[네트워크] UDP/TCP

UDP와 TCP는 둘 다 전송 계층 프로토콜로, 데이터를 네트워크를 통해 보내는 방식을 정의한다.

 

✅  UDP (User Datagram Protocol)

: 신뢰성 없는 비연결형 프로토콜

 

📍특징

• 비연결성: 연결 설정 없이 데이터를 보냄 
• 신뢰성 없음: 순서가 바뀌거나, 중간에 데이터가 사라질 수 있음
• 빠른 속도: 연결 설정 없이 데이터가 전송되고, 헤더가 간단하여 처리 시간이 짧음
• 낮은 오버헤드: 간단한 프로토콜 구조로, CPU와 메모리 자원 소모가 적음
  • TCP는 20Byte의 헤더 오버헤드를 갖지만, UDP는 8Byte의 오버헤드를 가짐
• 멀티캐스트 및 브로드캐스트 지원: 여러 수신자에게 데이터를 동시에 전송 가능
• 혼잡 제어 미지원: 네트워크 상태에 관계없이 데이터를 전송

 

속도가 빠르고, 멀티캐스트 및 브로드캐스트를 지원하기 때문에 실시간 스트리밍 서비스에 적합하다.

하지만, 데이터 전송의 신뢰성이 없다는 단점이 있다.

 

📍활용

• 실시간 스트리밍
• 온라인 게임
• 화상 통화
• DNS 조회

 

📍체크섬(checksum)

: 전송된 패킷 안의 비트 오류를 검출하는 데 사용

 

UDP는 비신뢰성 프로콜이므로, 기본적인 데이터 무결성을 보장하기 위해 체크섬을 사용한다.

 

체크섬은 전송된 데이터그램이 손상되지 않았는지 확인하는 데 사용된다.

 

데이터 무결성: 데이터가 변경되거나 손상되지 않도록 보장하는 것

 

🏷️ 계산 과정

[송신자]

1. 송신하는 데이터그램을 16 비트의 데이터 단위로 나눈다
2. 모든 데이터 단위를 1의 보수 연산으로 더하여 합을 구한다
3. 합의 1의 보수를 체크섬으로 생성하고, 데이터그램에 추가하여 전송한다

[수신자]

1. 수신된 데이터그램을 16비트의 데이터 단위로 나눈다
2. 모든 데이터 단위를 1의 보수 연산으로 더하여 합을 구한다
3. 합의 모든 비트가 1이면, 데이터그램의 무결성이 보장된 성공적 수신을 의미한다. 한 비트라도 0이면, 비트에 오류가 발생한 것이다.

 

🏷️ 한계

UDP 체크섬은 기본적인 오류 검출만 제공한다.

 

패킷 손실, 순서 왜곡 같은 문제는 검출할 수 없다.

또한, 각 데이터 단위에서 발생하는 오류의 합이 0이 되는 오류도 검출할 수 없다.

 

 

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✅  신뢰적인 데이터 전송의 원리

패킷 손상이 발생하는 네트워크 / 패킷 손실이 발생하는 네트워크에서 어떻게 신뢰적인 데이터를 전송할 수 있을까?

 

• 패킷 손상: 송신한 패킷 내부 비트들이 하위 계층에서 손상되는 경우
• 패킷 손실: 전송한 패킷이 손실되는 경우 or 전송한 패킷에 대한 확인 응답 패킷이 손실되는 경우

 

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📍Stop-And-Wait 프로토콜 =  Automatic Repeat Request(ARQ)

: 송신자가 하나의 패킷을 전송한 후, 그 패킷에 대한 ACK(긍정 응답) 또는 NAK(부정 응답)을 받기 전까지는 다음 패킷을 전송하지 않는 방식

 

🏷️ 특징

• 오류 검출: 체크섬(checksum)을 사용해 패킷의 비트 오류 발견
• 수신자 피드백: 수신자는 패킷을 올바르게 받으면 긍정확인 응답(ACK)을, 아니면 부정확인 응답(NAK)을 보냄
  • 순서가 올바르지 않은 패킷을 수신하면, 가장 최근에 올바르게 수신한 패킷에 대한 ACK를 보냄
• 송신자의 재전송: 비트 오류가 있는 패킷을 수신하면 NAK를 송신자에게 보내고, 송신자는 이를 보고 해당 패킷을 재전송
  
  • 송신자는 수신자가 패킷을 정확하게 수신했다는 것을 확인받기 전까지 새로운 데이터를 전송하지 않음
  • 수신자가 보낸 ACK 또는 NAK 패킷 또한 손상된 경우도 송신자가 패킷 재전송
• 순서번호(squence number): 송신자와 수신자는 패킷을 구별하기 위해 패킷에 순서번호를 매김
  • ARQ에서 송신자는 어떤 패킷을 송신하는지 알아야 하고, 수신자는 어떤 패킷을 수신했는지 알아야 함

 

🏷️ 장점

• 구현이 간단하다.
• 수신자가 과부하되는 것을 방지할 수 있다.

 

🏷️ 단점

• 링크 이용률이 낮다.
• 전송 속도가 느리다.

 

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📍파이프라인 프로토콜

: 여러 개의 프레임을 연속으로 전송하고, 수신자의 ACK를 나중에 받아 처리하는 방식

 

Stop-and-wait 방식은 송신자가 패킷을 전송하는데 오랜 시간이 걸린다.

그리고 이러한 성능 이슈는 파이프라인 프로토콜을 통해 해결할 수 있다.

 

파이프라이닝에서도 패킷 손상과 손실이 발생하는데, 이러한 오류에 대해 두 가지 기본적인 접근 방법인 SR과 GBN이 있다.

 

🏷️ 장점

• 링크 이용률이 높다.
• 전송 속도가 빠르다.

 

🏷️ 단점

• 구현이 복잡하다.
  • 윈도우 크기 관리, 패킷 순서 관리, 타이머 복수 관리 등
• 수신 측 버퍼가 필요하다.

 

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1️⃣ SR(Selective Repeat)

• 송신자는 여러 패킷을 전송 가능 (슬라이딩 윈도우 사용)
• 수신자는 순서에 상관없이 도착한 패킷을 버퍼에 저장
• 오류난 패킷만 선택적으로 재전송
• 장점: 가장 효율적인 방식 (오류 있는 것만 재전송)
• 단점: 구현 복잡도 높음 (수신 버퍼, 개별 ACK 필요)

 

 

2️⃣ GBN(Go-Back-N)

• 송신자는 최대 N개의 패킷을 연속으로 전송 (슬라이딩 윈도우 사용)
• 수신자는 순서대로 도착한 패킷만 수용
• 중간에 하나라도 오류 나면 그 이후 모든 패킷을 버리고 재전송 요구
• 장점: 구현이 비교적 간단
• 단점: 패킷 하나 오류 나면 이후 전부 재전송 (비효율)

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✅  TCP (Transmissioin Control Protocol)

: 신뢰성 있는 연결형 프로토콜

 

📍특징

• 연결형: 데이터를 보내기 전에 연결(3-way handshake) 필요
• 신뢰성 있음: 데이터가 순서대로, 정확하게 도착하는지 확인
• 흐름 제어 & 혼잡 제어: 네트워크 상황에 따라 속도 조절 가능
• 전이중(full-duplex), 점대점(point to point) 방식 사용
  • 전이중: 전송이 양방향으로 동시에 일어날 수 있음
  • 점대점: 각 연결이 정확히 2개의 종단점을 가짐
• 멀티캐스팅이나 브로드캐스팅을 지원하지 않음 

 

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📍3 way handshake

: TCP의 연결 성립 과정 (Connection Establishment)

 

TCP는 논리적인 접속을 성립하기 위해서 3 way handshake를 사용한다.

 

즉, 정확한 전송을 보장하기 위해 서버와 클라이언트가 세션을 수립하는 과정이다.

= 양쪽 모두 데이터를 전송할 준비가 되었다는 것을 보장

 

 

SYN(synchronize sequence number) : 연결 요청 플래그
ACK(acknowledgement) : 응답

 

1. 클라이언트는 서버에 접속을 요청하는 `SYN(M)` 패킷을 보낸다. 클라이언트는 이를 보내고 `SYN/ACK` 응답을 기다리는 `SYN_SENT` 상태가 된다.
2. 서버는 클라이언트의 요청인 `SYN(M)`를 받고, 클라이언트에게 요청을 수락한다는 `ACK(M+1)`과 `SYN(N)`이 설정된 패킷을 보낸다. 이때 서버는 `SYN_RECEIVED` 상태가 된다.
3. 클라이언트는 서버의 수락 응답인 `ACK(M+1)`와 `SYN(N)` 패킷을 받고 `ACK(N+1)`를 서버로 보내면 연결이 성립된다. 서버는 `ESTABLISHED` 상태가 된다.

 

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📍4 way handshake

: TCP의 연결 해제 과정 (Connection Termination)

 

클라이언트와 서버 사이에 세션을 종료하기 위해 수행되는 절차이다.

 

1. 클라이언트가 연결을 종료하겠다는 `FIN` 플래그를 전송한다
2. 서버는 클라이언트의 요청인 `FIN`을 받고, 확인 메시지로 `ACK`를 보낸다
   1. 그리고, 데이터를 모두 보낼 때까지 `TIME_OUT` 상태가 된다
3. 데이터를 모두 보내고 통신이 끝났으면 연결이 종료됐다고 클라이언트에게 `FIN` 플래그를 전송한다
4. 클라이언트는 확인 메시지 `ACK`를 보낸다. 이를 받은 서버는 소켓 연결을 `close`한다.
   1. 클라이언트는 아직 서버로부터 받지 못한 데이터가 있을 것을 대비해 일정 시간 동안 세션을 남겨 놓고 `TIME_WAIT` 상태에서 잉여 패킷을 기다린다.

 

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📍3가지 재전송 시나리오

 

🏷️ Lost ACK scenario

• 세그먼트는 수신측에 정상적으로 도착
• ACK가 손실됨
• timeout 발생
• 세그먼트 재전송
• 재전송된 세그먼트를 받은 수신 측은, 이미 수신했으므로 그냥 버림

 

🏷️ Premature Timeout (조기 타임아웃 시나리오)

• 송신자가 세그먼트 전송
• 수신자는 세그먼트를 올바르게 수신 후, ACK 전송
• 그런데 네트워크 지연 등으로 인해 ACK가 도착하기 전에 송신자의 타이머가 만료
• 송신자는 타이머가 만료되었다고 판단하고 재전송 수행

 

🏷️ Cumulative ACK (누적 확인 응답)

• 수신자는 여러 개의 세그먼트를 연속적으로 수신 후, 각 세그먼트에 대한 ACK 전송
• 첫 번째 세그먼트에 대한 ACK 손실
• 하지만 송신자는 두 번째 세그먼트에 대한 ACK는 올바르게 수신
• 송신자는 첫 번째 세그먼트도 올바르게 전송됨을 알 수 있으므로, 재전송하지 않음

 

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📍TCP의 빠른 재전송

: 타임아웃을 기다리지 않고, 중복 ACK가 3번 연속으로 수신되면 해당 세그먼트를 즉시 재전송하는 TCP의 재전송 메커니즘

 

 

• 기본적으로 TCP는 ACK를 못 받으면 timeout 후에 재전송하는 방식임
• 그런데 타임아웃을 기다리면 너무 느리고 비효율적
• 그래서 중복 ACK가 3번 오면 손실 됐다고 판단하고 바로 재전송

 

 

[예시]

1. 송신자가 세그먼트 1, 2, 3, 4를 순서대로 보냄
2. 수신자가 1, 2는 정상 수신하고 세그먼트 3이 손실
3. 수신자는 세그먼트 4를 받지만, 중간에 3이 없으므로 ACK 2만 계속 보냄
4. 송신자는 ACK 2를 3번 연속 받으면 타이머 기다리지 않고 바로 3번 세그먼트 재전송

 

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📍Flow Control(흐름 제어)

: 송신측과 수신 측의 데이터 처리 속도 차이를 조절해 주는 것

 

 

• 수신자가 처리 가능한 만큼만 데이터를 보내도록 함
• 수신 측에서 받을 수 있는 윈도우 사이즈는 rwnd를 이용하여 계산
• 수신자가 rwnd 값으로 자신이 수용 가능한 버퍼 크기를 송신자에게 알려줌
• 송신자는 rwnd만큼만 데이터를 전송 가능

 

 

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📍Congestion Control(혼잡 제어)

: 데이터 전송량을 조절하여 네트워크가 혼잡해지지 않게 조절하는 것

 

cwnd(Congestion window size)를 통해서 패킷의 전송량을 조절

cwnd는 패킷 손실 혹은 패킷 손상으로 인해서 timeout 혹은 3-duplicate-ack를 받았을 때 조절하는 작업을 수행

 

• Slow Start: 처음엔 천천히 보내다가 점점 전송량 증가 (cwnd를 지수적으로 증가)
• Congestion Avoidance: 혼잡이 감지되기 전까지 서서히 증가 (선형 증가)
• Fast Retransmit: 세 개의 중복 ACK 수신 시, 타임아웃 기다리지 않고 바로 재전송
• Fast Recovery: 혼잡이 발생한 경우, cwnd를 줄인 후 천천히 증가 (slow start로 안 돌아가고 조정)