[네트워크] TCP vs. UDP: 통신 프로토콜 비교

TCP vs. UDP: 통신 프로토콜 비교

네트워크 통신에서 가장 많이 사용되는 두 가지 프로토콜인 TCP(Transmission Control Protocol)와 UDP(User Datagram Protocol)는 각각 장단점이 있으며, 서로 다른 용도로 사용된다. 두 프로토콜의 가장 큰 차이는 연결 관리 방식에 있다. TCP는 신뢰성을 보장하기 위해 연결을 설정하고 종료하는 절차가 있는 반면, UDP는 이러한 절차를 생략하고 빠른 전송에 중점을 둔다. 이번 글에서는 TCP의 3-way, 4-way handshake와 UDP의 특성을 비교하며 두 프로토콜을 분석해 보자.

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1. TCP: 신뢰성 있는 연결 관리

TCP는 신뢰성 있는 데이터 전송을 보장하는 프로토콜로, 연결을 설정하고 데이터를 전송하며, 종료까지의 모든 과정을 엄격하게 관리한다. 이러한 TCP의 가장 큰 특징은 연결 지향성이다. 데이터를 주고받기 전에 먼저 연결을 설정해야 하며, 이 연결은 안정적이고 순서대로 데이터를 전송하는 데 중점을 둔다. 이를 위해 3-way handshake와 4-way handshake라는 연결 설정 및 종료 절차를 사용한다.

TCP 3-Way Handshake: 연결 설정

TCP는 데이터를 전송하기 전에 송신자와 수신자가 서로 통신할 준비가 되어 있는지 확인하는 과정을 거친다. 이를 3-way handshake라 부르며, 다음과 같은 절차로 이루어진다.

1. SYN: 클라이언트가 서버에 연결 요청을 보내며, 이때 송신자가 사용할 순서 번호(ISN)를 포함한다.
2. SYN-ACK: 서버는 클라이언트의 요청을 수락하며, 자신의 ISN과 함께 ACK 응답을 보낸다.
3. ACK: 클라이언트는 서버의 응답을 확인하고, 마지막으로 ACK 패킷을 보내며 연결이 완성된다.

이 과정이 완료되면 클라이언트와 서버는 서로 데이터를 주고받을 수 있는 상태가 된다. 이때 TCP는 패킷이 손실되거나 순서가 뒤바뀌더라도 이를 복구할 수 있는 메커니즘을 제공해 신뢰성을 보장한다.

TCP 4-Way Handshake: 연결 종료

데이터 전송이 끝나면 TCP는 4-way handshake를 통해 연결을 안전하게 종료한다. 이 절차는 한쪽이 연결 종료 요청을 보내고, 상대방이 이를 확인하고 다시 종료 요청을 보내는 형태로 이루어진다.

1. FIN: 한쪽(클라이언트 또는 서버)이 연결을 종료하고 싶다는 요청을 보낸다.
2. ACK: 상대방은 이를 수락하고 ACK 응답을 보낸다.
3. FIN: 상대방도 연결을 종료할 준비가 되었음을 알리는 FIN 패킷을 보낸다.
4. ACK: 마지막으로 다시 ACK 패킷을 교환하며 연결이 완전히 종료된다.

TCP는 이런 식으로 연결 설정과 종료 과정에서 신뢰성을 보장해, 데이터가 정확하게 전달될 수 있도록 한다.

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2. UDP: 빠르고 간단한 전송 방식

UDP는 TCP와 달리 비연결형 프로토콜이다. 즉, 데이터를 보내기 전 연결 설정 과정이 없다. 이로 인해 데이터 전송 속도가 빠르고 오버헤드가 적다. UDP는 데이터를 최대한 빠르게 전송하는 데 초점을 맞추기 때문에, TCP에서 제공하는 패킷의 순서 보장, 오류 복구, 재전송 같은 기능이 없다. 이로 인해 데이터가 유실되거나 순서가 뒤바뀔 가능성이 있지만, 애플리케이션 레벨에서 복구할 필요가 없는 경우에는 UDP가 더 효율적일 수 있다.

UDP는 다음과 같은 방식으로 동작한다.

1. 데이터를 보낼 때마다 송신자가 목적지의 IP 주소와 포트 번호를 지정하여 데이터그램(Datagram) 단위로 전송한다.
2. 데이터그램은 중간 과정 없이 바로 전송되며, 수신자는 이를 수신한다.
3. 연결 설정, 확인, 종료 과정이 없기 때문에 매우 간단하다.

이 때문에 실시간 스트리밍, 게임, VoIP(Voice over IP) 같은 애플리케이션에서 UDP가 주로 사용된다. 이러한 애플리케이션들은 약간의 데이터 손실보다는 빠른 전송이 더 중요하기 때문에, UDP의 비연결형 특성이 적합하다.

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3. TCP와 UDP의 비교

특징	TCP	UDP
연결 설정	3-way handshake로 연결 설정	연결 설정 없음
연결 종료	4-way handshake로 연결 종료	연결 종료 없음
신뢰성	데이터 전송 보장(재전송, 오류 복구)	신뢰성 보장 안 됨(데이터 유실 가능)
순서 보장	순서 보장	순서 보장 안 됨
전송 속도	비교적 느림	매우 빠름
오버헤드	연결 설정, 상태 관리로 인해 큼	매우 적음
사용 사례	파일 전송, 웹 브라우징, 이메일 등	실시간 스트리밍, 게임, VoIP 등

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4. 언제 TCP와 UDP를 선택해야 할까?

TCP가 적합한 경우

• 데이터 손실을 허용할 수 없는 경우: 금융 거래, 파일 전송, 이메일 등 데이터의 신뢰성이 중요한 애플리케이션에서는 TCP가 필수적이다.
• 순서가 중요한 경우: 수신한 데이터의 순서가 틀려서는 안 되는 상황에서는 TCP가 데이터를 정확히 재조립해준다.
• 오류 복구가 필요한 경우: 손실된 데이터를 복구할 수 있는 메커니즘이 필요한 경우, TCP는 자동으로 재전송을 처리한다.

UDP가 적합한 경우

• 속도가 중요한 경우: 실시간 스트리밍, 온라인 게임, VoIP 같은 애플리케이션에서는 빠른 응답성이 중요하며, 약간의 데이터 손실은 허용 가능하다.
• 오버헤드가 적은 경우: 연결 설정 없이 빠르게 데이터를 전송해야 할 때는 UDP가 유리하다.
• 멀티캐스트/브로드캐스트 전송: 다수의 클라이언트에게 데이터를 한 번에 전송해야 할 때 UDP가 더 적합하다.

6. TCP와 UDP를 동시에 사용하는 사례

TCP와 UDP는 각자의 강점이 분명하기 때문에, 특정 애플리케이션에서는 두 프로토콜을 동시에 사용하는 사례도 존재한다. 이러한 사례에서는 두 프로토콜이 서로 보완적 역할을 하며, 전송의 신뢰성과 속도를 모두 충족시킨다.

6.1 온라인 게임

온라인 게임은 실시간으로 많은 데이터를 주고받아야 하기 때문에 UDP가 주로 사용된다. 예를 들어, 게임 캐릭터의 위치나 움직임 정보를 빠르게 전달하는 데 UDP는 적합하다. 다소의 데이터 손실이 발생해도 큰 문제는 없기 때문에 빠른 속도가 우선시된다. 그러나 TCP는 게임 내 채팅이나 상태 업데이트 같은 데이터 손실을 허용할 수 없는 부분에서 사용된다. 이처럼, TCP는 신뢰성이 필요한 정보 전송에 사용되고, UDP는 속도가 중요한 실시간 데이터를 담당하게 된다.

6.2 VoIP(Voice over IP)

VoIP 통화는 UDP를 주로 사용하여 음성 데이터를 빠르게 전송한다. 음성 통화에서는 일부 패킷 손실이 있더라도 큰 문제가 되지 않기 때문에, 빠른 응답성이 중요한 UDP가 더 적합하다. 그러나 연결 설정이나 보안 관리, 제어 패킷 전송과 같은 부분에서는 TCP가 사용된다. 이러한 방식으로 TCP와 UDP가 혼합 사용되며, 통화 품질과 통신 속도를 모두 충족할 수 있다.

6.3 스트리밍 서비스

영상 스트리밍 서비스 역시 두 프로토콜을 혼합하여 사용하는 대표적인 사례다. 스트리밍은 실시간으로 많은 양의 데이터를 주고받아야 하기 때문에 UDP를 이용해 끊김 없이 영상을 전달하는 데 중점을 둔다. 그러나 TCP는 버퍼링 관리, 연결 설정, 사용자 정보 전달 등 관리적인 기능을 담당한다. 이처럼, 스트리밍 서비스는 TCP와 UDP를 함께 사용해 데이터 전송 속도와 안정성을 모두 확보한다.

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결론

TCP와 UDP는 각각의 장점이 있는 만큼, 상황에 따라 적절히 선택하거나 동시에 사용하는 것이 중요하다. TCP는 신뢰성이 중요하고 순서가 보장되어야 하는 통신에 적합하며, UDP는 실시간 성능이 요구되는 애플리케이션에 적합하다. 또한, 특정 애플리케이션에서는 TCP와 UDP를 동시에 사용함으로써 속도와 신뢰성을 모두 얻을 수 있다. 네트워크 통신에서 두 프로토콜의 특성을 이해하고 적절하게 사용하는 것이 성능을 극대화하는 핵심이다.