TCP vs UDP(feat.통신 프로토콜이란?)

통신 프로토콜이란?

- 통신 프로토콜은 서로 다른 기기들 사이에서 무엇을, 언제, 어떻게 통신하는지에 대한 절차 및 약속이다.

 

프로토콜의 구성요소

• 구문(Syntax) : 전송하고자 하는 데이터의 형식(Format), 부호화(Coding), 신호 레벨(Signal Level) 등을 규정
• 의미(Semantics) : 두 기기 간의 효율적이고 정확한 정보 전송을 위한 협조 사항을 오류 관리를 위한 제어 정보를 규정
• 시간(Timing) : 두 기기 간의 통신 속도, 메세지의 순서 제어 등을 규정

 

프로토콜 종류

계층	프로토콜
응용(Application)	HTTP, SMTP, FTP, Telnet
표현(Presentation)	ASCII, MPEG, JPEG, MIDI
세션(Session)	NetBIOS, SAP, SDP, NWLink
전송(Transport)	TCP, UDP, SPX
네트워크(Network)	IP, IPX
데이터 링크(Data Link)	Ethernet, Token Ring, FDDI, Apple Talk
물리(Physical)	없음

 

프로토콜의 기능

- 단편화(Fragmentation)와 재합성(Assembly)

 단편화 : 송신 측에서 데이터 블록을 쉽게 전송할 수 있도록 똑같은 크기의 작은 블록으로 나누어 전송

 재합성 : 수신 측에서 쪼개져 도착한 데이터 블록을 합쳐 원래의 메세지로 복원

- 캡슐화(Encapsulation)

 데이터 블록을 각 프로토콜에 적합하도록 정보(플래그, 주소, 제어 정보 등)를 추가하는 기능

- 연결 제어(Connection Control)

 비연결 데이터 전송(데이터그램)과 연결 위주 데이터 전송(가상회선)을 위한 통신로를 개설, 유지, 종결하는 기능

- 흐름 제어(Flow Control)

 데이터 양이나 통신 속도 등이 수신 측의 처리 능력을 초과하지 않도록 조정하는 기능

- 오류 제어(Error Control)

 데이터 전송 중 발생할 수 있는 오류나 착오 등을 검출하고 정정하는 기능

- 순서 결정(Sequencing)

 연결 위주의 데이터를 전송할 때 송신 측이 보내는 데이터 단위 순서대로 수신 측에 전달하는 기능

- 주소 설정(Addressing)

 발생지, 목적지 등의 주소를 명시하여 데이터를 정확하게 전달하는 기능

- 동기화(Synchronization)

 두 통신 객체의 상태(시작, 종료, 검사 등)를 일치시키는 기능

- 다중화(Multiplexing)

 하나의 통신로를 여러 개로 나누거나 회선 여러 개를 하나의 통신로로 변환시켜 다수의 가입자가 동시에 사용할 수 있도록 하는 기능

- 전송 서비스(Transmission Service)

 통신 객체를 사용하기 쉽도록 별도의 서비스(우선순위, 보안성 등)를 제공하는 기능

 

TCP vs UDP

TCP와 UDP는 전송계층에서 사용되는 프로토콜이다.

전송계층은 프로토콜 내에서 송신자와 수신자를 연결하는 통신 서비스를 제공하는 계층인데,

ip에 의해 전달되는 패킷의 오류를 검사하고 재전송 요구 등의 제어를 담당한다.

TCP와 UDP에 대해 알아보고 둘의 차이점을 살펴보자.

 

TCP(Transimission Cpntrol Protocol) - 전송 제어 프로토콜

TCP는 연결 지향적 프로토콜이다.

장치들 사이에 논리적인 접속을 성립하기 위해 연결을 설정해 신뢰성을 보장하는 연결형 서비스이다.

TCP는 네트워크에 연결된 컴퓨터에서 실행되는 프로그램 간에 일련의 옥텟(데이터, 메세지, 세그먼트라는 블록 단위)을 안정적으로, 순서대로, 에러 없이 교환할 수 있게 한다.

 

TCP의 특징

1. 연결형 서비스로 가상 회선 방식을 제공

• 3-way handshaking 과정을 통해 연결을 설정하고,
• 4-way handshaking 과정을 통해 연결을 해제한다.

2. 흐름제어(Flow Control)

• 데이터 처리 속도를 조절하여 수신자의 버퍼 오버플로우를 방지한다.

3. 오류제어(Error Control)

• 통신 도중에 데이터가 유실되거나 잘못된 데이터가 수신되었을 경우 대처한다.

4. 혼잡제어(Congestion Control)

• 네트워크 내의 패킷 수가 과도하게 증가하지 않도록 방지한다.

5. 높은 신뢰성을 보장

• 신뢰성이 높은 전송을 하기 때문에 UDP보다 속도가 느리다.

6. 전이중(Full-Duplex), 점대점(Point to Point) 방식

• 전이중(Full-Duplex) : 전송이 양방향으로 동시에 일어날 수 있다.
• 점대점(Point to Point) : 각 연결이 정확히 2개의 종단점을 가지고 있다.

 

TCP의 연결 및 연결 해제 과정

 

TCP의 연결 과정(3-way handshake)

 

3-way handshake를 간단히 표현하면 다음과 같다.

#1. Client -> Server : 내 말 들려?

#2. Server ->  Client : 어 잘 들렴, 내 말은 들려?

#3. Client -> Server : 잘 들려!

SYN(synchonise sequence numbers) - 연결 확인을 위해 보내는 무작위의 숫자 값

ACK(acknowledgements) - Client 혹은 Server로부터 받은 SYN에 1을 더해 SYN을 잘 받았다는 ACK

 

1. 먼저 Open한 클라이언트가 SYN을 보내고 SYN-SENT상태로 대기한다.

2. 서버는 SYN-RECEIVED상태로 바꾸고 SYN과 응답 ACK를 보낸다.

3. SYN과 응답ACK를 받은 클라이언트는 ESTABLISHED상태로 변경하고 서버에게 응답ACK를 보낸다.

4. 응답ACK를 받은 서버는 ESTABLISHED상태로 변경한다.

상태	설명
CLOSED	연결 수립을 시작하기 전의 기본 상태 (연결없음)
LISTEN	포트가 열린 상태로 연결 요청 대기 중
SYN-SENT	SYN을 요청한 상태
SYN-RECEIVED	SYN 요청을 받고 상대방의 응답을 기다리는 중
ESTABLISHED	연결 수립이 완료된 상태, 서로 데이터를 교환할 수 있다.

 

TCP의 연결 해제 과정 (4-way handshake)

 

4-way handshake를 간단히 표현하면 다음과 같다.

#1. Client -> Server : 나는 다 보냈어, 이제 끊자.

#2. Server ->  Client : 알았어, 잠시만

#3. Server ->  Client : 나도 끊을게.

#4. Client -> Server  : 알았어.

1. 먼저 CLOSE를 실행한 클라이언트가 FIN을 보내고 FIN-WAIN-1상태로 대기한다.

2. 서버는 CLOSE-WAIT로 바꾸고 응답ACK를 전달한다. 동시에 해당 포트에 연결되어 있는 애플리케이션에게 CLOSE를 요청한다.

3. ACK를 받은 클라이언트는 상태를 FIN-WAIT-2로 변경한다.

4.CLOSE요청을 받은 서버 애플리케이션은 종료 프로세스를 진행하고 FIN을 클라이언트로 보내 LASG-ACK상태로 바꾼다.

5. FIN을 받은 클라이언트는 ACK를 서버에 다시 전송하고 TIME-WAIT로 상태를 바꾼다. TIME-WAIT에서 일정 시간이 지나면 CLOSE된다. ACK를 받은 서버도 포트를 CLOSED로 닫는다.

(※TIME-WAIT : 먼저 연결을 끊는 쪽에서 생성되는 소켓으로, 혹시 모를 전송 실패에 대비하기 위해 존재하는 소켓이며,

    TIME-WAIT이 없다면, 패킷의 손실이 발생하거나 통신자 간 연결 해제가 제대로 되지 않을 수 있다.)

상태	설명
ESTABLISTED	연결 수립이 완료된 상태, 서로 데이터를 교환할 수 있다.
FIN-WAIT-1	자신이 보낸 FIN에 대한 ACK를 기다리거나 상대방의 FIN을 기다린다.
FIN-WAIT-2	자신이 보낸 FIN에 대한 ACK를 받았고, 상대방의 FIN을 기다린다.
CLOSE-WAIT	상대방의 FIN을 받은 상태, 상대방 FIN에 대한 ACK를 보내고 어플리케이션에 종료를 알린다.
LAST-ACK	CLOSE-WAIT상태를 처리 후 사진의 FIN요청을 보낸 후 FIN에 대한 ACK를 기다리는 상태
TIME-WAIT	모든 FIN에 대한 ACK를 받고 연결 종료가 완료된 상태, 새 연결과 겹치지 않도록 일정 시간 기다린 후 CLOSED로 전이한다.
CLOSED	연결 수립을 시작하기 전의 기본 상태 (연결 없음)

 

UDP(User Datagram Protocol) - 사용자 데이터그램 프로토콜

UDP는 비연결형 프로토콜이다.

UDP의 특징

1. 비연결형 서비스로 데이터그램 방식을 제공한다.

• 데이터의 전송 순서가 바뀔 수 있다.

2. 데이터 수신 여부를 확인하지 않는다.

• TCP의 3-way handshaking과 같은 과정 X

3. 신뢰성이 낮다.

• 흐름 제어가 없어서 제대로 전송되었는지, 오류가 없는지 확인할 수 없다.

4. TCP보다 속도가 빠르다.

 

5. 1:1 & 1:N & N:N 통신이 가능하다.

 

UDP는 비연결형 서비스 이기 때문에, 연결을 설정하고 해제하는 과정이 존재하지 않는다.

서로 다른 경로로 독립적으로 처리하며, 흐름 제어 또는 혼잡 제어와 같은 기능을 처리하지 않기에 TCP보다 속도가 빠르며 네트워크 부하가 적다는 장점이 있지만, 신뢰성 있는 데이터 전송을 보장하지 못한다.

UDP는 신뢰성 보다는 연속성 있는 전송이 필요할 때 사용하는 프로토콜로 예를 들면, 실시간 서비스에 자주 사용된다.

 

TCP vs UDP

- 그림으로 비교하는 TCP vs UDP

TCP UDP

 

각 프로토콜의 특징을 표로 비교해보면 다음과 같다.

프로토콜 종류	TCP	UDP
연결 방식	연결형 서비스	비연결형 서비스
패킷 교환 방식	가상 회선 방식	데이터그램 방식
전송 순서	전송 순서 보장	전송 순서가 바뀔 수 있음
수신 여부 확인	수신 여부를 확인함	수신 여부를 확인하지 않음
통신 방식	1:1 통신	1:1 or 1:N or N:N 통신
신뢰성	높다.	낮다.
속도	느리다.	빠르다.

 

 

요약하면,

TCP는 연속성보다 신뢰성 있는 전송이 필요할 때 사용되는 프로토콜이며,

UDP는 TCP보다 빠르고 네트워크 부하가 적다는 장점이 있지만, 신뢰성 있는 데이터 전송을 보장하지는 않는다.

그렇기 때문에 신뢰성 보다는 연속성이 중요한 실시간 스트리밍과 같은 서비스에 자주 사용된다. 

 

출처

https://computer-science-student.tistory.com/377

프로토콜(Protocol)이란? - 정의, 기본 요소, 종류, 기능

 

https://dev-coco.tistory.com/144

TCP와 UDP의 특징 및 차이점 알아보기