제대로 수신지 컴퓨터에 도착할 수 있도록 패킷 전송을 제어할 필요성이 있다.

😀만약 전송계층 없이 전송의 제어를 따로하지 않고 어떤 사태가 발생할까?

• 송신과 수신 데이터 순서의 혼합
  송신자 측에서 배, 딸기, 수박이라는 데이터를 보냈는데 제어를 하지않고 보내게 된다면 데이터의 크기나 전송속도에 따라서 다르게 수신될 것이다.
  

• 각 송신자와 수신자간 처리속도 및 용량문제로 인한 데이터의 손실도 일어날 수 있다.

송신자 측에서 "Hello, Nice to meet you" 라는 데이터를 보냈지만, 이미 수신측의 용량의 한도에서 처리중이라 일부데이터를 잃게 된다면,

수신자 측에서 받은 메시지는 "Hell　,　　　　to　　　you"라는 메지시가 도달할 수도 있다.

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TCP (Transmission Control Protocol)

TCP(Transmission Control Protocol)는 인터넷 프로토콜(IP)의 전송 계층에서 사용되는 연결 지향적인 프로토콜이다.

장치들 사이에 논리적인 접속을 성립(establish)하기 위하여 연결을 설정하여 신뢰성을 보장하는 연결 지향적인 프로토콜

TCP는 네트워크에 연결된 컴퓨터에서 실행되는 프로그램 간에 데이터나 메시지 등을 안정적으로, 순서대로, 에러없이 교환할 수 있도록 한다.

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TCP의 동작 과정

소켓 생성 👉 3Way Handshake 👉 데이터 송신, 수신 👉 4Way Handshake 👉 소켓 연결종료

TCP는 크게 위 과정을 통해 데이터를 송수신 한다.

3Way Handshake는 송신자와 수신자를 연결하기 위한 동작의 과정이고,

4Way Handshake는 송신자와 수신자의 연결을 해지하기 위한 동작의 과정이다.

😀위의 일련의 과정을 세세하게 이해하기 위해서는 TCP Header에 담긴 정보를 알 필요가 있다.

TCP 헤더 정보

응용 계층으로부터 데이터를 받은 TCP는 헤더를 추가한 후에 이를 IP로 보낸다. 헤더에는 아래 표와 같은 정보가 포함된다.

필 드	내 용	크 기
송수신자의 포트 번호	TCP로 연결되는 가상 회선 양단의 송수신 프로세스에 할당되는 포트 주소	16
시퀀스 번호(Sequence Number)	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 세그먼트 데이터의 최초 바이트 값의 누적 시퀀스 번호	32
응답 번호(ACK Number)	수신 프로세스가 제대로 수신한 바이트의 수를 응답하기 위해 사용.	32
데이터 오프셋(Data Offset)	TCP 세그먼트의 시작 위치를 기준으로 데이터의 시작 위치를 표현(TCP 헤더의 크기)	4
예약 필드(Reserved)	사용을 하지 않지만 나중을 위한 예약 필드이며 0으로 채워져야한다.	6
제어 비트(Flag Bit)	SYN, ACK, FIN 등의 제어 번호 -> 아래 추가 설명 참조	6
윈도우 크기(Window)	수신 윈도우의 버퍼 크기를 지정할 때 사용. 0이면 송신 프로세스의 전송 중지	16
체크섬(Checksum)	TCP 세그먼트에 포함되는 프로토콜 헤더와 데이터에 대한 오류 검출 용도	16
긴급 위치(Urgent Pointer)	긴급 데이터를 처리하기 위함, URG 플래그 비트가 지정된 경우에만 유효	16

헤더 정보 중 Flag Bit의 정보

종 류	내 용
URG	긴급 위치를 필드가 유효한지 설정
ACK	응답 번호 필드가 유효한지 설정. 클라이언트가 보낸 최초의 SYN 패킷 이후에 전송되는 모든 패킷은 이 플래그가 설정되어야 한다.
PSH	수신 애플리케이션에 버퍼링된 데이터를 상위 계층에 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	더 이상 전송할 데이터가 없을 때 연결 종료 의사 표시

3Way Handshake

송수신 포트를 연결하기 위한 3Way Handshake는 다음과 같은 세부 과정을 거친다.

1. 클라이언트에서 시퀀스 번호를 초기화한다.
   초기화한 번호를 공유하기 위해서 Flag Bit중 SYN(Synchronize) 패킷을 보낸다.

2. 서버는 SYN을 받고 ACK와 SYN을 응답한다.
   서버는 클라이언트에게 SYN이 잘 도착했다는 것을 알리기 위해 ACK를 설정해서 SYN과 같이 보내준다.

3. 클라이언트는 ACK를 받고, 서버에게 ACK를 응답한다.
   클라이언트는 서버에 다시 ACK가 잘 도착했다는 것을 알리기 위해 한번더 ACK를 설정해서 보내준다.

데이터의 송수신

1. 클라이언트에서 동작을 호출하면 패킷을 만들어 서버에 전달한다.
   클라이언트에서 write()호출하게 되면 HTTP request메시지를 받아 패킷을 만들어 서버에 전달한다.

2. 서버는 동작을 진행하고, 패킷을 만들어 클라이언트에 전달한다.
   클라이언트에서 패킷을 받을 서버는 write()요청에 의해 데이터를 작성하고 패킷을 만들어서 다시 클라이언트에 전달한다.
   이때 Flag bit의 ACK번호는 데이터의 크기에 1을 더한 값을 만들어서 보낸다.
   (ACK번호 11 = 데이터크기10 + 1 )

3. 클라이언트는 서버에서 보낸 패킷을 확인하고 연결을 종료하거나, 다음 동작을 수행한다.
   서버에서 보낸 패킷을 확인하고 다음동작으로 read()를 호출하여 데이터를 읽는다.

4. 2번 과정이 이루어지지 않고 1번과정에서 패킷의 소실로 서버측에서 응답이 없을때는 이전패킷을 재전송한다.
   클라이언트가 서버로 패킷을 전달하는 동안 패킷의 소실로 인해 응답이 없으면 클라이언트는 일정시간 이후 다시 이전패킷을 재전송을 실시하고, 이럼에도 불구하고 응답이 없다면 클라이언트는 데이터 송신작업을 강제로 종료하고 에러를 반환한다.

4Way Handshake

송수신 포트 연결해제를 위한 4Way Handshake는 다음과 같은 세부 과정을 거친다.

1. 클라이언트는 서버에게 FIN(Finish) 패킷을 보낸다.
   클라이언트에서 close()를 호출하게 되면, TCP Header에 제어비트 중 연결끊기를 나타내는 FIN담은 패킷을 서버로 전송한고, 클라이언트는 FIN_WAIT1 상태로 대기한다.

2. 서버는 FIN이 담긴 패킷을 받고, 클라이언트에게 ACK를 보낸다.
   서버는 FIN을 확인하고 상태를 CLOSE_WAIT으로 바꾼뒤 연결종료를 확인했다는 응답을 하기위해 ACK가 담긴 패킷을 보낸다. 동시에 해당 포트에 연결되어 있는 어플리케이션에게 close()를 요청한다. ACK를 받은 클라이언트는 상태를 FIN_WAIT2로 변경한다.

3. 서버는 자신의 데이터 전송이 끝날 때까지 기다린다. 서버의 데이터 전송이 끝나면, 서버는 클라이언트에게 FIN 패킷을 보낸고 LAST_WAIT 상태에 진입한다.

4. 클라이언트는 FIN 패킷을 받고, 서버에게 ACK를 보내고 TIME_WAIT 상태에 진입한다. ACK를 받은 서버는 연결을 끊는다CLOSED. 클라이언트는 일정 시간이 지난 후, 자신의 소켓을 닫는다 CLOSED.

시퀀스(seq)번호와 ACK(ack)번호

아래의 그림은 위의 TCP의 동작과정중 시퀀스번호와 ACK번호의 변화를 나타낸 것이다.

⛔클라이언트와 서버의 시퀀스 번호는 x, y로 서로 독립적인 번호이다. 예시에서 참고되는 숫자는 0,1,11,12밖에 없다고 함부로 x = y라고 판단해서는 절대로 안된다. 예시서는 0의 시퀀스 번호로 시작되는 예시이지만, 실제로는 랜덤한 값이 난수로 된 시퀀스번호로 시작된다.

• seq와 ack는 연결과정과, 해제과정에서 서로 변동되며 +1값을 더 하지만, 데이터를 전송할 시 데이터의 크기만큼 수가 증가하며 1을 더하지 않는다.

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TCP의 특징

• 연결형 서비스
  연결형 서비스로 가상 회선 방식을 제공한다.
  3-way handshaking 과정을 통해 연결을 설정
  4-way handshaking 을 통해 연결을 해제.

• 흐름제어(Flow control)
  데이터 처리 속도를 조절하여 수신자의 버퍼 오버플로우를 방지
  송신하는 곳에서 감당이 안되게 많은 데이터를 빠르게 보내 수신하는 곳에서 문제가 일어나는 것을 막는다.
  수신자가 윈도우크기(Window Size) 값을 통해 수신량을 정할 수 있다.

• 혼잡제어(Congestion control)
  네트워크 내의 패킷 수가 넘치게 증가하지 않도록 방지
  정보의 소통량이 과다하면 패킷을 조금만 전송하여 혼잡 붕괴 현상이 일어나는 것을 막는다.

• 신뢰성이 높은 전송(Reliable transmission)

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

• 전이중, 점대점 방식
  멀티캐스팅이나 브로드캐스팅을 지원하지 않는다.

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

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UDP (User Datagram Protocol)

인터넷 프로토콜(IP)의 전송 계층에서 사용되는 비 연결지향형 프로토콜이다.

UDP는 비 연결지향형 이기 때문에 데이터를 받게될 수신자(서버)가 받을 준비가 되었는지 확인하는 과정을 거치지 않는다.

UDP의 전송 방식은 너무 단순해서 서비스의 신뢰성이 낮고, 데이터그램 도착 순서가 바뀌거나, 중복되거나, 심지어는 통보 없이 누락시키기도 한다. UDP는 일반적으로 오류의 검사와 수정이 필요 없는 애플리케이션에서 사용한다.

UDP 헤더 정보

필드	내용	크기
송수신자의 포트 번호	UDP로 연결되는 가상 회선 양단의 송수신 프로세스에 할당되는 포트 주소	각각 2　　　 　　총합 4
UDP 길이	헤더와 데이터를 포함한 UDP 데이터그램의 전체 길이	2
UDP 체크섬	헤더와 데이터를 포함한 사용자의 데이터 그램에 대한 오류 검사를 하기 위한 필드	2

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UDP의 특징

• UDP는 데이터를 보내기 전에 연결을 설정하지 않으며, 데이터를 보낸 후에도 연결을 끊지 않는다.

• 전송 속도가 빠르고, 오버헤드가 적다.

• 데이터 전송 중 손실이나 중복 전송 등의 오류가 발생할 수 있으며, 데이터의 순서가 보장되지 않는다.

• 주로 신뢰성이 낮은 데이터 전송한다.

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TCP와 UDP의 비교

TCP	UDP
Connection-oriented protocol 　　　　　(연결지향형 프로토콜)	Connection-less protocol 　　　　　　　　(비 연결지향형 프로토콜)
Connection by byte stream 　　　　(바이트 스트림을 통한 연결)	Connection by message stream 　　　　　　　　(메세지 스트림을 통한 연결)
Congestion / Flow control 　　　　　　(혼잡제어, 흐름제어)	NO Congestion / Flow control 　　　　　　　　(혼잡제어와 흐름제어 지원 X)
Ordered, Lower speed 　　　　(순서 보장, 상대적으로 느림)	Not ordered, Higer speed 　　　　　　(순서 보장되지 않음, 상대적으로 빠름)
Reliable data transmission 　　　(신뢰성 있는 데이터 전송 - 안정적)	Unreliable data transmission 　　　　　　　　　(데이터 전송 보장 X)
TCP packet : Segment 　　　　　　(세그먼트 TCP 패킷)	UDP packet : Datagram 　　　　　　　　　(데이터그램 UDP 패킷)
HTTP, Email, File transfer에서 사용	DNS, Broadcasting(도메인, 실시간 동영상 서비스에서 사용)

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참고자료(출처)
티스토리 Sam 3 포스팅 쉽게 이해하는 네트워크 16. TCP/IP 전송 계층(트랜스포트 계층)과 포트(Port) 번호
우아한테크 유튜브동영상 [10분 테코톡] 칙촉의 TCP/UDP
우아한테크 유튜브동영상 [10분 테코톡] 👨‍🏫르윈의 TCP UDP
썸네일 이미지 출처 기글하드웨어 커뮤니티 포스팅
위키백과 검색결과 [사용자 데이터그램 프로토콜], [전송 제어 프로토콜]
gitlab io 김땡땡 포스팅 전송층 인터넷 프로토콜, UDP, TCP
Velog hi daehyunlee 포스팅 TCP 와 UDP 차이를 자세히 알아보자