[네트워크] TCP와 UDP의 차이점

hjoon·2021년 8월 28일

Q. TCP와 UDP의 차이점에 대해 설명하세요.

TCP 는 연결 지향형 프로토콜이고 UDP는 데이터를 데이터 그램 단위로 전송하는 프로토콜이다.
TCP는 가상회선을 만들어 흐름제어, 혼잡제어, 오류제어를 통해 신뢰성을 보장하고 UDP 는 신뢰성 보장을 위한 절차가 따로 없다.
그렇기에 TCP는 UDP보다 느리지만 파일 전송과 같은 신뢰성이 중요한 서비스에 사용되고, UDP는 스트리밍, RTP와 같은 연속성이 중요한 서비스에 사용된다.
UDP에 개발자가 직접 신뢰성을 보장하도록 할 수 있다. HTTP/3는 UDP에 추가적인 정의를 통해 신뢰성을 보장한 QUIC이라는 프로토콜을 기반으로 하고 있다.

✅ TCP와 UDP

TCP와 UDP는 TCP/IP 4 Layer에서 전송계층에 사용되는 프로토콜로 목적지 장비까지 전송한 패킷을 상위 특정 응용 프로토콜에게 전달하는 목적을 가진다.

전송계층 : IP에 의해 전달되는 패킷의 오류 검사를 하고 재전송 요구 등의 제어를 담당하는 계층이다.

패킷 : 인터넷 내에서 데이터를 보내기 위한 라우팅(경로배정)을 효율적으로 하기 위해 여러 개로 나눈 데이터 조각이다.

HTTP 웹 통신, 이메일, 파일 전송에 사용된다.

✅ TCP (Transmission Control Protocol)

인터넷 상에서 데이터를 메시지의 형태로 보내기 위해 IP와 함께 사용하는 프로토콜이다

장치들간의 논리적인 접속을 성립시키기 위해 연결을 설정하여 신뢰성을 보장하는 연결형 서비스이다.

네트워크에 연결된 컴퓨터에서 실행되는 프로그램 간에 일련의 옥텟 (데이터, 메시지, 시그먼트라는 블록 단위) 를 안정적, 순차적, 에러 없이 교환할 수 있게 한다.

일반적으로 TCP와 IP를 함께 사용하는데, IP가 데이터 배달 처리를 하면 TCP는 패킷을 추적하고 관리한다.

A, B, C 패킷이 순차적으로 전달되는 상황에서 B가 분실된 경우 목적지에서 A, B, C가 모두 필요한지 모르고 A, C만 보고 다 왔다고 착각할 수 있다.

A, B, C 패킷에 1, 2, 3이라는 번호를 부여하고 목적지에서 이를 재조립하여 패킷의 분실 확인 및 추적을 한다.

📢TCP Header

TCP는 응용 계층으로부터 받은 데이터에 Header를 추가한 뒤 IP로 보낸다.

송수신자의 포트 번호 : TCP로 연결되는 가상 회선 양단의 송수신 프로세스에 할당되는 포트 주소

시퀀스 번호(Sequence Number) : 송신자가 지정하는 순서 번호, 전송되는 바이트 수를 기준으로 증가.

응답 번호(ACK Number) : 수신 프로세스가 제대로 수신한 바이트의 수를 응답하기 위해 사용.

데이터 오프셋(Data Offset) : TCP 세그먼트의 시작 위치를 기준으로 데이터의 시작 위치를 표현(TCP 헤더의 크기)

제어 비트(Flag Bit) : SYN, ACK, FIN 등의 제어 번호

윈도우 크기(Window) : 수신 윈도우의 버퍼 크기를 지정할 때 사용

체크섬(Checksum) : CP 세그먼트에 포함되는 프로토콜 헤더와 데이터에 대한 오류 검출 용도

📢TCP 특징

📌연결형 서비스

연결형 서비스로 가상 회선 방식을 제공한다.

가상 회선 방식을 제공한다는 의미 : 발신지와 수신지를 연결하여 패킷 전송하기 위한 논리적 경로를 배정한다는 의미

3-way handshaking : 목적지와 수신지를 확실히 정하여 정확한 전송을 보장하기 위해 세션을 수립한다. 👉 TCP Connection

4-way handshaking : 세션을 해제한다. 👉 TCP Disconnection

📌흐름제어 (Flow Control)

데이터 처리 속도를 조절하여 수신자의 버퍼 오버플로우를 방지한다.

송신자가 과도한 데이터를 빠르게 보내는 것을 막아 수신자의 문제발생을 방지한다.

수신자가 윈도우 크기 (Window Size) 값을 조절하여 수신량을 정할 수 있다.

📌혼잡제어 (Congestion Control)

네트워크 내의 패킷 수가 넘치지 않게 방지

정보의 소통량이 과다할 경우, 패킷 전송량을 줄여 혼잡 붕괴 현상을 막는다.
👉 CPU를 사용하는 흐름제어, 혼잡제어 기능 때문에 UDP보다 속도가 느리게 된다.

📌신뢰성 높은 전송 (Reliable Transmission)

Dupack-based Retransmission

정상적인 상황에서 ACK 패킷이 연속적으로 전송되어야 한다

ACK 패킷이 중복수신되면 패킷 이상을 감지하고 재전송을 요청한다

Timeout-based Retransmission

일정 시간동안 ACK 패킷 수신을 못하면 재전송을 요청한다 (by Retransmission Timer라는 커널 타이머)

📌전이중, 점대점 방식

전이중 Full-Duplex : 전송이 양방향으로 동시에 일어날 수 있다

점대점 Point-to-Point : 각 연결이 정확히 2개의 종단점을 가진다.
👉 멀티캐스팅, 브로드캐스팅을 지원하지 않는다.

📢TCP 연결과 해제

📌TCP connection : 3-way handshake

모든 TCP connection은 통신을 시작하기 전, 최초의 연결을 위해 3-way handshake를 진행한다.

✍ 1. SYN (synchronize)

첫 번째 단계에서 클라이언트는 서버와 연결하기 위해 SYN 플래그 비트가 설정된 세그먼트를 전송한다. 해당 세그먼트는 TCP 통신의 시작을 알린다.

클라이언트는 SYN 을 보냈으므로 SYN-SENT 상태가 된다

✍ 2. SYN + ACK (Acknowledge)

두 번째 단계에서 서버는 클라이언트로부터 SYN을 받는다. 그리고 나서 SYN + ACK의 플래그 비트가 설정된 세그먼트를 클라이언트에게 전송한다.

서버는 SYN 응답을 받은 상태이므로 SYN-RECEIVED 상태가 된다.

✍ 3. ACK

마지막 단계에서 클라이언트는 서버의 응답(SYN + ACK)을 수신 받았다는 의미로 ACK 플래그가 설정된 세그먼트를 서버로 전송한다.

이후로 클라이언트는 실제 데이터를 전송할 수 있는 상태인 ESTABLISHED 상태가 된다

서버 역시 클라이언트로부터 ACK를 전달받고 ESTABLISHED 상태가 된다

3-way handshake은 SYN FLOODING 공격을 받을 수 있다.

공격자가 사용자에게 SYN만 계속 보내면, 사용자는 정상적 클라이언트로 판단하여 SYN + ACK를 응답하지만
공격자로부터 ACK를 받지 못해 SYN-RECEIVED 상태의 세션이 계속 쌓이게 된다.
👉 세션이 쌓이면 SYN Backlog가 가득차 SYN 소켓 정보를 더 이상 쌓을 수 없어 SYN Drop 이 발생하는 문제점이 생긴다.
🥦 해결 방법 : 커널 파라미터 net.ipv4.tcp_max_syn_backlog, net.ipv4.tcp_synack_retries

net.ipv4.tcp_max_syn_backlog : 세션을 쌓는 공간인 SYN Backlog의 크기를 설정한다. 👉 더 많이 쌓을 수 있게 조절하여 어느 정도 수준의 Backlog도 버틸 수 있도록 한다.

net.ipv4.tcp_synack_retries : SYN에 대한 응답인 SYN + ACK의 재전송 횟수를 설정한다. 👉 SYN-RECEIVED 상태의 소켓 유지를 막을 수 있다.

TIME_OUT 과 재전송

클라이언트는 SYN에 대한 ACK를 받지 못하면 Retransmission Timer라는 커널 타이머에 의해 SYN을 재전송하게 된다.

RTT > RTO인 경우 재전송이 일어난다.

RTO (Retransmission Timeout) : 응답이 오지 않을 때 재전송을 하기까지의 기다릴 시간

RTT (RoundTripTime) : 요청을 보낸 직후 응답을 수신받기까지의 시간

어플리케이션에서 Connection Timeout

Connection Timeout : 최초 handshake 과정에서 SYN, SYN + ACK에서 InitRTO를 사용할 때 재전송이 일어나면 발생하는 에러

InitRTO : 리눅스가 자체적으로 지정한 RTO값이며 1초로 지정되어있다.

InitRTO는 1초로 설정되어 있기 때문에 어플리케이션에서의 Connection Timeout은 3초 이상으로 설정해야 한다.

내가 보낸 SYN (1초) + 상대방의 SYN + ACK (1초) 보다 큰 3초 이상으로 설정한다.

📌TCP disconnection : 4-way handshake

TCP 소켓을 통한 데이터 전송이 완료된 후, 서버와 클라이언트는 연결 해제를 위한 4-way handshake를 진행한다
서버와 클라이언트 간 구분이 없고 Active_Closer (연결 해제 요청을 한 쪽), Passive_Closer (연결 해제 요청을 받은 쪽) 으로 구분된다.

✍ 1. FIN

Active_Closer에서 소켓을 끊기 위해 Passive_Closer 에게 FIN 세그먼트를 전송한다.

Active_Closer 는 Passive_Closer의 종료 요청 확인을 기다리는 의미로 FIN-WAIT1 상태가 된다.

FIN-WAIT1 상태 : 소켓이 프로세스로부터 회수되어 커널이 처리하는 단계에 진입한 상태

Passive_Closer는 Active_Closer으로부터 종료 요청 세그먼트를 받고 CLOSE-WAIT 상태가 된다.

CLOSE-WAIT 상태 : 자신의 소켓 프로세스에게 종료 요청을하며 기다리는 상태

✍ 2. ACK

Passive_Closer 는 종료 신호를 받아 내부적으로 소켓을 종료하겠다는 의미로 FIN에 대한 ACK 세그먼트를 보내게 된다.

Active_Closer 는 종료 신호를 수신했다는 ACK 세그먼트를 전달받고 Passive_Closer 가 소켓을 종료했다는 신호를 기다리는 의미로 FIN-WAIT2 상태가 된다.

Passive_Closer 는 내부 소켓 종료까지 CLOSE-WAIT 상태를 유지한다.

✍ 3. FIN

Passive_Closer 는 내부적으로 소켓이 정상종료 될 경우 이를 Active_Closer 에 알리는 의미로 FIN 신호를 보낸다.

Passive_Closer 는 LASK-ACK 상태가 된다.

Active_Closer 는 Passive_Closer 가 정상 종료되었다는 신호를 전달받고 확인의 의미로 ACK를 보낸다.

이때, ACK가 유실되어 Passive_Closer 측의 소켓이 제거되지 않은 문제점이 발생할 수 있는 이유로 일정시간 대기하는 TIME-WAIT 상태가 된다.

일정 시간 경과 후 소켓을 종료한다.

✍ 4. ACK

Active_Closer는 Passive_Closer로부터 소켓이 정상 종료되었다는 신호를 받고 응답으로 ACK를 보낸다

Passive_Closer는 Active_Closer로부터 자신의 FIN 신호에 대한 응답을 받고 소켓을 종료한다.

📢TCP 서버의 특징

TCP 서버와 클라이언트는 1대1 로 연결된다.

전송 데이터의 크기가 무제한이다. 스트림으로 데이터를 전송한다.

패킷에 대한 응답을 하기 때문에 성능이 낮다. (시간 지연, CPU 소모)

패킷이 손실된 경우 재전송을 요청하기 때문에 Streaming 서비스에 부적합하다.

✅ UDP (User Datagram Protocol)

데이터를 데이터그램 단위로 처리하는 프로토콜이다

데이터그램 : 독립적인 관계를 지니는 패킷이다.

UDP는 TCP와 다르게 비연결형 프로토콜로 연결을 위해 할당되는 논리적인 경로가 없다.
그렇기에 각각의 패킷은 독립적인 관계를 지니며 다른 경로로 전송되고 독립적으로 처리된다.

인터넷 상에서 정보를 주고 받을 때, 정보는 보낸다는 신호, 받는다는 신호 절차 없이 일방적으로 보낸다.

📢UDP Header

송신자의 포트 번호 : 데이터를 보내는 애플리케이션의 포트 번호

수신자의 포트 번호 : 데이터를 받을 애플리케이션의 포트 번호

데이터의 길이 : UDP 헤더와 데이터의 총 길이

체크섬(Checksum) : 데이터 오류 검사에 사용

📢UDP 특징

📌실시간

제약조건이 거의 없고 TCP보다 속도가 매우 빨라 실시간 전송이 필요한 부분에 많이 사용된다

인터넷 전화, Streaming 서비스에 적합하다

📌간단한 트랜잭션

TCP는 connection, disconnection, ACK를 통한 복잡한 트랜잭션이 필요하지만 UDP는 필요없다.

DNS, DHCP, SNMP 에 사용된다.

📌멀티캐스트, 브로드캐스트 가능

전송측과 수신측의 양방 검증이 필요한 TCP와 다르게 UDP에서는 멀티캐스트, 브로드캐스트가 가능하다

IPTV에 사용된다.

📢UDP 서버의 특징

UDP에는 연결 자체가 없기에 서버 소켓, 클라이언트 소켓의 구분이 없다

UDP는 소켓이 아닌 IP 기반으로 데이터 전송을 한다

서버와 클라이언트는 1대1 (Unicast), 1대다 (Broadcast), 다대다 (Multicast) 등으로 연결될 수 있다

흐름제어가 없다 (패킷이 제대로 전송되었는지, 오류가 없는지 확인할 수 없다)

신뢰성보다 성능이 중요한 서비스에 사용된다.

✅ TCP와 UDP의 차이점과 공통점

📢공통점

포트 번호를 이용하여 주소를 지정한다.
데이터 오류 검사를 위한 checksum이 존재한다.

📢차이점

TCP	UDP
연결이 성공해야 통신 가능 : 연결형 프로토콜	연결 없이 통신 가능 : 비연결형 프로토콜
데이터의 경계를 구분하지 않음 : Byte-Stream Service	데이터의 경계를 구분함 : Datagram Service
신뢰성 있는 데이터 전송 : 데이터 재전송 있음	비신뢰성의 데이터 전송 : 데이터 재전송 없음
1대1 통신	1대1, 1대다, 다대다 통신

hjoon

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