TCP-UDP

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September 27, 2022

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by

Songhee Lee

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0. Internet Protocol Suite

인터넷 프로토콜 스위트는 인터넷에서 컴퓨터들이 정보를 주고받는데 쓰이는 프로토콜의 집합으로, 대표적으로 TCP/IP의 4계층 모델 또는 OSI 7계층 모델이 있다.

TCP/IP

TCP/IP는 단순히 TCP와 IP만 일컫는 말이 아니라, 여러 가지 프로토콜의 조합을 의미한다. 다만 TCP와 IP가 가장 많이 사용되며 중요하기 때문에 그렇게 불린다.

4 애플리케이션(응용) 계층 FTP, HTTP, SSH, SMTP, DNS …
3 전송 계층 TCP, UDP, DCCP, SCTP, IL, RUDP, …
2 네트워크 계층 IP (IPv4, IPv6), ARP, RARP(주소 결정 프로토콜)
1 데이터링크 계층 IEEE 802, SDLC, HDLC …


OSI 7 계층

7 응용 계층 HTTP, SMTP, SNMP, FTP, 텔넷, SSH & Scp, NFS, RTSP
6 표현 계층 XDR, ASN.1, SMB, AFP
5 세션 계층 TLS, SSL, ISO 8327 / CCITT X.225, RPC, 넷바이오스, 애플토크
4 전송 계층 TCP, UDP, RTP, SCTP, SPX, 애플토크
3 네트워크 계층 IP, ICMP, IGMP, X.25, CLNP, ARP, RARP, BGP, OSPF, RIP, IPX, DDP
2 데이터 링크 계층 이더넷, 토큰링, PPP, HDLC, 프레임 릴레이, ISDN, ATM, 무선랜, FDDI
1 물리 계층 전선, 전파, 광섬유, 동축케이블, 도파관, PSTN, 리피터, DSU, CSU, 모뎀

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Transportation Layer


☝️여기서 잠깐! vs Network Layer

  • Network Layer(네트워크 계층, 3계층) : 호스트들 간의 논리적 통신을 돕는다.
  • Transport Layer(전송 계층, 4계층) : 응용 프로세스 간의 논리적 통신을 돕는다.


TCP와 UDP는 왜 나오게 됐는가?




TCP (Transmission Control Protocol)

네트워크 상에서 확실한 데이터 전송을 보장하므로 데이터의 신뢰성이 보장된다.

특징

  1. 연결지향적 프로토콜 (Connection-Oriented)

    • TCP를 사용하는 두 어플리케이션이 데이터 교환하기 전에 Connection 되어야 한다.
    • 클라이언트와 서버가 연결된 상태에서 데이터를 주고 받음
    연결 초기화 : 3way handshaking
    • A(클라이언트)가 B(서버)에 접속을 요청하는 STN 패킷 전송. ==> A는 응답을 기다리는 상태 (SYN-SENT)
    • B는 SYN을 받고 요청을 수락하는 ACK와 SYN flag를 보냄. ==> B는 응답 기다림 (SYN-RECEIVED)
    • A는 B에게 ACK 보냄

</div> </details>


연결 해제 : 4-way handshaking
  • A가 연결 종료하겠다는 FIN 전송
  • B는 확인 ACK 전송하고, 자신의 전송이 끝날 때 까지 기다림 ==> TIME-WAIT
  • B가 통신이 끝나면 연결 종료되었다고 FIN 전송
  • A는 B에게 ACK 전송



  1. 신뢰성 (Reliability)

    • 전송한 데이터가 올바르게 도착했는지 확인해 신뢰성을 보장
    데이터 전송 과정
    • 데이터를 전송하기 위한 최적의 크기로 나눈다.
    • TCP가 세그먼트를 보낼 때 타이머를 유지하고, 수신측으로부터 세그먼트에 대한 응답을 기다리다가, 시간 내 수신되지 않으면 재전송한다.
    • TCP가 수신측으로 데이터를 받으면 ACK를 보낸다.
    • TCP는 전송 중 데이터의 변화를 발견하기 위해 헤더와 데이터에 check-sum을 유지한다. 만약 잘못된 체크섬을 가지고 도달하면 TCP는 ACK를 보내지 않게되고 그러면 송신측이 재전송하게 된다.
    • TCP 세그먼트는 순서에 관계없이 도착되므로, 수신하는 TCP는 전송된 데이터를 다시 순서대로 해서 어플리케이션에 정확한 순서로 보낸다.


    여기서 잠깐!

    타이머란 ? 패킷을 전송할 때 TCP는 패킷이 어떻게 전달되는지, 심지어 잘 전달 되는지 알 수 없다. 따라서 응답이 올 때까지 얼마나 기다려야 할지 알 수 없다. 따라서 적절한 타임 아웃을 잡아 해당 시간 내에 ACK를 받지 못하면 데이터를 재전송 하도록 한다.

    타임 아웃은 일반적으로 (패킷이 목적지까지 가는 시간 + 응답이 되돌아 오는 시간)을 고려해서 전한다.


    여기서 잠깐!

    Check-sum 이란? 송신측에서 계산해 저장된 값을 수신측에서 검사해 에러를 검사하기 위한 필드입니다.


</div> </details>


  1. 흐름 제어 (Flow Contorl)

    • 송신측과 수신측의 데이터 처리 속도차이를 해결하기 위한 기법

    • 수신측 처리 속도 > 송신측 처리속도 일 때는 문제 없음

    • 수신자의 버퍼 오버플로우 방지용으로, 수신자가 송신자에게 자신의 상태를 feedback 합니다.
    • 수신자는 윈도우 크기 값으로 수신량을 정하고, 송신하는 TCP가 수신측이 가지고 있는 버퍼의 크기만큼만 데이터를 보내도록 제어


  2. 혼잡 제어 (Congestion Control)

    • 송신측의 데이터 전달과 네트워크 처리 속도 차이를 해결하기 위한 기법
    • 네트워크 내 존재하는 패킷의 수가 과도하게 증가되는 것을 혼잡(congestion)이라고 하는데, 혼잡이 발생하면 네트워크 전체의 속도가 급격하게 감소한다.
      • 한 라우터에 데어터가 몰리면 자신에게 온 데이터를 모두 처리할 수 없고 그렇게 손실된 정보는 다시 재전송 되어야 합니다. 이렇게 혼잡이 가중됩니다.
    • 네트워크 내의 패킷 수가 넘치지 않도록 slow-start 알고리즘을 이용함.
      • 처음부터 윈도우 최대 크기로 보내지 않고 윈도우 크기를 조정해 가면서 전송하는 방식
    • TCP Taho, TCP Reno, TCP Vegas - 혼잡 방지 알고리즘


  3. UDP보다 느리다.



TCP Header

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UDP


특징

  1. 비연결성 (Connectionless)

    • UDP는 연결 설정 없이 데이터를 전송한다. (연결을 위해 할당되는 논리적 경로가 없다.)
    • 추가 시간이 걸리지 않아 빠른 서비스 제공이 가능하다.

  2. 비상태정보 (Non-State)

    연결 정보나 여러 가지 인자에 대한 상태 정보를 저장하지 않는다.

  3. 경량의 오버헤드 (Small Overhead)

    TCP 세그먼트의 헤더는 20바이트인데, UDP 헤더는 8바이트

  4. 비정규적인 송신률 (Unregulated Send Rate)

    TCP의 혼잡제어 매커니즘은 송신측에서 보내는 데이터의 양에 제한을 둔다. 따라서 일부 패킷의 손실이 생겨도 최소 전송률을 요구하는 실시간 전송의 경우 UDP를 사용하는 것이 바람직하다.

  5. 최신형 서비스 (Best Effort)

    • TCP와 달리 응답 기다리지 않고 바로 원하는 서비스를 제공한다.

    • 패킷 손실이 유발될 가능성도 있으나 서비스 지연이 없다.



UDP Header

TCP_vs_UDP_03.jpeg



TCP vs UDP

공통점

  TCP UDP
연결 방식 연결 비연결
패킷 교환 방식 가상 회선 데이터그램
전송 순서 보장 바뀔 수 있음
수신 여부 확인 비확인
통신 방식 1:1 1:1 or 1:N or N:N
신뢰성 높음 낮음
속도 느림 빠름
혼잡제어 O X
흐름제어 O X
Streaming 서비스 불리 유리
전성 단위 (packet) Segment Datagram



QUIC


특징

  1. 0-RTT 연결 설정
    • 알려진 서버에 대한 연결은 0-RTT로 설정
    • 새로운 암호화 키 교환 또는 버전 협상의 경우에만 설정 시간을 증가함
  2. 스트림 멀티 플렉싱
    • UDP를 통해 QUIC 스트림을 다중화해 HOL 블로킹 문제 극복
      • HoL (Head-Of-Line) 블로킹 : 앞선 데이터가 전송에 실패하였을 때, 뒤의 데이터가 앞의 데이터가 다시 보내지는 것을 기다리게 되는 것
    • 각 스트림에서만 순서 보장함
  3. 흐름 제어
    • 수신자는 발신자가 스트림당 보낼 수 있는 총 바이트 수 지정
  4. 혼잡 제어
  5. 연결 마이그레이션
    • 클라이언트 IP 주소 변경 시에도 연결 유지
    • Wi-Fi와 셀룰러 간 전환 시 연결 유지

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예상 질문

전송 계층

OSI의 4계층인 전송 계층은 어떤 역할을 갖나요?

전송 계층은 송신자와 수신자를 연결하는 통신 서비스 제공합니다.

송신 호스트는 데이터 메시지를 세그먼트로 분해하여 네트워크 계층(3계층)으로 전송하고, 수신 호스트는 세그먼트들을 데이터 메시지로 재조립하여 응용 계층으로 전송합니다.

전송 계층은 데이터가 제대로 도착했는지, 오류는 없는지 확인하는 역할을 담당합니다.



TCP

TCP란 무엇인가요? 특징은 어떤게 있나요?

TCP는 Transmission Control Protocol의 약자로 네트워크 상에서 데이터를 신뢰성 있게 전달하기 위해 만들어진 프로토콜입니다.

특징으로는 데이터 전송을 위하 서버와 클라이언트가 연결을 설정해야 한다는 것, 데이터 전달에 신뢰성을 보장하는 것, 그리고 네트워크 상의 혼잡 제어를 제공하는 것 등이 있습니다.


TCP가 데이터 전송의 신뢰성을 보장한다고 했는데, 어떻게 신뢰성을 보장하나요?

우선 데이터 전송의 신뢰성을 두 가지 측면으로 나눌 수 있을 것 같습니다. 하나는 데이터가 잘 전송 되느냐 하는 관점이고 하나는 데이터가 손실되지 않고, 즉 오류 없이 전달 되었느냐는 관점입니다.

먼저 전송의 관점에서는 sequence 번호를 넣어 순서를 갖게 하고, ACK를 통해 받았는지 확인하며, Time-out 장치를 이용해 신뢰성을 높일 수 있습니다.

데이터의 오류의 관점에서는 TCP 헤더에 check-sum을 두어 수신측에서 수신한 데이터가 제대로 도착했는지 확인할 수 있습니다.


ACK를 사용하는 방법으로 데이터 전송의 신뢰성을 보장할 수 있음은 알겠습니다. 그런데 데이터를 보낼 때마다 ACK를 보내면 속도가 늦어질 것 같은데 어떻게 개선할 수 있을까요?


흐름 제어는 어떤 상황에서 사용되나요? 그리고 그 방법은 무엇인가요?

흐름 제어는 수신측의 처리 속도가 송신측의 처리 속도보다 느리면 수신측의 버퍼 오버플로우가 발생하므로 이를 방지하기 위해 필요합니다.

수신측은 ACK를 보낼 때 TCP 헤더에 window size를 보내고, 송신측은 이 크기만큼 수신량을 정해 전달하는 방법으로 해결할 수 있습니다.


혼잡 제어는 어떤 상황에서 사용되나요? 그리고 그 방법은 무엇인가요?

혼잡 제어는 네트워크 상 데이터의 양이 라우터가 처리할 수 있는 양을 초과해 처리하지 못하게 되어 데이터가 손실되고, 이 때문에 재전송이 계속 발생하게 되면서 네트워크가 혼잡해지는 것을 방지하기 위해 필요합니다.

송신 측에서 전송 속도를 적절히 조절해서 예방할 수 있는데, 이를 혼잡 제어라고 합니다.

혼잡 제어의 다양한 기법들이 있는데, 제가 아는 한 가지 방법은 처음 패킷을 보냈을 때 문제가 없으면 윈도우 크기를 2배씩 증가시키며 전송하고, 실패하면 윈도우 크기를 1로 다시 줄이는 slow start 방법이 있습니다.


TCP가 가상 회선 방식을 제공한다는 것의 의미는?

발신지와 수신지를 연결해 패킷을 전송하기 위한 논리적 경로를 배정한다는 뜻이다.

데이터를 보내기 위한 경로배정(라우팅)을 효율적으로 하기 위해 패킷으로 나누고, 패킷 번호를 붙인 다음 같은 목적지인 IP 계층으로 전송합니다.



TCP Header

Check-sum이란 무엇이고 어떻게 오류를 확인하나요?

TCP 세그먼트 송신 도중 발생 될 수 있는 비트 오류를 검출하기 위해 사용합니다. 송신자는 체크섬 계산 알고리즘으로 체크섬을 계산해서 보내고, 수신자는 동일한 알고리즘으로 검사해봄으로써 오류 여부를 판단할 수 있습니다.


체크섬 계산 예시 : TCP 세그먼트를 4바이트 단위로 나눈 후, 각각을 합해서 더한 후 1의 보수를 취해 전달


UDP

UDP를 사용해야 하는 경우는 언제일까요?

UDP의 최대 장점은 처리 속도가 빠르다는 것입니다. 따라서 주로 실시간 방송과 온라인 게임에서 많이 사용됩니다.


DNS는 신뢰성이 보장되어야 할 것 같은데 왜 UDP를 사용하나요?

DNS 요청은 UDP 세그먼트에 들어갈 정도로 작고, 연결 과정이 필요없어 속도 면에서 유용합니다.

신뢰성은 DNS 응용 층에 추가할 수 있습니다.




References