TCP와 UDP

네트워크의 계층들 중 전송 계층에서 사용하는 프로토콜에 대해서 알아보자.

전송 계층은 송신자와 수신자를 연결하는 통신서비스를 제공하는 계층으로, 쉽게 말해 데이터의 전달을 담당한다.
데이터를 보내기 위해 사용하는 프로토콜이 TCP와 UDP이다. 

 

 

1. TCP(Transmission Control Protocol)

인터넷상에서 데이터를 메세지의 형태로 보내기 위해 IP와 함께 사용하는 프로토콜이다. 

TCP는 애플리케이션에게 신뢰적이고 연결지향성 서비스를 제공한다. 일반적으로 TCP와 IP는 함께 사용되며 IP는 배달을, TCP는 패킷의 추적 및 관리를 하게 된다. 

TCP 특징

• 연결 지향 방식으로 패킷 교환 방식을 사용
  * 연결 지향 방식 : 패킷을 전송하기 위한 논리적 경로, 즉 연결이 설정되고 유지되어야 한다는 것을 의미한다.(안정성 높음)
  
• 3 way Handshaking 과정을 통해 연결을 설정하고, 4-way handshaking을 통해 해제한다.
• 높은 신뢰성을 보장한다.
• UDP 보다 속도가 느리다.
  CPU를 사용하기 때문에 UDP 보다 느리다. 
• 흐름 제어 및 혼잡 제어

TCP는 연속성보다 신뢰성있는 전송이 중요할 때에 사용하는 프로토콜이다. ex) 파일전송

TCP 서버의 특징

• 서버 소켓은 연결만을 담당한다.
  • TCP 서버 소켓은 클라이언트의 연결을 받아들이는 역할을 한다.
  • 서버 소켓은 클라이언트의 연결 요청을 받으면 이를 수락하여 해당 클라이언트에 대한 통신을 위해 새로운 소켓을 생성한다.
• 연결과정에서 반환된 클라이언트 소켓은 데이터의 송수신에 사용된다.
• 서버와 클라이언트는 1대1로 연결된다. 
  • 서버는 여러 클라이언트의 연결을 동시에 관리할 수 있지만, 각 클라이언트와의 통신은 별도의 연결을 유지한다.
• 스트림 전송으로 전송 데이터의 크기가 무제한이다. 
  * 스트림 전송 프로토콜 : 데이터를 비트의 연속된 스트림으로 전송하는 통신 프로토콜
• 패킷에 대한 응답을 해야하기 때문에 (시간지연, CPU소모) 성능이 낮다.
• Streaming 서비스에 불리하다.
  • TCP는 데이터를 연속적으로 스트림으로 전송하기 때문에, 실시간으로 발생하는 데이터를 처리하는데는 어려움이 있을 수 있다.

UDP(User Datagram Protocol)

데이터를 데이터그램 단위로 처리하는 프로토콜이다.
*데이터그램 :  독립적인 관계를 지니는 패킷이라는 뜻이다.

UDP 특징

• 비연결형 서비스로 데이터그램 방식을 제공한다.
  • UDP는 연결 설정과 종료 과정이 없이 데이터를 전송하는 비연결형 서비스를 제공한다.
  • 전송 단위는 데이터그램이라 불리며, 이는 독립적으로 처리되어 데이터의 전송이 보장되지 않는다.
• 정보를 주고 받을 때 정보를 보내거나 받는다는 신호절차를 거치지 않는다.
  • 연결 설정이나 종료를 위한 핸드셰이크 과정이 없어서 더 빠르게 데이터를 전송할 수 있다.
• UDP 헤더의 CheckSum 필드를 통해 최소한의 오류만 검출한다.
  • UDP 헤더에는 CheckSum 필드가 있어 최소한의 오류만을 검출한다. 오류 검출이기 때문에 오류가 발생하면 패킷이 버려지지만, 복구는 되지 않는다. 
• 신뢰성이 낮다.
• TCP보다 속도가 빠르다.
  • 연결 설정 및 종료 과정이 없고, 추가적인 오류 복구 메커니즘이 없어 TCP보다 빠른 속도를 제공한다.

UDP 서버의 특징

• UDP에는 연결 자체가 없어서 서버 소켓과 클라이언트 소켓의 구분이 없다.
• 소켓 대신 IP를 기반으로 데이터를 전송한다.
  • TCP에서는 소켓을 통해 데이터를 주고 받지만, UDP에서는 IP를 기반으로 데이터를 전송한다.
  • UDP 패킷은 단순히 목적지 IP 주소와 포트 번호로 구성된다.
• 서버와 클라이언트는 1대1, 1대N, N대M 등으로 연결될 수 있다.
  • UDP는 연결이 없어 여러 클라이언트와의 연결을 관리할 필요가 없다.
  • 서버는 여러 클라이언트와 동시에 통신할 수 있다.
• 데이터그램(메세지) 단위로 전송되며 그 크기는 65535바이트로, 크기가 초과하면 잘라서 보낸다.
  • UDP는 데이터를 데이터그램이라 불리는 작은 메세지 단위로 전송한다.
• 흐름제어(flow control)가 없어서 패킷이 제대로 전송되었는지, 오류가 없는지 확인할 수 없다.
• 파일 전송과 같은 신뢰성이 필요한 서비스보다 성능이 중요시 되는 경우에 사용된다.

TCP와 UDP의 비교

TCP와 UDP 헤더 비교

 

3-Way Handshake와 4-Way Handshake

3-Way Handshake 는 TCP의 접속,4-Way Handshake는 TCP의 접속 해제 과정이다.

 

3-Way Handshake 개념

• TCP 통신을 이용하여 데이터를 전송하기 위해 네트워크 연결을 설정(Connection Establish) 하는 과정이다.
• 양쪽 모두 데이터를 전송할 준비가 되었다는 것을 보장하고, 실제로 데이터 전달이 시작하기 전에 한 쪽이 다른 쪽이 준비되었다는 것을 알 수 있도록 한다.
• 즉, TCP/IP 프로토콜을 이용해서 통신을 하는 응용 프로그램이 데이터를 전송하기 전에 먼저 정확한 전송을 보장하기 위해 상대방 컴퓨터와 사전에 세션을 수립하는 과정을 의미한다.

3-Way Handshake 기본매커니즘

TCP 통신은 PAR (Positive Acknowledgement with Re-transmission) 을 통해 신뢰적인 통신을 제공한다.

 

 

수신자가 데이터 유닛(세그먼트)이 손상된것을 확인하면(Error Detection에 사용되는 transport layer의 checksum을 활용), 해당 세그먼트를 없앤다.

그러면 sender는 positive ack이 오지 않은 데이터 유닛을 다시 보내야한다.

 

 

⇒ 이 과정에서 클라이언트와 서버 사이에서 3개의 Segment가 교환되는 것을 확인할 수 있다. 이것이 바로 3-way handshake의 기본 매커니즘이다.

3-Way Handshake 작동 방식

Step1 [Client -> SYN -> Server]

Client가 Server에게 접속을 요청하는 SYN플래그를 보낸다.

 

Step2. [Server -> SYN + ACK -> Client ]

Server는 Listen상태에서 SYN이 들어온 것을 확인하고 SYN_RECV상태로 바뀌어 SYN + ACK플래그를 Client에게 전송한다. 그 후 Server는 다시 ACK 플래그를 받기 위해 대기상태로 변경된다.

 

Step3. [Client -> ACK -> Server]

SYN + ACK 상태를 확인한 Client는 서버에게 ACK를 보내고 연결 성립

4-Way Handshake 개념

4-Way Handshake은 연결을 해제 (Connecntion Termination)하는 과정이다. 여기서는 FIN 플래그를 이용한다.
* FIN (finish) : 세션을 종료시키는데 사용되며, 더 이상 보낸 데이터가 없음을 나타낸다.

 

Step1 [Client -> FIN -> Server]

Client가 연결을 종료하겠다는 FIN플래그를 전송한다. 보낸 후에 FIN-WAIT-1 상태로 변한다.

Step2 [Server-> ACK -> Client]

FIN 플래그를 받은 Server는 확인메세지인 ACK를 Client에게 보내준다. 그 후 CLOSE-WAIT상태로 변한다. Client도 마찬가지로 Server에서 종료될 준비가 됐다는 FIN을 받기위해  FIN-WAIT-2 상태가 된다.

Step3 [Server -> FIN -> Client]

Close준비가 다 된 후 Server는 Client에게 FIN 플래그를 전송한다.

Step4 [Client -> ACK-> Server]

Client는 해지 준비가 되었다는 정상응답인 ACK를 Server에게 보내준다. 이 때, Client는 TIME-WAIT 상태로 변경된다.

 

* TIME-WAIT 상태는 의도치않은 에러로 인해 연결이 데드락으로 빠지는 것을 방지하기 위해 변경 되는 것인데, 만약 에러로 인해 종료가 지연되다가 타임이 초과되면 CLOSED 상태로 변경된다.

---

[Q1] TCP의 연결 설정 과정(3단계)과 연결 종료 과정(4단계)이 단계가 차이나는 이유?
Client가 데이터 전송을 마쳤다고 하더라도 Server는 아직 보낼 데이터가 남아 있을 수 있기 때문에 클라이언트의 FIN 메시지에에 대한 ACK만 먼저 보내고, 데이터를 모두 전송한 후에 서버 자신도 FIN 메세지를 보내기 때문이라고 볼 수 있다.

 
[Q2] 만약 Server에서 FIN 플래그를 전송하기 전에 전송한 패킷이 Routing 지연이나 패킷 유실로 인한 재전송 등으로 인해 FIN 패킷보다 늦게 도착하는 상황이 발생하면 어떻게 될까?
 Client는 Server로부터 FIN 플래그를 수신하더라도 일정시간동안 세션을 남겨놓고 잉여 패킷을 기다리는 과정을 거친다.
 
 
[Q3] 초기 Sequence Number인 ISN을 0부터 시작하지 않고 난수를 생성해서 설정하는 이유?
Connection을 맺을 때 사용하는 포트(Port)는 유한 범위 내에서 사용하고 시간이 지남에 따라 재사용된다. 따라서 두 통신 호스트가 과거에 사용된 포트 번호 쌍을 사용하는 가능성이 존재한다. 서버 측에서는 패킷의 SYN을 보고 패킷을 구분하게 되는데 난수가 아닌 순차적인 Number가 전송된다면 이전의 Connection으로부터 오는 패킷으로 인식할 수 있다. 이런 문제가 발생할 가능성을 줄이기 위해서 난수로 ISN을 설정한다

 

 

 

 

 

 

 

 

https://jeongkyun-it.tistory.com/180 https://velog.io/@averycode/%EB%84%A4%ED%8A%B8%EC%9B%8C%ED%81%AC-TCPUDP%EC%99%80-3-Way-Handshake4-Way-Handshake

https://mangkyu.tistory.com/15

[네트워크] TCP/UDP와 3 -Way Handshake & 4 -Way Handshake

TCP와 3-Way, 4-Way Handshake란? (개념/ 동작 방식)