[네트워크] 트랜스포트 계층(3) - UDP

 

서론

[네트워크] 트랜스포트 계층(2) - 다중화와 역다중화

이전 게시글에서는 다중화와 역다중화에 대해서 알아보았습니다.
이번 게시글에서는 UDP가 어떻게 동작하고 무엇을 하는지 정리해 보겠습니다.

UDP

UDP는 세그먼트를 송신하기 전에 송신 트랜스포트 계층 개체들과 수신 트랜스포트 계층 개체들 사이에 핸드셰이크를 사용하지 않습니다. 이런 이유로 UDP를 비연결형이라고 합니다. 반면에 TCP는 연결 지향형으로 신뢰성을 보장한다는 특징이 있습니다. 데이터를 송수신하기 전에 먼저 핸드셰이킹 과정을 거쳐야 하고 송신한 패킷에 오류가 있거나 손실이 있을 경우 재전송을 하기 때문에 신뢰성을 보장한다는 장점이 있지만 그로 인해 속도가 저하된다는 단점이 있습니다.
UDP는 다음과 같은 특징을 가지고 있습니다.

1. 연결 설정이 없다
   • TCP는 데이터를 전송하기 전에 three-way handshake를 사용합니다. 반면에 UDP는 형식적인 예비동작 없이 전송하기 때문에 연결을 위한 어떤 지연도 없습니다.
2. 연결 상태가 없다
   • TCP는 종단 시스템에서 연결 상태를 유지합니다. 이 연결 상태는 수신 버퍼 및 송신 버퍼, 혼잡제어 파라미터, 순서 번호와 확인 응답 번호 파라미터를 포함합니다. 상태 정보는 TCP의 신뢰적인 데이터 전송 서비스를 구현하고 혼잡 제어를 제공하기 위해서 필요합니다. 이에 반해, UDP는 연결 상태를 유지하지 않으며 이 파라미터 중의 어떤 것도 기록하지 않습니다. 그래서 일반적으로 특정 애플리케이션에 할당된 서버는 애플리케이션이 TCP보다 UDP에서 동작할 때 좀 더 많은 클라이언트를 수용할 수 있습니다.
3. 작은 패킷 헤더 오버헤드
   • TCP가 세그먼트마다 20바이트의 헤더 오버헤드를 갖는 반면에 UDP는 단지 8바이트의 오버헤드를 가집니다.

 

인기 있는 인터넷 애플리케이션과 그 하위 트랜스포트 프로토콜

위 이미지는 인기 있는 인터넷 애플리케이션과 인터넷 애플리케이션이 사용하는 트랜스포트 프로토콜의 목록을 나타냅니다.

UDP 세그먼트 구조

아래 이미지는 UDP 세그먼트의 구조를 나타냅니다.

UDP 세그먼트 구조

애플리케이션 데이터는 UDP 데이터그램의 데이터 필드에 위치합니다. 예를 들면 DNS에 대한 데이터 필드에는 질의 메시지나 응답 메시지를 포함합니다. 스트리밍 오디오 애플리케이션에는 오디오 샘플이 데이터 필드를 채웁니다. UDP 헤더는 2바이트씩 구성된 4개의 필드를 가집니다. 이전 게시글에서 설명한 것처럼, 포트 번호는 목적지 호스트가 목적지 종단 시스템에서 동작하는(역다중화 기능을 수행하는) 정확한 프로세스에게 애플리케이션 데이터를 넘기게 해 줍니다.
체크섬(checksum)은 세그먼트에 오류가 발생했는지를 검사하기 위해 수신 호스트에 의해서 사용됩니다. 사실 체크섬은 UDP 세그먼트 이외에 IP 헤더의 일부 필드도 계산합니다.
이제 체크섬 계산에 대해 알아보겠습니다. 길이 필드는 헤더를 포함하는 UDP 세그먼트의 길이(바이트 단위)를 나타냅니다.

UDP 체크섬

UDP 체크섬은 오류 검출을 제공합니다. 즉, 체크섬은 세그먼트가 출발지로부터 목적지로 이동했을 때, UDP 세그먼트 안의 비트에 대한 변경사항이 있는지 검사하는 것입니다. 송신 측에서 UDP는 세그먼트 안에 있는 모든 16비트 워드 단위로 더하고 이에 대하여 다시 1의 보수를 수행하며, 덧셈 과정에서 발생하는 오버플로는 "윤회식 자리올림(wrap around)"합니다. 이 결과값이 UDP 세그먼트의 체크섬 필드에 삽입됩니다.
체크섬 계산의 간단한 예를 한번 들어보겠습니다.
세그먼트가 만약 10110101010101010101010101010101101110111011101011101110111110110110101..... 이런 식으로 되어 있다면 이를 16비트씩 분할하여 더합니다.
만약 분할했을 때 다음과 같이 3개가 나온다 가정해봅시다.

1. 10110011001100000
2. 0101010101010101
3. 1000111100001100

먼저 1번과 2번의 합은 다음과 같습니다.

1번과 2번의 합

그다음 이 결과를 3번과 더하면 다음과 같습니다.

위 결과와 3번의 합

결과가 1이 오버플로우 돼서 나오는 걸 알 수 있습니다. 이럴 경우 결과에 다시 더합니다.(= 윤회식 자리 올림)

윤회식 자리올림

이제 최종적으로 0100101011000010을 1의 보수 형태로 취하면(0은 1, 1은 0으로 변경) 1011010100111101이고, 이것이 체크섬이 됩니다.
수신자에서는 체크섬을 포함한 4개의 모든 16비트 워드들을 더합니다. 만약 패킷에 어떤 오류도 있지 않다면 수신자에서의 합은 1111111111111111이 돼야 할 것입니다. 만약 하나라도 0이 있다면 패킷에 오류가 발생했음을 알 수 있습니다.
이를 통해서 UDP는 오류 검사를 제공한다는 것을 알 수 있습니다. 하지만 UDP는 오류 검사를 제공할 뿐 오류를 회복하기 위한 어떤 일도 하지 않습니다.

 

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[네트워크] 트랜스포트 계층(4) - RDT(신뢰적인 데이터 전달)