전송 계층(TCP vs UDP)

in Network

전송 계층에 대해서 알아 봅시다.

전송 계층에 대해서 알아보고,
면접 단골 질문인 TCP, UDP에 대해서 알아보자. 🧐

TCP vs UDP를 비교해서 설명해주세요.

답변

TCP는 연결성, 신뢰성 전송 프로토콜 입니다. 데이터 전송을 위해 3-way handshake를 통해서 세션 연결 과정을 거칩니다.
그리고 신뢰성 있는 데이터 전송을 위해 오류 제어, 흐름 제어, 혼잡 제어 등을 실행합니다.
신뢰성을 보장하기 위해 header가 더 크고 속도가 비교적 느리다는 단점이 있습니다.

UDP는 비연결성 프로토콜로 3-way handshake 등의 세션 연결 과정이 없습니다.
그리고 비신뢰성 프토콜로 오류 제어, 흐름 제어, 혼잡 제어도 마찬가지로 제공하지 않습니다.
덕분에 적은 양의 오버헤드를 가지고 수신 여부 또한 확인하지 않아서 속도가 빠릅니다.

TCP는 신뢰성이 중요한 HTTP, File 전송 등에 쓰이고, UDP는 실시간성이 중요한 동영상 스트리밍과 같은 곳에 사용됩니다.

전송 계층

네트워크 환경은 기본적으로 비 신뢰성 환경입니다. 데이터를 전송하면서 그 사이에 여러 문제 데이터 전송 과정에서 에러와 유실이 발생하기도 합니다. 이런 환경에서 사용자는 신뢰성 있는 서비스를 제공받고 싶어합니다.

전송 계층의 역할

  • ‘목적지에 신뢰할수 있는 데이터를 전송할 수 있는가?’ 담당
  • 주요 프로토콜은 TCP, UDP
  • 전송 계층의 주요 프로토콜인 TCP는 데이터를 신뢰성 있게 전송하는데 중요한 역할을 하는 프로토콜 입니다.

⭐️⭐️️ 전송 계층 통신 방식

  • 연결형 통신 : 신뢰성과 정확성(연결 필요)
    • ex) TCP 프로토콜
  • 비연결형 통신 : 효율성(빠르게, 일방적인 통신)
    • ex) UDP 프로토콜

TCP

TCP 세그먼트

  • 응용 계층의 데이터에서 TCP 헤더를 붙여 캡슐화하면 TCP 세그먼트가 됩니다.
  • 네트워크 계층에서 받은 패킷에서 IP 헤더를 떼어나는 역캡슐화를 거쳐도 TCP 세그먼트가 됩니다.

TCP 헤더

아래의 그림은 TCP 헤더의 구조 입니다.
image
그림. [정보통신기술용어해설]

  • 출발지 포트 번호, 목적지 포트 번호
  • 일련 번호, 확인 응답 번호
  • TCP 플래그, 윈도우 크기
  • 체크섬

⭐️⭐⭐ 3-way handshake

TCP 통신 과정에서 데이터를 전송하기 위해서는 먼저 연결 상태, 가상의 통신로를 확보해야 합니다.
이를 위해서 3-way handshake라는 과정을 거치게 됩니다.

여기서 TCP 헤더의 ‘TCP 플래그(코드 비트)’를 사용하게 됩니다.
TCP 플래그는 총 6개로 나뉘는 데요.
(각 1bit 이며 초기값은 0, 활성화 시 1로 변환 됩니다.)

URGACKPSHRSTSYNFIN
000000
  • Urgent
  • Acknowledgement
  • Push
  • Reset
  • Synchronize
  • Finish

3-way handshake의 동작 순서는 다음과 같습니다.
image

  1. SYN : 연결 요청!
  2. SYN + ACK : 확인! + 나도 연결 요청!
  3. ACK : Okay! 확인 완료!

⭐️ 4-way handshake

반대로 연결을 종료할 때는 4가지 과정을 거치게 되는데요.
4-way handshake의 동작 순서는 다음과 같습니다.
image

  1. FIN : 연결 종료!
  2. ACK : 확인!
  3. FIN : 나도 연결 종료!
  4. ACK : Okay! 확인 완료!

TCP 에러 제어

세그먼트의 손실 및 훼손, 순서가 어긋나거나 중복된 경우에 이를 위한 처리 작업입니다.
에러 제어의 목적은 TCP의 신뢰성 있는 데이터 전송을 위함 입니다.

  • 에러 검출(detection)
    • CRC(cyclic Redundancy Check)
    • Checksum(체크섬)
  • 에러 정정(correction) : ARQ (Automatic Repeat Request)
    • Stop and Wait ARQ
      → 패킷을 전송하고 ack을 받으며 순차적으로 진행하다가.. ack 손실이 발생 된다면!
           멈추고 해당 패킷을 다시 전송하여 시작하는 방법입니다.
           😓 확인 응답이 올때까지 기다리는 방식이기 때문에 비효율적입니다.
    • Go-Back-n ARQ
      → 패킷을 전송을 하고 나서, 문제가 생기는 패킷이 있다면 그 해당 패킷으로 되돌아가서 다시 전송을 하는 방식 입니다.
    • Selective Repeat ARQ
      → 오류가 발생한 패킷을 선택적으로 재전송하는 방식입니다.
           1번 패킷이 오류가 발생 됬으면, 그 이후의 전송 패킷들은 모두 버퍼에 저장되다가..
           1번 패킷이 타임아웃이 된 순간! 재전송되고 수신이 완료되면!
           1번과 함께, 버퍼에 있는 패킷을 모두 상위 계층으로 올립니다!

포트 번호

포트 번호는 데이터의 목적지가 어떤 애플리케이션인지 구분하는 기능 입니다.
TCP 헤더의 구조 중에서 ‘출발지 포트 번호’, ‘목적지 포트 번호’ 가 있는것을 위에서 확인할 수 있었습니다.
즉슨 포트 번호는 TCP 헤더에 포함되어 있습니다.
이 포트 번호가 있기 때문에 어떤 애플리케이션으로 세그먼트를 보낼지 구분할 수 있게 됩니다.

⭐️ Well-Known 포트(0 ~ 1023)

국제 인터넷 주소 관리 기구(IANA)에서 지정한 0 ~ 1023번까지의 포트입니다.
해당 포트들은 주로 서버용으로 사용됩니다.
기본적인 포트 번호들은 기억하는 것이 좋습니다. 👍
(근데 어차피 사용하게 되면서 기억나게 되는…)

애플리케이션포트 번호설명
SSH22파일 전송
TELNET23원격지 호스트 연결
SMTP25메일 전송
DNS53도메인 네임 서비스
HTTP80웹 서비스
POP3110메일 수신
IMAP143메일 수신
HTTPS443웹 서비스(보안 강화)

TCP 흐름제어

  • 송수신지의 데이터 처리능력이 달라서 데이터가 유실되는 것을 방지
  • 주로 슬라이딩 윈도우 기법을 사용
  • 윈도우 광고 기법으로 서로의 윈도우 크기를 알려줍니다.
  • Rwnd(Receiver Window) : 수신측 윈도우
  • Cwnd(Congestion Window) : 송신측 윈도우

TCP 혼잡제어

네트워크 내의 데이터를 조절하여 오버플로우 현상을 방지하는 기술 입니다.

혼잡 발생 전

  • Slow Start
  • Additive Increase

혼잡 발생 후

  • Multiplicative Decrease : ssthresh 값을 cwnd 1/2로 축소

UDP

UDP는 효율성에 초점을 두고 있습니다. 연결 확립 절차를 거치는 TCP와는 다르게 UDP 비연결형 통신이며 속도가 빠릅니다. 이러한 이유로 UDP는 동영상 스트리밍 방식이 적합합니다.

UDP 헤더가 데이터에 붙게 되 UDP 데이터그램 또는 UDP 세그먼트라고 불립니다.

⭐️ UDP 특징

  • 효율성
  • 비연결성 통신
  • ❌ 연결 확리 절차 x
  • 브로드 캐스팅 전송
    • LAN 안에 있는 모든 컴퓨터에 데이터를 일괄적으로 보낼 수 있습니다.
      (UDP는 이런 브로드 캐스트 방식의 통신에 적합합니다. TCP 는 연결 확립 절차로 인한 번거로움으로 적합하지 않음)
      image
      그림. 위키백과 - 브로드캐스팅 (네트워킹)

TCP 흐름제어, 혼잡제어 쪽을 한번 더 살펴봐야 될것 같다.
에러 제어 방법도 다음에 한번 더 그림으로 그려보는 기회가 부디 있기를… 🤔

🔖 참고 사이트

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