[네트워크] 전송계층 TCP와 UDP

전송계층은 네트워크에서 데이터를 안정적으로 전송하기 위한 계층으로 신뢰성 있는 데이터 전송을 보장하는 역할을 한다. 전송계층의 아래계층들은 목적지 컴퓨터까지 전송을 해주는 역할을 하지만 목적지 도착 이후에 데이터의 확인을 하지는 않는다. 전송계층은 양 끝단에서 수문장의 역할로서 데이터의 제어를 담당한다.

전송 계층의 특징은 프로토콜에 따라 2가지로 구분할 수 있다.

• 신뢰성/정확성 : 데이터를 목적지에 문제없이 송수신(연결형)
• 효율성 : 데이터를 목적지에 빠르게 송수신(비연결형)

데이터의 신뢰성과 정확성을 보장하는 프로토콜은 TCP이며 효율적인 통신을 위한 프로토콜은 UDP가 있다.

TCP

TCP(Transmission Control Protocol)는 전송계층 프로토콜로 신뢰성과 정확성을 보장하는 프로토콜이다. 이를 위해 TCP에서는 1대1 연결을 수립 후 통신을 시작하며 패킷의 순서확인 및 흐름,혼잡,에러제어 방식을 사용한다.

TCP 헤더

TCP의 헤더에는 출발지와 목적지의 정보 및 신뢰성을 보장하기 위한 여러가지 영역을 가지고 있다.

TCP 헤더구조

• 포트번호
  • 각 송수신지의 포트번호
• 일련번호
  • 송신지에서 수신측에 몇 번째 데이터인지 알려주는 역할
  • 패킷의 순서확인 및 재전송에 사용
• 확인 응답 번호
  • 수신측에서 몇 번째 데이터를 수신했는지 알려주는 역할
  • 패킷 재전송에 사용
• 코드 비트
  • TCP 헤더의 연결 제어 정보가 존재
  • TCP 연결/해제에 사용되는 필요 비트들이 존재
• 윈도우 크기
  • 버퍼 용량의 크기로 흐름제어에 사용

TCP 연결 수립과 해제 - handshake

TCP는 데이터 전송 전 송수신지가 연결을 통해 가상의 독점 통신로를 만든다. 이때 연결 수립시 3-way-handshake가 일어나고 통신 종료 후 연결 해제시 4-way-handshake가 일어난다.

3-way-handshake
안정적인 연결을 설정하기 위해 사용한다. 이때 TCP 헤더의 코드비트 중 SYN과 ACK을 이용하여 연결을 설정한다.

1. Client -> Server
   • 연결 요청을 의미하는 SYN 코드비트
   • Sequence Number(일련 번호)에 난수를 지정
   • Server로 전송
2. Server -> Client
   • 요청에 응답이라는 의미로 ACK 코드비트
   • Ack Number(확인응답번호)에 받은 Sequence Number + 1 담음
   • 포트를 열어달라는 요청의 의미로 SYN 코드비트
   • Sequence Number에 서버측의 난수를 지정
   • Client로 전송
3. Client -> Server
   • 서버에 응답으로 ACK을 담아 보낸다.
   • Ack Number(확인응답번호)에 받은 Sequence Number + 1 담음
   • 이후 연결이 수립되고 실제 데이터를 주고받는다.
     
     

4-way-handshake
데이터를 전부 주고받은 후 TCP 연결을 해제한다. 이때 FIN, ACK와 time-wait 정책을 이용한다.

1. Client -> Server
   • 연결 종료라는 의미의 FIN 코드비트 Server로 전송
2. Server -> Client
   • 요청에 대한 응답으로 ACK 코드비트 Client로 전송
3. Server -> Client
   • 서버측에서 남은 데이터 처리가 끝난 후 Client에 연결 종료 요청
   • FIN 코드비트 Client로 전송
4. Client -> Server(and time-wait)
   • 요청에 대한 응답으로 ACK 코드비트 Server로 전송
   • 이때 바로 연결을 종료하지 않고 일정 기간 기다림(Time wait)

💡 연결과 해제에서 단계가 차이나는 이유
요청을 먼저 받는 쪽에서 처리할 데이터가 남아 있을 수 있기 때문이다. 따라서 연결 수립 시에는 응답과 요청을 함께 보냈지만 연결 해제시에는 응답을 먼저 보내고 데이터를 전부 처리한 후 해제 요청을 보낸다. 즉, ACK와 FIN 따로따로 나누어 보내기 때문에 단계가 차이난다.

💡 Time-wait 정책
네트워크 혼잡 등의 문제로 ACK응답이 상대측에 도달하지 않을 수 있다. 따라서 재요청을 대비해 바로 연결을 해지하지 않고 일정기간 기다리게 된다.

💡 Sequence Number에 난수를 담는 이유
난수가 아닌 순차적은 Number로 전송하면 이전 연결에서 사용한 패킷으로 인식할 수 있기 때문에 이러한 가능성을 줄이기 위해 난수를 설정한다.

데이터 확인

TCP는 받은 데이터가 기대하던 데이터인지 확인 할 의무가 있다. 따라서 패킷에 순서를 지정하고 해당 패킷을 받았다며 응답을 보낸다. Sequence Number(일련변호)를 이용해 해당 해킷의 순서를 알려주며 ACK Number(확인응답번호)를 이용해 해당 패킷을 무사히 잘 받았다고 응답한다. 이러한 상호작용으로 정확성 높은 데이터 통신을 구축할 수 있다.

원활한 통신을 위한 패킷제어

TCP는 원활한 통신을 위해 몇가지 제어방식을 사용한다. TCP에서의 이러한 기능들 덕분에 개발자는 패킷문제에 대해서 일일이 신경쓰지 않고 상위 레이어(응용계층)의 동작에만 집중할 수 있다.

• 흐름제어 : 한 번에 전송할 데이터 양을 조절
• 혼잡제어 : 네트워크의 혼잡에 대처하여 데이터 양 조절
• 오류제어 : 통신 도중 유실되거나 잘못 수신된 데이터 제어

(각 제어방식마다 여러가지 메커니즘이 존재한다. 이에 대해서는 따로 포스팅하도록 하겠다)

UDP

UDP(User Datagram Protocol)는 빠른 속도와 효율성을 중요시한 프로토콜이다. UDP는 TCP와 달리 연결과정이 없으며 상대방과 응답을 확인하지 않고 연속해서 데이터를 보낸다. 따라서 데이터 전송을 보장하지 않고 순서대로 전송되는 것도 보장하지 않는다. 하지만 통신에 대한 오버헤드가 적어 보다 빠른전송이 가능하다. ex) 실시간 응용 프로그램, 영상 및 음성 스트리밍 등

UDP의 헤더

UDP의 헤더는 간단하게 이루어져 있다. TCP와 같이 여러가지 제어 및 신뢰성/정확성에 필요한 헤더들이 빠져 보다 가벼운 헤더로 구성되어 있다.

1. 출발지, 목적지 포트번호(각 16비트)
2. 길이(16비트)
3. 체크섬(16비트)

브로드캐스트 지원

브로드캐스트는 네트워크의 모든 호스트에게 패킷을 전송하는 것이다. 브로드캐스트는 주로 네트워크 상의 모든 호스트에게 특정 정보를 전파하기 위해 사용된다. 즉, 1:N의 상황에서 유용하게 사용할 수 있다.