[Reference] TCP / UDP

TCP / UDP란?

OSI7 계층 중 전송 계층에 해당하며, 전송 계층은 송신자와 수신자를 연결하는 통신 서비스를 제공하는 계층으로, 쉽게 말해 데이터의 전달을 담당한다.
데이터를 보내기 위해 사용하는 프로토콜이 있는데, 그 프로토콜이 TCP와 UDP다.

TCP(Transmission Control Protocol)

인터넷상에서 데이터를 메세지의 형태로 보내기 위해 IP와 함께 사용하는 프로토콜.

일반적으로 TCP와 IP를 함께 사용하는데, IP가 데이터의 배달을 처리한다면, TCP는 패킷을 추적 및 관리하게 된다. TCP는 연결형 서비스를 지원하는 프로토콜로 인터넷 환경에서 기본으로 사용된다.
데이터를 전송하기 전에 논리적 연결이 설정되는데, 이를 가상회선이라고 한다.

패킷
인터넷 내에서 데이터를 보내기 위한 경로배정(라우팅)을 효율적으로 하기 위해서 데이터를 여러 개의 조각들로 나누어 전송을 하는데, 이때 이 조각을 패킷이라고 한다.

특징

• 연결 지향 방식으로 패킷 교환 방식을 사용한다.
• 3-way handshaking과정을 통해 연결을 설정하고, 4-way handshaking을 통해 해제한다.
• 흐름 제어 및 혼잡 제어
• 높은 신뢰성을 보장한다.
• UDP보다 속도가 느리다.

3-way handshaking 과정은 수신지를 확실히 하여 정확한 전송을 보장하기 위해서 세션을 수립하는 과정을 의미한다.
TCP가 이런 특징을 지니는 이유는 연결형 서비스로 신뢰성을 보장하기 때문이다.
하지만 3-way handshaking이나 흐름제어 및 혼잡 제어와 같은 기능 때문에 UDP보다 속도가 느리다.(이런 기능은 CPU를 사용하기 때문에 속도에 영향을 준다.)
따라서, TCP는 연속성보다 신뢰성있는 전송이 중요할 때 사용하는 프로토콜로 파일 전송과 같은 경우에 사용된다.

UDP(User Datagram Protocol)

데이터를 데이터그램 단위로 처리하는 프로토콜

데이터그램이란 독립적인 관계를 지니는 패킷이라는 뜻으로, TCP와 달리 UDP는 비연결형 프로토콜이다.
즉, 연결을 위해 할당되는 논리적인 경로가 없기 때문에, 각각의 패킷은 다른 경로로 전송되고, 각각의 패킷은 독립적인 관계를 지니게 되어 데이터를 각각 다른 경로로 독립적으로 처리하게 된다.

특징

• 비연결형 서비스로 데이터그램 방식을 제공한다.
• 정보를 주고 받을 때, 정보를 보내거나 받는다는 신호절차를 거치지 않는다.
• 신뢰성이 낮다.
• TCP보다 속도가 빠르다.

UDP는 비연결형 서비스이기 때문에, 연결하고 해제하는 과정이 존재하지 않는다.
서로 다른 경로로 독립적으로 처리함에도 패킷에 순서를 부여하여 재조립을 하거나 흐름 제어 또는 혼잡 제어와 같은 기능도 처리하지 않기 때문에 TCP보다 속도가 빠르며 네트워크 부하가 적다는 장점이 있지만, 신뢰성있는 데이터의 전송을 보장하지는 못합니다.
따라서, 신뢰성보다는 연속성이 중요한 서비스로 실시간 서비스(streaming)에 자주 사용된다.

TCP / UDP 비교

• 연결 방식
  • TCP : 연결형 서비스(패킷 교환 방식)
  • UDP : 비 연결형 서비스(데이터그램 방식)
• 전송 순서
  • TCP : 전송 순서 보장
  • UDP : 전송 순서 보장X
• 수신 여부 확인
  • TCP : 확인
  • UDP : 확인X
• 통신 방식
  • TCP : 1:1 통신
  • UDP : 1:1 OR 1:N OR N:N 통신
• 신뢰성
  • TCP : 높다
  • UDP : 낮다
• 속도
  • TCP : 느리다
  • UDP : 빠르다

흐름 제어(Flow Control)

• 데이터를 송신하는 곳과 수신하는 곳의 데이터 처리 속도를 조절하여 수신자의 버퍼 오버플로어를 방지하는 것이다.
• 수신측이 송신측 보다 데이터 처리 속도가 느릴 경우 문제가 발생한다.
• 수신측에서 제한된 저장 용량을 초과한 이후에 도착한 데이터는 손실될 수 있다.
• 기본 개념은 수신측에서 송신측에 현재 자신의 상태를 feedback 하는 것이다.

흐름 제어 방법

• Stop and Wait : 매번 전송한 패킷에 대해 확인 응답을 받아야 다음 패킷 전송
• Sliding Window
  • 수신측에서 설정한 window 크기만큼 송신측에서 확인 응답 없이 세그먼트를 전송할 수 있게 하여, 데이터 흐름을 동적으로 조절하는 제어기법.

Window 크기 : 단위 시간 내에 보내는 패킷의 수

혼잡 제어(Congestion Control)

• 네트워크 내의 패킷 수가 과도하게 증가하는 현상을 혼잡이라 하며, 혼잡 현상을 방지하거나 제거하는 기능을 ‘혼잡 제어’라고 한다.
• 네트워크의 데이터 처리 속도 차이를 해결하기 위한 기법이다.
• 한 라우터에 데이터가 몰릴 경우에 모든 데이터를 처리할 수 없게 되는데, 이 경우 호스트들은 재전송하게 되어 오버플로우나 데이터 손실을 발생시키게 된다.
• 이런 네트워크의 혼잡을 피하기 위해 송신측에서 보내는 데이터의 전송 속도를 강제로 줄이는 작업이다.

혼잡 제어 방법

• AIMD(Additive Increase / Multiplicative Decrease)
  • 처음에 패킷을 하나씩 보내고, 문제 없이 도착하면 window 크기를 1씩 증가시켜가며 전송하는 방법
  • 패킷 전송에 실패하거나 일정 시간을 넘으면 보내는 속도를 절반으로 줄인다.
  • 초기에 네트워크의 높은 대역폭을 사용하지 못해 시간이 오래걸리는 문제점이 존재한다.
• Slow Start
  • AIMD와 마찬가지로 패킷을 하나씩 보내면서 패킷이 문제없이 도착하면 각각의 ACK 패킷마다 window size를 1씩 늘려준다.
    • 즉, 한 주기가 지나면 window size가 2배가 된다.
  • 혼잡 현상이 발생하면 window size를 1로 초기화 한다.
  • 혼잡 현상이 발생했던 window size의 절반까지는 지수 함수 꼴로 증가시키고, 그 이후 부터는 1씩 증가.