[Network] TCP vs UDP

네트워크 계층과 전송계층

네트워크 계층 중 전송 계층에 해당하는 프로토콜에는 TCP와 UDP두 종류가 있다. 이 프로토콜을 살펴보기 전에 하위 계층인 네트워크 계층에 대해 잠시 생각해 보자. OSI 7 계층에서 3 계층에 해당하는 네트워크 계층은 논리적 주소인 IP를 이용해 통신한다. IP의 역할은 장치 간의 통신(Host to Host)만을 지원한다. 따라서 같은 장치 안에서 여러 프로그램들이 통신할 경우IP만을 가지고는 통신할 수 없다. 따라서 상위 계층인 전송계층에서 포트(port) 번호를 이용하여 문제상황을 해결한다.

 또한 네트워크 계층은 비연결형 프로토콜을 기반으로 동작한다. 이는 패킷이 독립적으로 처리되어 독립적인 경로로 전달된다는 의미이고 수신 확인 과정이 존재하지 않는다는 것을 의미한다. 따라서 Host to Host 즉, 장치에서 장치로 패킷을 보내지만 수신 확인 절차가 없기 때문에 패킷의 손실이나 오류가 발생할 수 있다. 오류가 발생하면 ICMP에서 알려주긴 하지만 단지 알림 기능일 뿐 네트워크 계층에선 대처를 하지 못한다. 따라서 이에 대한 처리를 상위 계층인 전송계층에서 해결해줘야 한다. 

 

TCP vs UDP

네트워크 계층 중 전송 계층에서 사용하는 프로토콜은 가상회선 패킷 교환 방식을 사용하는 TCP와 데이터그램 패킷 교환 방식을 사용하는 UDP로 나눌 수 있다.

💡 패킷 교환
네트워크에서 데이터를 전송하기 위해 사용되는 기술적인 프로세스로 데이터를 패킷으로 분할하고 네트워크를 통해 목적지로 전송하는 과정 통신 기간(연결 기간) 동안 독점적인 사용을 위해 두 노드 사이를 연결(전용 채널)하는 회선 교환 방식과 달리, 패킷 교환 방식은 데이터를 전송하는 동안만 네트워크 자원을 사용한다.

TCP의 연결과정과 연결해제 과정은 간략히 표현

 

TCP (Transmission Control Protocol)

패킷 사이의 순서를 보장하고 연결지향 프로토콜을 사용하여 신뢰성을 구축해 수신 여부를 확인한다. 가상회선 패킷 교환 방식 사용

데이터를 메시지 형태로 보내기 위해 IP와 함께 사용하는 프로토콜이다. 인터넷 계층에서 IP데이터를 네트워크 계층으로 전달하면 TCP는 해당 패킷을 추적 및 관리한다.

• 연결 지향 서비스
  • 연결 설정 : 3-way handshake
  • 연결 해제 : 4-way handshake
  • 흐름제어: 데이터 처리 속도 조절(슬라이딩 윈도우 사용) → 수신자 버퍼 오버플로우 방지
  • 혼잡제어 : 네트워크 내 패킷 수가 과도하게 증가하지 않게 방지
  • 에러제어: 세그먼트의 손실 및 훼손, 순서가 어긋난 경우, 중복된 경우에 대한 처리
  • 에러 정정: ARQ(Automatic Repeat Request)
• 전이중방식 → 양방향 통신 동시 가능
• 점대점(point to point) 방식→ 멀티캐스팅, 브로드 캐스팅 X
• 활용 서비스: 웹, 메일, 파일 전송(FTP, SFTP), 터미널 접속,…

가상회선 패킷 교환 방식

출처:  면접을 위한 CS 전공지식 노트

각 패킷에는 가상회선 식별자가 포함되며 모든 패킷을 전송하면 가상회선이 해제되고 패킷들은 전송된 순서대로 도착하는 방식을 말한다.

• 패킷이 전송되기 전 논리적 접속 설정
• 첫 번째 패킷 전송 전 패킷 헤더에 있는 목적지를 바탕으로 최적의 경로 설정(라우팅)
• 그 이후 패킷은 설정된 경로에 따라 데이터 전송
• 연결지향 네트워크 서비스

 

 

UDP (User Datagram Protocol)

패킷 사이의 순서를 보장하지 않고 비연결지형 프로토콜을 사용하여 수신여부를 확인하지 않는다. 단순히 데이터만 주는 데이터그램 패킷 교환 방식 사용. IP가 제공하는 정도의 수준만 제공한다. TCP와 다르게 에러가 날 수 있고 순서가 뒤바뀔 수 있다. 이 경우에는 결국 상위 계층인 애플리케이션 계층에서 처리해야 한다. 그럼에도 사용하는 이유는 데이터의 신속성 때문이다! 

• 비연결형 서비스
  • 데이터 수신 여부 확인 X → TCP의 연결, 해제 과정 필요 없음
  • 흐름 제어, 혼잡 제어 X → 낮은 신뢰성
• TCP보다 빠른 속도
• 1:1, 1:N, N:N 통신 가능
• 활용 서비스: 실시간 스트리밍, 음성, 파일전송(TFTP), …

데이터그램 패킷 교환 방식

출처:  면접을 위한 CS 전공지식 노트

패킷이 독립적으로 이동하며 최적의 경로를 선택하는 방식을 말한다. 하나의 메시지에서 분할된 여러 패킷은 서로 다른 경로로 전송될 수 있으며 도착한 순서가 다른 수 있다.

• 송신 호스트가 전송하는 패킷마다 경로 배정(라우팅)이 서로 독립적
• 패킷마다 서로 다른 경로를 선택하며 목적지에 전달될 수 있음
• 패킷이 특정 노드에 도착할 당시 목적지까지의 최적 경로를 선택 (노드마다, 매 순간마다 최적 경로 선택)
• 패킷 마다 독립적으로 전송되기 때문에 도착지에 도착하는 패킷의 순서가 바뀔 수 있음
• 송신 호스트는 메시지를 패킷으로 나누는 과정에 일련번호를 지정함으로써 수신 호스트가 패킷을 올바르게 조립할 수 있도록 함(수신자, 순서를 맞추기 위한 버퍼를 두어 재조립→상위계층으로 올림)
• 비연결형 네트워크 서비스
• 송신 호스트와 수신 호스트 사이 긴 메시지를 긴 시간 동안 교환할 경우 가상 회선 방식 유리