TCP / UDP

Reference: [책] IT 엔지니어를 위한 네트워크 입문

• 2계층과 3계층은 목적지를 정확히 찾아가기 위한 주소 제공이 목적이었지만, 4계층에서 동작하는 protocol은 만들어진 목적이 2, 3 계층과 조금 다르다

  • 목적지 단말 안에서 동작하는 여러 application process 중 통신해야 할 목적지 process를 정확히 찾아가고,

  • packet 순서가 바뀌지 않도록 잘 조합해

  • 원래 data를 잘 만들어내기 위한 역할을 한다

1. Layer 4 Protocol (TCP, UDP) and Service Port

• Data를 보내고 받는 Encapsulation, Decapsulation 과정에 각 계층에서 정의하는 header가 추가되고, 여러가지 정보가 들어간다

  • 다양한 정보 중 가장 중요한 두 가지 정보는 아래와 같다

    1. 각 계층에서 정의하는 정보

       • 수신 측의 동일 계층에서 사용하기 위한 정보

    2. 상위 protocol 지시자 정보

       • Decapsulation 과정에서 상위 계층의 protocol이나 process를 정확히 찾아가기 위한 목적으로 사용

• TCP/IP Protocol Stack에서 4계층은 TCP와 UDP가 담당한다

  • 4계층의 목적은 application에서 사용하는 process를 정확히 찾아가고, data를 분할한 packet을 잘 쪼개 보내고 잘 조립하는 것이다

  • packet을 분할하고 조립하기 위해 Sequence Number와 ACK Number를 사용한다

• TCP/IP Protocol Stack에서 상위 protocol 지시자는 port번호이다

  • 4계층 protocol 지시자인 port 번호는 출발지와 목적지를 구분해 처리해야 한다

Well Known Port

• HTTP TCP 80, HTTPS TCP 443, SMTP TCP 25와 같이 잘 알려진 Port를 Well known port 라고 한다

• 이 port들은 이미 인터넷 주소 할당 기구인 **IANA (Internet Assgined Numbers Authority)**에 등록되고 1023번 이하의 port 번호를 사용한다

• 다양한 application에 port 번호를 할당하기 위해 Registered Port 범위를 사용한다

  • 1024 ~ 49151 의 범위이며,port 번호를 할당받기 위해 신청하면 IANA에 등록되어 관리된다

    • but, 공식 번호와 비공식 번호가 혼재되어 있고, 사설 port 번호로 사용되기도 한다

• 동적, 사설, 임시 port 의 범위는 49152 ~ 65535 이다

  • 이 범위의 port 번호는 IANA에 등록되어 사용되지 않는다

  • 이 port 번호는 자동으로 할당되거나, 사설 용도로 할당되고, client의 임시 port 번호로 사용된다!

• IANA가 관리하는 Port 확인하기

2. TCP

• TCP는 Layer 4의 특징을 대부분 포함하고 있다

• TCP protocol은 신뢰할 수 없는 공용망에서도 정보유실 없는 통신을 보장하기 위해

  • session을 안전하게 연결하고

  • data를 분할하고

  • 분할된 packet이 잘 전송되었는지 확인하는 기능이 있다

• Packet 에 번호(Sequence Number)를 부여하고 잘 전송되었는지에 대해 응답(Acknowledge Number) 한다

  • 또한, 한꺼번에 얼마나 보내야 수신자가 잘 받아 처리할 수 있는지 전송크기 (Window Size)까지 고려해 통신한다

    • 이러한 TCP의 역할 덕분에 network 상태를 심각하게 고려하지 않고 쉽고 안전하게 network를 사용할 수 있다

2-1. Packet 순서와 응답 번호 (ACK Number)

• TCP에서는 분할된 packet을 잘 분할하고 수신측이 잘 조합하도록 packet에 순서를 주고 응답 번호를 부여한다

• Packet에 순서를 부여하는 것을 Sequence Number, 응답 번호를 부여하는 것을 ACK Number 라고 부른다

  • 두 번호가 상호작용해 순서가 뒤바뀌거나 중간에 packet이 손실된 것을 파악할 수 있다

Sequence Number 와 ACK Number의 기본 동작 방식

• 보내는 쪽에서 packet에 번호를 부여하고 받는 쪽은 이 번호의 순서가 맞는지 확인한다

• 받은 packet 번호가 맞으면 응답을 주는데, 이때 다음 번호의 packet을 요청한다

  • 이 숫자를 ACK Number라고 한다

• 송신 측이 1번 packet을 보냈는데 수신 측이 이 packet을 잘 받는다면 1번을 잘 받았으니 다음에는 2번을 달라는 표시로 ACK Number 2를 준다

ex)

1. 출발지에서 Sequence Number 를 0으로 보낸다 (SEQ = 0)

2. 수신 측에서는 0번 packet을 잘 받았다는 표시로 응답 번호 (ACK Number 에 1을 적어 응답한다

   이때 수신 측에서는 자신이 처음 보내는 packet이므로 자신의 packet에 Sequence Number 0을 부여한다

3. 이 packet을 받은 송신 측은 Sequence Number를1로, (수신 측이 ACK Number로 1번 packet을 달라고 요청했으니까!!)

   ACK Number는 상대방의 0번 Sequence를 잘 받았따는 의미로 Sequence Number를 1로 부여해 다시 송신한다!

2-2. Window Size & Sliding Window

• TCP는 일방적으로 packet을 보내는 것이 아니라 상대방이 얼마나 잘 받았는지 확인하기 위해 ACK 번호를 확인하고 다음 packet을 전송한다

  • Packet이 잘 전송되었는지 확인하기 위해 별도 packet을 받는 것 자체가 통신 시간을 늘리지만, 송신자와 수신자가 먼 거리에 떨어져 있으면 **왕복 지연시간 (Round Trip Time, RTT)**이 늘어나므로 응답을 기다리는 시간이 더 길어진다

    • 만약 작은 packet을 하나 보내고 응답을 받아야만 하나를 더 보낼 수 있다면 모든 data를 전송하는 데 긴 시간이 걸릴 것이다

    • 그래서 data를 보낼 때 packet을 하나만 보내는 것이 아니라 많은 packet을 한꺼번에 보내고 응답을 하나만 받는다

• 가능하면 최대한 많은 packet을 한꺼번에 보내는 것이 효율적이지만, Network 상태가 안 좋으면 packet 유실 가능성이 커지므로 적절한 송신량을 결정해야 하는데,

  • 한 번에 data를 받을 수 있는 data의 크기를 Window Size라고 하고,

  • Network 상황에 따라 이 window size를 조절하는 것을 Sliding Window라고 한다

• TCP Header에서 window size로 표현할 수 있는 최대 크기는 2^16 이다

  • 실제로 64K만큼 window size를 가질 수 있지만 이 size는 회선의 안정성이 높아지고 고속화되는 현대 network에서는 너무 작은 숫자이다

    • 그래서 window size를 64K보다 대폭 늘려 통신하는데 TCP header는 변경이 불가능하므로 header size를 늘리지 않고 뒤의 숫자를 무시하는 방법으로 window size를 증가시켜 통신한다

      • 이 방법을 사용하면 기존 숫자의 10배, 100배로 window가 커진다!

• TCP는 data 유실이 발생하면 window size를 절반으로 떨어뜨리고 정상적인 통신이 되는 경우 서서히 하나씩 늘린다

  • 만약 Network 경합이 발생해 packet drop이 생기면 작아진 window size로 인해 data 통신 속도가 느려져 회선을 제대로 사용하지 못하는 상황이 발생할 수 있다

    • 이 경우 경합을 피하기 위해

      1. 회선 속도를 증가시키거나

      2. 경합을 임시로 피하게 할 수 있는 buffer가 큰 network 장비르ㄹ 사용하거나

      3. TCP 최적화 solution을 사용해 이런 문제들을 해결할 수 있다

2-3. 3-Way Handshake

• TCP에서는 유실없는 안전한 통신을 위해 통신 시작 전 사전 연결작업을 진행한다

  • 만약 목적지가 data를 받을 준비가 안 된 상황에서 data를 일방적으로 전송하면 목적지에서는 data를 정상적으로 처리할 수 없어 data가 버려진다

  • 이런 상황을 방지하기 위해 TCP protocol은 data를 안전하게 보내고 받을 수 있는지 미리 확인하는 작업을 거치는 것이다!

• Packet Network에서는 동시에 많은 상대방과 통신하므로 정확한 통신을 위해 통신 전 통신에 필요한 resource를 미리 확보하는 작업이 중요하다

  • TCP에서는 3번의 packet을 주고받으면서 통신을 서로 준비하므로 3-Way Handshake라고 부른다

• TCP에서는 이런 3-Way Handshake 진행 상황에 따라 state 정보를 부르는 이름이 다르다

  • Server에서는 service를 제공하기 위해 client의 접속을 받아들일 수 있는 LISTEN state로 대기한다

  • Client에서 통신을 시도할 때 Syn packet을 보내는데 client에서는 이 상태를 SYN-SENT state 라고 부른다

  • Client의 Syn 을 받은 server는 SYN-RECEIVED state로 변경되고, Syn, Ack로 응답한다

  • 응답을 받은 client는 ESTABLISHED state로 변경하고 그에 대한 응답을 server에 보낸다

  • Server에서도 client의 Ack 응답을 받고 ESTABLISHED state로 변경된다

    • ESTABLISHED state는 server와 client 간의 연결이 성공적으로 완료되었음을 나타낸다!

  

  3-Way-Handshake
• 3-Way Handshake 과정이 생기다보니 어떤 packet이 새로운 연결 시도이고 기존에 대한 응답인지 구분하기 위해 header에 Flag라는 값을 넣어 통신한다

  • TCP Flags

    • SYN

      • 연결 시작 용도로 사용한다

      • 연결이 시작될 때 SYN Flag에 1로 표시해 보낸다

    • ACK

      • ACK 번호가 유효할 경우 1로 표시해 보낸다

      • 초기 SYN이 아닌 모든 packet은 기존 message에 대한 응답이므로 ACK flag가 1로 표기된다

    • FIN

      • 연결 종료 시 1로 표시된다

      • Data 전송을 마친 후 정상적으로 양방향 종료 시 사용된다

    • RST

      • 연결 종료시 1로 표시된다

      • 연결 강제 종료를 위해 연결을 일방적으로 끊을 때 사용된다

    • URG

      • 긴급 data인 경우 1로 표시해 보낸다

    • PSH

      • Server측에서 전송할 data가 없거나 data를 buffering 없이 응용 프로그램으로 즉시 전달할 것을 지시할 때 사용된다

3. UDP

• TCP와 달리 UDP는 Layer 4 protocol이 가져야 할 특징이 거의 없다

  • 4계층에서는 신뢰성 있는 통신을 위해 아래와 같은 작업을 수행했다

    • 연결을 미리 확립 (3-Way Handshake)

    • Data를 잘 분할하고 조립하기 위해 packet 번호를 부여하고 수신된 data에 대해 응답

    • Data를 특정 단위(Window Size)로 보내고 memory에 유지하다가 ACK Number를 받은 후 통신이 잘 된 상황을 파악하고나서야 memory에서 이 data들을 제거

    • 만약 중간에 유실이 있으면 Sequence Number와 ACK Number를 비교해가며 이를 파악하고, memory에 유지해놓은 data를 이용해 재전송

      • 이 기능을 이용해 data 유실이 발생하거나 순서가 바뀌더라도 바로 잡을 수 있음

  • UDP에는 위의 TCP와 같은 기능이 전혀 없다

• UDP header는 TCP와 비교하면 내용이 거의 없다

  • UDP에는 4계층의 특징인 신뢰 통신을 위한 내용 (Sequence Number,ACK Number, Flag, Window Size) 이 없다

• Data 통신은 data 전송의 신뢰성이 핵심이다

  • application에서 걱정하지 않고 data를 만들고 사용하는 것이 data 통신의 목적이지만,

  • UDP는 data 전송을 보장하지 않는 protocol 이므로 제한된 용도로만 사용된다

• UDP는 음성 data나 실시간 streamnig과 같이 시간에 민감한 protocol이나 application을 사용하는 경우나 사내 방송이나 증권 시세 데이터 전송에 사용되는 multicast 처럼 단방향으로 다수의 단말과 통신에 응답을 받기 어려운 환경에서 주로 사용된다

  • Data를 전송하는데 신뢰성보다 일부 data가 유실되더라도 시간에 맞추어 계속 전송하는 것이 중요한 화상회의 시스템과 같은 서비스의 경우 UDP를 사용한다

    • UDP는 중간에 data가 일부 유실되더라도 유실된 상태로 data를 처리한다!

• UDP는 TCP와 달리 통신 시작 전 3-Way Handshake와 같이 사전에 연결을 확립하는 절차가 없다

  • 그 대신 UDP에서 첫 data는 resource 확보를 위해 Interrupt를 거는 용도로 사용되고 유실된다

    • 그래서 UDP protocol을 사용하는 application이 대부분 이런 상황을 인지하고 동작하거나,

    • 연결 확립은 TCP protocol을 사용하고, application 끼리 모든 준비를 마친 후 실제 data만 UDP를 이용하는 경우가 대부분이다

• ex)

  • Netflix나 Youtube와 같이 시간에 민감하지 않은 단일 시청자를 위한 연결은 TCP를 사용한다

  • 실시간 화상회의 솔루션은 data 전송이 양방향으로 일어나고 시간에 매우 민감하게 반응하므로 TCP 이용 환경에서 data 유실이 발생하면 사용자는 network 품질이 나쁘다고 생각할 수 있으므로 UDP를 사용한다

TCP vs UDP

TCP	UDP
연결 지향 (Connection Oriented)	비연결형 (Connectionless)
오류 제어 수행 O	오류 제어 수행 X
흐름 제어 수행 O	흐름 제어 수행 X
Unicast	Unicast, Multicast, Broadcast
전이중 (Full Duplex)	반이중 (Half Duplex)
Data 전송	실시간 traffic 전송

+

Communication channels in telecommunications

• 단방향 통신(simplex communication)

  • 단방향 전송

  • ex) TV, Radio

• 반이중 통신(half-duplex communication)

  • 양방향으로 전송이 가능하지만, 동시에 양쪽에서는 전송할 수 없다

  • ex) 무전기

• 전이중 통신(full-duplex communication)

  • 동시에 양방향 전송이 가능하다

  • ex) 전화기