[네트워크] TCP와 UDP 비교

OSI 7 layer와 TCP/IP 4 layer

TCP(Transmission Control Protocol)인터넷 상에서 데이터를 메시지 형태로 보내기 위해 IP와 함께 사용하는 프로토콜.

일반적으로 TCP와 IP를 함께 사용하는데, IP가 데이터의 배달을 처리하면 TCP는 패킷을 추적하고 관리한다.
TCP는 연결형 서비스를 지원하는 프로토콜로 인터넷 환경에서 기본으로 사용한다.

TCP 전송 방식 : 가상 회선 방식

발신지와 수신지를 연결하여 패킷을 전송하기 위해 논리적 경로를 배정한다.

TCP의 특징

• 연결형 서비스로 가상 회선 방식을 제공한다.
• 3-way handshaking 과정을 통해 연결을 설정하고 4-way handshaking을 통해 해제한다.
• 흐름 제어 및 혼잡 제어가 가능하다.
• 높은 신뢰성을 보장한다.
• UDP에 비해 속도가 느리다.
• 전이중(Full-Duplex), Point-to-Point 방식

즉, TCP는 연결형 서비스로 신뢰성을 보장한다!

3-way handshaking

목적지와 수신지를 확실하게 해서 정확한 전송을 보장하기 위해 세션을 수립하는 과정

[STEP 1]
A클라이언트는 B서버에 접속을 요청하는 SYN 패킷을 보낸다. 이때 A클라이언트는 SYN을 보내고 SYN/ACK 응답을 기다리는 SYN_SENT 상태가 되는 것이다.

[STEP 2]
B서버는 SYN요청을 받고 A클라이언트에게 요청을 수락한다는 ACK 와 SYN flag 가 설정된 패킷을 발송하고 A가 다시 ACK으로 응답하기를 기다린다. 이때 B서버는 SYN_RECEIVED 상태가 된다.

[STEP 3]
A클라이언트는 B서버에게 ACK을 보내고 이후로부터는 연결이 이루어지고 데이터가 오가게 되는 것이다. 이때의 B서버 상태가 ESTABLISHED이다.

위와 같은 방식으로 통신하는 것이 신뢰성 있는 연결을 맺어 준다는 TCP의 3 Way handshake 방식이다.

4-way handshaking

세션을 종료하기 위해 수행되는 절차

[STEP 1]
클라이언트가 연결을 종료하겠다는 FIN플래그를 전송한다.

[STEP 2]
서버는 일단 확인 메시지를 보내고 자신의 통신이 끝날 때까지 기다리는데 이 상태가 TIME_WAIT상태다.

[STEP 3]
서버가 통신이 끝났으면 연결이 종료되었다고 클라이언트에게 FIN플래그를 전송한다.

[STEP 4]
클라이언트는 확인했다는 메시지를 보낸다.

패킷이 Routing 지연이나 패킷 유실로 인한 재전송 등으로 인해 서버의 FIN 패킷보다 늦게 도착하는 상황이 발생한다면?

Client에서 세션을 종료시킨 후 뒤늦게 도착하는 패킷이 있다면 이 패킷은 Drop 되고 데이터는 유실된다.
이러한 현상에 대비하여 Client는 Server로부터 FIN을 수신하더라도 일정 시간(디폴트 240초) 동안 세션을 남겨놓고 잉여 패킷을 기다리는 과정을 거치게 되는데 이 과정을 "TIME_WAIT"라고 한다.

TCP 서버의 특징

• 서버 소켓은 연결만 담당한다.
• 연결 과정에서 반환된 클라이언트 소켓은 데이터의 송수신에 사용된다.
• 서버와 클라이언트는 1:1로 연결된다.
• 스트림 전송으로 전송 데이터의 크기가 무제한이다.
• 패킷에 대한 응답을 해야 하기 때문에 성능이 낮다. (시간 지연, CPU 소모)
• 스트리밍 서비스에 분리하다. (손실된 경우 재전송 요청을 하므로 시간이 지연될 수 있다.)

패킷
인터넷 내에서 데이터를 보내기 위한 경로 배정(라우팅)을 효율적으로 하기 위해 데이터를 여러 조각으로 나누어 전송한다. 이 조각을 패킷이라고 한다.

TCP에서 패킷을 추적하는 방법

패킷에 번호를 부여하여 패킷 분실을 확인하고 목적지에서 재조립한다.

TCP Flow

UDP(User Datagram Protocol)

데이터를 데이터그램 단위로 처리하는 프로토콜

UDP 전송 방식 : 데이터그램 패킷 교환

• 비연결형 프로토콜이기 때문에 연결을 위해 할당되는 논리적인 경로가 없다.
  그래서 각각의 패킷은 다른 경로로 전송되고, 각 패킷은 독립적인 관계를 지니게 된다.

UDP 특징

• 비연결형 서비스로 데이터그램 방식을 제공한다.
• 정보를 주고받을 때 정보를 보내거나 받는다는 신호 절차를 거치지 않는다.
• UDP 헤더의 CheckSum 필드를 통해 최소한의 오류만 검출한다.
• 신뢰성이 낮다.
• TCP보다 속도가 빠르다.

UDP는 비연결형 서비스이기 때문에 연결을 설정하고 해제하는 과정이 존재하지 않는다.
서로 다른 경로로 독립적으로 처리해도 패킷에 순서를 부여하여 재조립하거나 흐름 제어, 혼잡 제어를 하지 않기 때문에 TCP보다 속도가 빠르며 네트워크 부하가 적다.
하지만 신뢰성 있는 데이터의 전송을 보장하지 못한다.
그래서 신뢰성보다는 연속성이 중요한 실시간 스트리밍 서비스에 자주 사용된다.

UDP 서버의 특징

• UDP에는 연결 자체가 없어서 서버 소켓과 클라이언트 소켓의 구분이 없다.
• 소켓 대신 IP 기반으로 데이터를 전송한다.
• 서버와 클라이언트는 1:1, 1:N, N:M 등으로 연결될 수 있다.
• 데이터그램 단위로 전송되며 크기는 65535 바이트로, 크기가 초과하면 잘라서 보낸다.
• 흐름 제어가 없어서 패킷이 제대로 전송되었는지 오류가 없는지 확인할 수 없다.
• 파일 전송과 같은 신뢰성이 필요한 서비스보다 성능이 중요시되는 경우에 사용된다.

UDP Flow

흐름 제어(Flow Control)

데이터를 송신하는 곳과 수신하는 곳의 데이터 처리 속도를 조절하여 수신자의 버퍼 오버플로우를 방지하는 것.

혼잡 제어(Congestion Control)

네트워크 내의 패킷 수가 넘치게 증가하지 않도록 방지하는 것. 정보의 소통량이 과다하면 패킷을 조금만 전송하여 혼잡 붕괴 현상을 막는다.

TCP vs UDP

유니캐스트

TCP를 기반으로 하나의 송신자가 하나의 수신자에게 데이터를 전송하는 방법.
mac을 기반으로 ip 주소를 목적지로 하는 일대일 통신 방식

브로드캐스트

UDP를 기반으로 자신의 호스트가 속해 있는 네트워크 안에 있는 모든 수신자에게 패킷을 전송하는 방법

브로드캐스트 종류

1. 지정된 브로드캐스트 방식
   1. 네트워크 지정 브로드캐스트
      A 클래스라 가정했을 때 Network-ID.255.255.255의 주소로 브로드캐스트를 해야 한다.
   2. 서브넷 지정 브로드캐스트
      서브넷 마스크를 만들어서 서브넷 내에서만 브로드캐스트 한다.
      
      두 방식 모두 host ID를 1로 만들어서 보낸다.
2. 제한된 브로드캐스트 방식
   송신자가 속해 있는 로컬망에 대한 브로드캐스트를 의미한다.
   항상 브로드캐스팅이 가능하다.
   제한된 브로드캐스트 주소는 255.255.255.255 (mac - ff:ff:ff:ff:ff:ff) 값이다.
   단점 - 수신할 필요 없는 수신자들에게 데이터가 전송된다.

멀티캐스트

UDP 기반으로 하나 이상의 송신자들이 특정한 그룹에 속해있는 하나 이상의 수신자들에게 데이터를 전송하는 방식

번외. 애니캐스트(IPv6)

파일을 네트워크에 요청하면 네트워크에서 가장 빨리 응답할 수 있는 서버가 응답해주는 방식.
DDoS 공격을 막을 수 있는 구조의 통신방식이다.
IPv6에서만 지원한다.

참고 사이트

TCP와 UDP의 특징과 차이
유니케스트 멀티캐스트 브로드캐스트 애니캐스트