(SEB_FE) Section3 Unit6 TCP/IP

패킷교환 방식의 이점에 대해 이해한다.
IP의 비순서성, 비신뢰성에 대해 이해한다.
TCP의 3 way handshake 및 그와 비교되는 UDP에 대해 이해한다.

🍎네트워크의 시작

지금은 우리의 일상에서 너무나 중요한 요소가 되어버린 '인터넷'
이 인터넷이 대중화 되면서 '네트워크'는 컴퓨터 기술에서 뺄 수 없는 분야가 되었다.

이러한 네트워크는 어디서부터 시작된 걸까?

지금 우리가 사용하는 인터넷 프로토콜, 즉 IP 기반의 네트워크는 미 국방성에서 1969년 진행했던 아르파넷(ARPANET) 프로젝트에서 시작되었다.

🍒 아르파넷 프로젝트

당시 냉전시대에서 핵전쟁을 대비하기 위한 통신망 구축을 위해 추진된 프로젝트.
이때 기존에 사용되었던 <회선교환 방식>이 아닌 <패킷교환 방식>으로 네트워크를 구축하게 되는데 이를 토대로 현재의 인터넷 통신 방식의 기반이 세워졌다.

🍒 패킷교환 방식

회선이 사용 중이면 하염없이 기다려야 하는 회선교환 방식의 단점을 보완한 방식.

마치 소포를 보내듯이, 패킷이라는 단위로 데이터를 잘게 나누어 전송하는 방식이다.

그래서 각 패킷에는 출발지와 목적지 정보가 있고 이에 따라 패킷이 목적지를 향해 가장 효율적인 방식으로 이동할 수 있도록 한다.

이를 이용하면 특정 회선이 전용선으로 할당되지 않기 때문에 빠르고 효율적으로 데이터를 전송할 수 있다.

그래서 인터넷 프로토콜, 줄여서 IP는 출발지와 목적지의 정보를 IP 주소라는 특정한 숫자값으로 표기하고 패킷단위로 데이터를 전송하게 되었다.

🍎IP(인터넷 프로토콜)

출발지에서 목적지까지 데이터가 무사히 전달되기 위해 흔히 말하는 IP(인터넷 프로토콜) 주소를 컴퓨터에 부여하여 이를 이용해 통신한다.

IP는 지정한 IP 주소(IP Address)에 패킷(Packet)이라는 통신 단위로 데이터 전달을 한다.
(Packet = pack과 bucket이 합쳐진 단어로 소포로 비유할 수 있다.)

• IP 패킷에는 우체국 송장처럼 전송 데이터를 무사히 전송하기 위해 출발지 IP, 목적지 IP와 같은 정보가 포함되어 있다.

서버에서 무사히 데이터를 전송받는다면 서버 역시 IP 패킷을 이용해 응답을 전달한다.

🍒 IP의 한계

🔹1. 비연결성

만약 패킷을 받을 대상이 없거나 서비스 불능 상태여도 클라이언트는 서버의 상태를 파악할 방법이 없기 때문에 패킷을 그대로 전송하게 된다.

🔹2. 비신뢰성

중간에 있는 서버가 데이터를 전달하던 중 장애가 생겨 패킷이 중간에 소실되더라도 클라이언트는 이를 파악할 방법이 없다.

또한 전달 데이터의 용량이 클 경우 이를 패킷 단위로 나눠 데이터를 전달하게 되는데
이때 패킷들은 중간에 서로 다른 노드를 통해 전달될 수 있다.
➡ 이렇게 되면 클라이언트가 의도하지 않은 순서로 서버에 패킷이 도착할 수 있다.

🍎TCP vs UDP

IP의 한계를 어떻게 보완할 수 있을까?

네트워크 프로토콜 계층은 다음과 같이 OSI 7계층과 TCP/IP 4계층으로 나눌 수 있다.

IP 프로토콜 보다 더 높은 계층에 TCP 프로토콜이 존재하기 때문에
앞서 다룬 IP 프로토콜의 한계를 보완할 수 있다.

예시로 채팅 프로그램에서 메시지를 보낼 때를 살펴보자.

1. 먼저 HTTP 메시지가 생성되면 Socket을 통해 전달된다.

   • 네트워크 소켓(Socket):
     프로그램이 네트워크에서 데이터를 송수신할 수 있도록, “네트워크 환경에 연결할 수 있게 만들어진 연결부“

2. IP 패킷을 생성하기 전 TCP 세그먼트를 생성한다.

   • 이렇게 생성된 TCP/IP 패킷은 LAN 카드와 같은 물리적 계층을 지나기 위해 이더넷 프레임 워크에 포함되어 서버로 전송된다.

🍎TCP/IP 패킷

🍒 TCP(Transmission Control Protocol)

TCP 세그먼트는

• IP 패킷의 출발지 IP와 목적지 IP 정보를 보완할 수 있는 출발지 PORT
• 목적지 PORT, 전송 제어, 순서, 검증 정보 등을 포함 하고 있다.

TCP의 특징 세가지를 알아보자.

🔹1. 연결지향형 프로토콜

TCP는 장치들 사이에 논리적인 접속을 성립하기 위하여 3 way handshake를 사용하는 연결지향형 프로토콜이다.

연결 방식은 다음과 같다.

1. 먼저 클라이언트는 서버에 접속을 요청하는 SYN 패킷을 보낸다.

   • 만약 서버가 꺼져있다면 클라이언트가 SYN을 보내고 서버에서 응답이 없기 때문에 데이터를 보내지 않는다.

2. 서버는 SYN(Synchronize)요청을 받고 클라이언트에게 요청을 수락한다는 ACK(Acknowledgment)와 SYN가 설정된 패킷을 발송하고 클라이언트가 다시 ACK으로 응답하기를 기다린다.

3. 클라이언트가 서버에게 ACK을 보내면 이 이후로부터 연결이 성립되며 데이터를 전송할 수 있다.

   • 현재에는 최적화가 이루어져 3번 ACK을 보낼때 데이터를 함께 보내기도 한다.

🔹2. 데이터 전달 보증

TCP는 데이터 전송이 성공적으로 이루어진다면 이에 대한 응답을 돌려주기 때문에 IP 패킷의 한계인 비연결성을 보완할 수 있다.

🔹3. 순서 보장

만약 패킷이 순서대로 도착하지 않는다면 TCP 세그먼트에 있는 정보를 토대로 다시 패킷 전송을 요청할 수 있다.

즉, IP 패킷의 한계인 비신뢰성(순서를 보장하지 않음)을 보완할 수 있다.

위 3가지 특징을 볼 때,
TCP는 같은 계층에 속한 UDP에 비해 상대적으로 신뢰할 수 있는 프로토콜이다.

🍒 UDP(User Datagram Protocol)

UDP는 IP에 PORT, 체크섬 필드 정보만 추가된 단순한 프로토콜이다.

(체크섬(checksum)은 중복 검사의 한 형태로, 오류 정정을 통해, 공간(전자 통신)이나 시간(기억 장치) 속에서 송신된 자료의 무결성을 보호하는 단순한 방법)

앞서 TCP 특징과 비교해 보면

• 신뢰성은 낮지만 3 way handshake 방식을 사용하지 않기 때문에 TCP와 비교해 빠른 속도를 보장한다. (비 연결지향)

• HTTP3는 UDP를 사용하며 이미 여러 기능이 구현된 TCP보다는 하얀 도화지처럼 커스터마이징이 가능하다는 장점이 있다.

• 데이터 전달 보증 X, 순서 보장 X, (BUT 단순하고 빠르다)

위 특징들로 인해 실시간 스트리밍처럼
신뢰성보다는 연속성이 중요한 서비스에 자주 사용된다.

쉽게 말하면,
TCP는 좋은 기능이 다 들어있는 무거운 라이브러리,
UDP는 필요한 기능만 들어있는 가벼운 라이브러리로 비교해 볼 수 있다.