[네트워크] 3.3 Connectionless transport: UDP / 비연결성 운송

지금부터는 UDP: User Datagram Protocol 에 대해서 배워볼 차례이다.

1. UDP 프로토콜의 주요 특징

• 최소한의 기능 제공 (No-frills, Bare-bones): UDP는 신뢰성, 순서 보장, 흐름 제어와 같은 부가적인 기능 없이 데이터그램을 전송하는 핵심 기능에만 집중하는 인터넷 전송 계층 프로토콜입니다.
• 최선형 서비스 (Best-Effort Service): UDP는 데이터 전송을 보장하지 않습니다. 따라서 UDP 세그먼트는 다음과 같은 상황이 발생할 수 있습니다.
  • 손실 (Lost): 네트워크 혼잡이나 오류로 인해 중간에 유실될 수 있습니다.
  • 순서 비보장 (Delivered out-of-order): 송신된 순서와 다르게 수신 측 애플리케이션에 전달될 수 있습니다.
• 비연결성 (Connectionless): UDP는 데이터를 전송하기 전에 송신자와 수신자 간에 논리적 연결을 설정하는 과정을 거치지 않습니다.
  • 핸드셰이킹 부재 (No handshaking): TCP의 3-way-handshake와 같은 연결 설정 절차가 없어 지연 시간이 없습니다.
  • 독립적인 세그먼트 처리: 모든 UDP 세그먼트(데이터그램)는 이전 또는 이후의 세그먼트와 아무런 관계 없이 독립적으로 처리됩니다.

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2. UDP의 존재 이유 (설계 목적)

이러한 최소한의 특징은 특정 응용 분야에서 다음과 같은 명확한 장점을 제공합니다.

• 연결 설정 지연 없음: 연결 설정 과정이 없으므로, TCP에서 발생하는 왕복 시간(RTT) 지연이 발생하지 않습니다. 따라서 데이터 전송을 즉시 시작할 수 있어 지연에 민감한 애플리케이션에 유리합니다.
• 단순한 프로토콜 구조: 송신자와 수신자 양측에서 연결 상태(Connection State)를 유지할 필요가 없습니다. 이는 프로토콜의 구현을 단순화하고 운영체제의 리소스 부담을 줄여줍니다.
• 작은 헤더 크기: UDP 헤더는 8바이트로, 최소 20바이트인 TCP 헤더에 비해 매우 작습니다. 이는 전송 오버헤드를 감소시켜 대역폭 활용 효율을 높입니다.
• 혼잡 제어 부재: UDP는 자체적인 혼잡 제어(Congestion Control) 메커니즘을 수행하지 않습니다.
  • 이는 애플리케이션이 원하는 전송률로 데이터를 제약 없이 보낼 수 있음을 의미합니다.
  • 네트워크에 혼잡이 발생하더라도 전송률을 자체적으로 줄이지 않으므로, 약간의 데이터 손실을 감수하더라도 실시간성을 유지해야 하는 애플리케이션(예: 실시간 스트리밍, 온라인 게임)에 적합합니다.

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3. UDP: Transport Layer Actions

(1) Sender Actions : 캡슐화 (Encapsulation)

Sender의 Actions

• 메시지 수신: 애플리케이션 계층(SNMP 클라이언트)으로부터 전송할 메시지(SNMP msg)를 전달받습니다.
• 헤더 정보 결정: 전송 계층(UDP)은 출발지/목적지 포트 번호, 길이, 체크섬(Checksum) 등의 정보를 포함하는 UDP 세그먼트 헤더(UDP_h) 필드 값을 결정합니다.
• 세그먼트 생성: 애플리케이션 메시지에 UDP 헤더를 붙여 UDP 세그먼트(UDP Segment)를 생성합니다. 이 과정을 캡슐화라고 합니다.
• 하위 계층 전달: 생성된 UDP 세그먼트를 하위 계층인 네트워크 계층(IP)으로 전달하여 전송을 요청합니다.

(2) Receiver Actions: 디캡슐화 및 역다중화 (Decapsulation & Demultiplexing)

receiver actions

• 세그먼트 수신: 네트워크 계층(IP)으로부터 UDP 세그먼트를 전달받습니다.
• 헤더 무결성 검사: UDP 헤더에 포함된 체크섬(Checksum) 값을 확인하여 전송 중 데이터에 오류가 발생했는지 검사합니다.
• 메시지 추출: UDP 헤더를 제거하고 내부에 포함된 애플리케이션 계층 메시지(SNMP msg)를 추출합니다. 이 과정을 디캡슐화(Decapsulation)라고 합니다.
• 역다중화(Demultiplexing): 헤더에 명시된 목적지 포트 번호를 참조하여, 해당 데이터를 수신해야 할 올바른 소켓(Socket)을 식별하고 그 소켓을 통해 상위 애플리케이션(SNMP 서버)으로 메시지를 전달합니다.

(3) UDP Segment header

segment header

• UDP 헤더 (Header): 총 8바이트 (64비트) 크기이며, 4개의 필드로 구성됩니다. 
  • Source Port (16 bits): 송신 측 프로세스를 식별하는 포트 번호입니다. 응답을 받지 않는 단방향 통신에서는 0으로 설정될 수 있습니다.
  • Destination Port (16 bits): 수신 측 프로세스를 식별하는 포트 번호입니다. 수신 호스트가 이 값을 사용하여 올바른 애플리케이션 소켓으로 데이터를 역다중화(demultiplex)하므로 필수적인 필드입니다.
  • Length (16 bits): UDP 헤더와 데이터를 모두 포함한 UDP 세그먼트 전체의 길이를 바이트(byte) 단위로 나타냅니다. 최소값은 헤더의 길이인 8바이트입니다.
  • Checksum (16 bits): 헤더와 데이터 영역 모두에 대한 오류 검출을 위해 사용됩니다. 송신 측은 특정 알고리즘으로 체크섬 값을 계산하여 이 필드에 포함시키고, 수신 측은 동일한 계산을 수행하여 데이터의 무결성을 검증합니다. 오류가 발견되면 해당 세그먼트는 일반적으로 폐기됩니다. 이 필드는 IPv4에서는 선택 사항이지만, IPv6에서는 필수입니다.

• Application Data (Payload):
  • 상위 애플리케이션 계층으로부터 전달받은 실제 데이터입니다. 이 데이터의 크기는 Length 필드의 값에서 헤더 크기인 8바이트를 뺀 값과 같습니다.

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4. UDP checksum

⇒ Goal: detect errors (i.e., flipped bits) in transmitted segment

해당 UDP 세그먼트는 수신 측 운영체제(OS)의 프로토콜 스택에 의해 '조용히 폐기(Silently Discarded)'됩니다.

• '조용히 폐기'의 의미:
  1. 송신 측에 오류 통보 없음: 수신 측은 데이터 손상 사실을 송신 측에 알리는 어떠한 종류의 오류 메시지(예: ICMP 메시지)도 보내지 않습니다. 따라서 송신자는 세그먼트가 폐기되었다는 사실을 알 수 없습니다.
  2. 애플리케이션 계층으로 전달 안 됨: 손상된 것으로 판단된 해당 세그먼트는 상위 계층인 애플리케이션으로 절대 전달되지 않습니다. 데이터를 기다리던 애플리케이션은 해당 데이터를 수신하지 못하게 됩니다.

⇒ 이로 인한 다음의 동작이 있다.

(1) Sender의 동작

1. 데이터 분할: 체크섬 계산을 위해 UDP 세그먼트의 전체 내용(UDP 헤더, 데이터, 그리고 IP 헤더의 일부 정보인 가상 헤더 포함)을 16비트 단위의 정수(Integer) 시퀀스로 간주합니다.
2. 체크섬 계산: 이 16비트 정수들을 1의 보수 합(One's Complement Sum) 방식으로 모두 더합니다.
   • 1의 보수 합은 모든 16비트 워드(word)를 더하고, 덧셈 과정에서 자리올림(carry)이 발생하면 그 값을 최하위 비트(LSB)에 다시 더해주는 연산입니다. 최종 합계에 대해 1의 보수(비트 반전)를 취한 값이 최종 체크섬이 됩니다.
   • 체크섬 필드 저장: 계산된 결과값을 UDP 헤더의 체크섬 필드에 삽입하여 전송합니다.

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(2) Receiver의 동작

1. 체크섬 재계산: 수신한 세그먼트의 모든 내용(헤더의 체크섬 필드는 0으로 간주)에 대해 송신 측과 동일한 1의 보수 합 연산을 수행하여 체크섬 값을 계산합니다.
2. 값 비교 및 검증:
   • 불일치 (Not equal): 수신 측에서 계산한 값과 세그먼트의 체크섬 필드에 포함된 값이 다를 경우, 전송 중 오류가 발생했다고 판단하고 해당 세그먼트를 폐기합니다.
   • 일치 (Equal): 두 값이 같을 경우, 오류가 없는 것으로 간주하고 데이터를 상위 계층으로 전달합니다.
   • "But maybe errors nonetheless?"의 한계점: 체크섬 메커니즘은 100% 완벽하지 않습니다. 예를 들어, 2개 이상의 비트에서 오류가 발생했지만 우연히 그 결과가 상쇄되어 체크섬 값이 동일하게 계산되는 경우가 이론적으로 가능합니다. 따라서 오류가 탐지되지 않았다고 해서 데이터의 무결성이 100% 보장되는 것은 아님을 시사합니다.

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마무리

UDP는 ‘빠름’을 위해 신뢰를 포기한 프로토콜입니다.

연결 설정, 혼잡 제어, 순서 보장 같은 기능을 과감히 제거함으로써

지연을 최소화하고, 애플리케이션이 즉시 데이터를 전송할 수 있도록 설계되었습니다.

 

하지만 이 단순함은 곧 ‘책임의 이전’을 의미합니다.

데이터 손실, 순서 뒤섞임, 전송률 제어는 이제 애플리케이션이 직접 해결해야 할 과제입니다.

다음은 Principles of reliable data transfer로 찾아 뵙겠습니다.