[TCP/UDP] TCP와 UDP의 특징과 차이

오늘은 네트워크의 계층들 중 전송 계층에서 사용하는 프로토콜에 대해서 알아보려고 합니다. 

전송계층은 송신자와 수신자를 연결하는 통신서비스를 제공하는 계층으로, 쉽게 말해 데이터의 전달을 담당합니다. 

그리고 데이터를 보내기 위해 사용하는 프로토콜이 있는데, 그 프로콜들이 바로 오늘의 주인공 TCP와 UDP입니다.

원래 TCP와 UDP에 대한 글을 포스팅 할 생각은 1도 없었는데, UDP 채팅 서버를 구현해야하는 과제를 하는 과정에서 부족함을 느끼고 공부의 목적으로 포스팅을 결심했습니다. 많이들 알고 계실텐데 그래도 확실히 집고 넘어가면 좋을 것 같습니다

전송계층이 어디있나 헷갈리시는 분들을 위해 OSI 7layer와 TCP/IP 4layer에 대한 사진도 첨부합니다~

 

 

 

1. TCP(Transmission Control Protocol)

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TCP를 해석하면 전송을 제어하는 프로토콜(규약)이라는 뜻인데, 이는 아래의 정의와 별 다를바 없습니다.

 

       인터넷상에서 데이터를 메세지의 형태로 보내기 위해 IP와 함께 사용하는 프로토콜

 

일반적으로 TCP와 IP를 함께 사용하는데, IP가 데이터의 배달을 처리한다면 TCP는 *패킷을 추적 및 관리하게 됩니다. 

TCP는 연결형 서비스를 지원하는 프로토콜로 인터넷 환경에서 기본으로 사용합니다. 이 말을 들으면 다음과 같은 생각이

떠오를 수 있습니다. 오잉? 비연결형인 서비스가 존재하는건가? 그리고 TCP와 달리 UDP는 왜 기본으로 사용되지 않지??

이러한 질문에 대한 대답은 TCP와 UDP가 각각 다른 특성을 가지고 있기 때문인데요, TCP는 아래와 같은 특징을 지닙니다.

 

[ TCP 특징 ]

• 연결 지향 방식으로 패킷 교환 방식을 사용한다(가상 회선 방식이 아님).
• 3-way handshaking과정을 통해 연결을 설정하고 4-way handshaking을 통해 해제한다.
• 흐름 제어 및 혼잡 제어.
• 높은 신뢰성을 보장한다.
• UDP보다 속도가 느리다.
• 전이중(Full-Duplex), 점대점(Point to Point) 방식.

 

TCP가 연결 지향 방식이라는 것은 패킷을 전송하기 위한 논리적 경로를 배정한다는 말입니다. 그리고 3-way handshaking과정은 목적지와 수신지를 확실히 하여 정확한 전송을 보장하기 위해서

세션을 수립하는 과정을 의미합니다. TCP가 이러한 특징을 지니는 이유는 간단명료합니다.

바로 TCP는 연결형 서비스로 신뢰성을 보장하기 때문입니다. 그래서 3-way handshaking의 과정도 사용하는 것이고,

 데이터의 흐름제어나 혼잡 제어와 같은 기능도 합니다. 하지만 이러한 기능때문에 UDP보다 속도가 느리게 됩니다.

(이러한 기능은 CPU를 사용하기 때문에 속도에 영향을 주는 것입니다.)

그렇기에 TCP는 연속성보다 신뢰성있는 전송이 중요할 때에 사용하는 프로토콜로 예를 들면 파일 전송과 같은 경우에 사용됩니다!

 

 

[ TCP 서버의 특징 ]

• 서버소켓은 연결만을 담당한다.
• 연결과정에서 반환된 클라이언트 소켓은 데이터의 송수신에 사용된다
• 서버와 클라이언트는 1대1로 연결된다.
• 스트림 전송으로 전송 데이터의 크기가 무제한이다.
• 패킷에 대한 응답을 해야하기 때문에(시간 지연, CPU 소모) 성능이 낮다.
• Streaming 서비스에 불리하다.(손실된 경우 재전송 요청을 하므로)

 

Q) 패킷(Packet)이란?

 

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

 

 

Q) TCP는 패킷을 어떻게 추적 및 관리하나요?

 

위에서 데이터는 패킷단위로 나누어 같은 목적지(IP계층)으로 전송된다고 설명하였습니다. 예를 들어 한줄로 서야하는 A,B,C라는 사람(패킷)들이 서울(발신지)에서 출발하여 부산(수신지)으로 간다고 합시다. 그런데 A,B,C가 순차적으로 가는 상황에서 B가 길을 잘못 들어서 분실되었다고 합시다. 하지만 목적지에서는 A,B,C가 모두 필요한지 모르고 A,C만 보고 다 왔다고 착각할 수 있습니다. 그렇기 때문에 A,,B,C라는 패킷에 1,2,3이라는 번호를 부여하여 패킷의 분실 확인과 같은 처리를 하여 목적지에서 재조립을 합니다. 이런 방식으로 TCP는 패킷을 추적하며, 나누어 보내진 데이터를 받고 조립을 할 수 있습니다.

 

 

 

2. UDP(User Datagram Protocol)

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UDP를 해석하면 사용자 데이터그램 프로토콜(규약)이라는 뜻인데 풀어 해석하면 아래와 같습니다.

 

       데이터를 데이터그램 단위로 처리하는 프로토콜

 

여기서 데이터그램이란 독립적인 관계를 지니는 패킷이라는 뜻으로, UDP의 동작방식을 설명하자면 다음과 같습니다.

위에서 대충 눈치채셨듯이 TCP와 달리 UDP는 비연결형 프로토콜입니다. 즉, 연결을 위해 할당되는 논리적인 경로가 없는데, 

그렇기 때문에 각각의 패킷은 다른 경로로 전송되고, 각각의 패킷은 독립적인 관계를 지니게 되는데 이렇게 데이터를 서로

다른 경로로 독립적으로 처리하게 되고, 이러한 프로토콜을 UDP라고 합니다. 

 

 

[ UDP 특징 ]

• 비연결형 서비스로 데이터그램 방식을 제공한다
• 정보를 주고 받을 때 정보를 보내거나 받는다는 신호절차를 거치지 않는다.
• UDP헤더의 CheckSum 필드를 통해 최소한의 오류만 검출한다.
• 신뢰성이 낮다
• TCP보다 속도가 빠르다

 

UDP는 비연결형 서비스이기 때문에, 연결을 설정하고 해제하는 과정이 존재하지 않습니다. 서로 다른 경로로 독립적으로

처리함에도 패킷에 순서를 부여하여 재조립을 하거나 흐름 제어 또는 혼잡 제어와 같은 기능도 처리하지 않기에 TCP보다

속도가 빠르며 네트워크 부하가 적다는 장점이 있지만 신뢰성있는 데이터의 전송을 보장하지는 못합니다. 그렇기 때문에

신뢰성보다는 연속성이 중요한 서비스 예를 들면 실시간 서비스(streaming)에 자주 사용됩니다.

 

 

[ UDP 서버의 특징 ]

• UDP에는 연결 자체가 없어서(connect 함수 불필요) 서버 소켓과 클라이언트 소켓의 구분이 없다.
• 소켓을 활용해 IP와 PORT를 기반으로 데이터를 전송한다.
• 서버와 클라이언트는 1대1, 1대N, N대M 등으로 연결될 수 있다.
• 데이터그램(메세지) 단위로 전송되며 그 크기는 65535바이트로, 크기가 초과하면 잘라서 보낸다.
• 흐름제어(flow control)가 없어서 패킷이 제대로 전송되었는지, 오류가 없는지 확인할 수 없다.
• 파일 전송과 같은 신뢰성이 필요한 서비스보다 성능이 중요시 되는 경우에 사용된다.

 

Q) 흐름제어(Flow Control)와 혼잡제어(Congestion Control)이란?

 

흐름제어는 데이터를 송신하는 곳과 수신하는 곳의 데이터 처리 속도를 조절하여 수신자의 버퍼 오버플로우를 방지하는 것입니다. 예를 들어 송신하는 곳에서 감당이 안되게 데이터를 빠르게 많이 보내면 수신자에서 문제가 발생하기 때문입니다.

혼잡제어는 네트워크 내의 패킷 수가 넘치게 증가하지 않도록 방지하는 것입니다. 만약 정보의 소통량이 과다하면

패킷을 조금만 전송하여 혼잡 붕괴 현상이 일어나는 것을 막습니다.

 

 

 

3. TCP와 UDP의 비교

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위의 설명을 통해 TCP와 UDP에 대해 어느정도 이해가 가셨나요? 또 중요한 것이 TCP와 UDP의 차이를 인지하는

것이기 때문이 여기서는 표를 사용하여 두 프로토콜을 비교해보도록 하겠습니다.

 

 

 

4. 기타 자료

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위에서 설명을 하는 데에 모호한 부분이나 다른 영역에서 부족한 개념이 있으실까 하여 도움이 될만한 자료를

여기서 추가해보고자 합니다. 저도 참고했던 자료이니 만큼 도움이 많이 되리라 생각합니다!

 

[ 교환 방식 ]

 

 

[ TCP Flow ]

 

 

 

[ UDP Flow ]

 

 

 

 

 

참고로 오늘날 실무에서는 스트리밍과 같은 실시간 서비스에서도 TCP 통신이 주로 사용된다고 합니다. 하지만 HTTP3 스펙에서는 UDP가 기본 프로토콜로 채택되면서, 이후에는 어떻게 될지 지켜봐야할 것 같습니다ㅎㅎ