왜 전송 계층이 따로 필요한가

12편과 13편에서 배운 IP 주소는 호스트(host, 네트워크에 연결된 컴퓨터)까지만 데이터를 데려다준다. 하지만 실제로 우리가 쓰는 컴퓨터 한 대에서는 웹 브라우저, 메신저, 게임이 동시에 인터넷과 통신한다. IP 주소 하나만으로는 이 여러 프로그램 중 “누구에게” 데이터를 전달해야 할지 구분할 수 없다.

쉽게 말하면: IP가 아파트 건물(호스트)까지 택배를 배달한다면, 전송 계층(transport layer)은 그 건물 안에서 몇 호(포트, port)에 사는 사람에게 전달할지를 정한다.

이 문제를 해결하는 것이 OSI 4계층·TCP/IP 전송 계층이다. 전송 계층은 크게 두 가지 프로토콜을 제공한다.

• UDP(User Datagram Protocol, 사용자 데이터그램 프로토콜) — 단순하고 빠르지만 신뢰성을 보장하지 않는다.
• TCP(Transmission Control Protocol, 전송 제어 프로토콜) — 복잡하지만 데이터가 순서대로, 빠짐없이 도착함을 보장한다.

독학사 3단계 컴퓨터네트워크에서 이 둘의 차이는 거의 매 회차 출제되는 핵심 비교 주제다. 이번 편에서는 두 프로토콜의 구조를 뜯어보고, 18편에서는 TCP의 연결 설정과 신뢰성 메커니즘을, 19편에서는 TCP 혼잡 제어를 다룬다.

포트 번호와 다중화

포트가 하는 일

쉽게 말하면: 포트 번호(port number)는 한 컴퓨터 안에서 실행 중인 여러 프로그램(프로세스) 중 데이터를 받을 대상을 구분하는 번호표다.

포트 번호는 16비트 부호 없는 정수이므로 0부터 65535(2의 16제곱 빼기 1)까지 표현할 수 있다. 이 범위는 용도에 따라 세 구간으로 나뉜다.

예를 들어 여러분이 웹 브라우저로 한 사이트에 접속하면, 브라우저는 자신의 임시 포트(예: 51230)에서 상대 서버의 443번 포트로 연결을 시작한다. 서버 입장에서는 443번 포트로 오는 여러 접속을 클라이언트의 IP 주소와 포트 번호 조합으로 구분한다.

소켓과 다중화·역다중화

소켓(socket)은 IP 주소와 포트 번호를 묶은 통신의 끝점(endpoint)이다. 한 세그먼트가 어디서 와서 어디로 가는지는 다음 네 가지 값의 조합, 즉 소켓 4-튜플로 완전히 결정된다.

• 출발지 IP 주소(source IP)
• 출발지 포트(source port)
• 목적지 IP 주소(destination IP)
• 목적지 포트(destination port)

여러 애플리케이션 데이터를 하나의 IP 계층으로 모으는 과정을 다중화(multiplexing)라 하고, 반대로 도착한 세그먼트를 포트 번호에 따라 알맞은 애플리케이션으로 나누어 주는 과정을 역다중화(demultiplexing)라 한다. 07편에서 배운 물리 계층의 다중화(FDM·TDM)와 이름은 같지만 계층과 목적이 다르다는 점을 구분해야 한다. 물리 계층 다중화는 하나의 전송 매체를 여러 신호가 나눠 쓰게 하는 것이고, 전송 계층 다중화는 하나의 IP 스택을 여러 프로세스가 나눠 쓰게 하는 것이다.

UDP: 최소한의 전송 계층

UDP의 설계 철학

UDP는 RFC 768(1980년 제정)로 정의된, 전송 계층에서 가장 단순한 프로토콜이다. UDP는 IP가 제공하는 기능에 딱 하나, 포트를 이용한 다중화·역다중화와 최소한의 오류 검출만 얹는다.

쉽게 말하면: UDP는 “일단 보내고 확인은 안 한다.” 우체국이 엽서를 부치기만 하고 도착 여부는 신경 쓰지 않는 것과 같다.

UDP가 보장하지 않는 것들을 명확히 짚어야 시험에서 헷갈리지 않는다.

• 연결 설정 과정이 없다(비연결형, connectionless) — 보내는 쪽은 상대가 준비됐는지 확인하지 않고 그냥 보낸다.
• 순서를 보장하지 않는다 — 세그먼트가 보낸 순서와 다르게 도착할 수 있다.
• 도착을 보장하지 않는다 — 중간에 유실돼도 재전송하지 않는다.
• 흐름 제어와 혼잡 제어가 없다 — 받는 쪽이 못 따라가거나 네트워크가 혼잡해도 속도를 줄이지 않는다.

UDP 헤더 구조

UDP 헤더는 8바이트(byte)로, 전송 계층 프로토콜 중 가장 작다.

UDP를 쓰는 이유와 대표 응용

UDP는 기능이 적어서 나쁜 프로토콜이 아니라, 오히려 그 단순함 때문에 특정 상황에 최적이다.

• 헤더 오버헤드가 작다 — 8바이트뿐이므로 짧은 메시지를 자주 보낼 때 효율적이다. DNS(20편에서 다룸) 질의·응답이 대표적이다.
• 지연이 낮다 — 연결 설정 과정과 재전송 대기가 없으므로 실시간성이 중요한 음성(VoIP)·화상 통화·온라인 게임에 유리하다. 패킷 하나가 늦게 도착한 옛날 음성 데이터는 재전송받아도 이미 쓸모가 없으므로, 차라리 버리고 다음 데이터를 받는 편이 낫다.
• 신뢰성이 필요하면 애플리케이션이 직접 구현할 수 있다 — 필요한 최소한의 재전송·순서 제어만 애플리케이션 계층에서 얹을 수 있어 유연하다.

TCP: 신뢰성을 보장하는 전송 계층

TCP의 설계 철학

TCP는 IP가 보장하지 않는 신뢰성(순서, 무손실, 중복 없음)을 전송 계층에서 직접 구현한다. 이를 위해 TCP는 연결 지향형(connection-oriented) 프로토콜로 설계됐다 — 실제 데이터를 주고받기 전에 먼저 양쪽이 통신할 준비가 됐는지 확인하는 절차(18편의 3-way handshake)를 거친다.

쉽게 말하면: TCP는 전화 통화와 같다. 말을 시작하기 전에 “여보세요, 들리세요?”로 서로 확인하고, 통화 중에는 상대가 놓친 말이 있으면 다시 말해준다.

TCP 세그먼트 구조

TCP 헤더는 옵션이 없을 때 기본 20바이트로, UDP의 2.5배다. 이 차이가 바로 TCP가 신뢰성·흐름 제어·혼잡 제어를 위해 추가로 들고 다니는 정보의 크기다.

순서 번호(Sequence Number)와 확인 응답 번호(Acknowledgment Number)는 18편에서 다룰 3-way handshake와 재전송의 핵심 재료이므로 이번 편에서는 “TCP는 바이트 단위로 순서를 센다”는 점만 기억해두자. TCP는 세그먼트 단위가 아니라 바이트 스트림(byte stream) 단위로 순서를 매긴다는 점이 자주 나오는 함정이다 — 세그먼트 3개를 보냈다고 순서 번호가 1, 2, 3으로 늘어나는 것이 아니라, 각 세그먼트가 담은 데이터 바이트 수만큼 늘어난다.

UDP vs TCP 정면 비교

이제 두 프로토콜을 시험에 자주 나오는 다섯 가지 기준으로 정리한다. “옳지 않은 것을 고르시오” 유형에서는 이 표의 항목이 서로 뒤바뀌어 출제되는 경우가 많으므로 각 항목의 이유까지 함께 기억해야 한다.

이 표를 외우기보다 이유로 연결해서 이해하는 것이 시험 대비에 더 효과적이다. UDP가 빠른 이유는 확인 절차가 없기 때문이고, TCP가 느린 이유는 바로 그 확인 절차(연결 설정, ACK 대기, 재전송)가 신뢰성의 대가이기 때문이다. 즉 “UDP가 빠르다”와 “TCP가 신뢰성이 높다”는 서로 다른 두 특성이 아니라, 같은 설계 트레이드오프(trade-off, 상충 관계)의 양면이다.

자주 틀리는 점

• “UDP는 오류 검출도 안 한다”는 착각 — UDP도 검사합(checksum) 필드를 갖고 있어 데이터 손상 여부는 확인할 수 있다. UDP가 안 하는 것은 손상되거나 유실된 데이터의 재전송이다. 오류 검출과 오류 정정(재전송)을 구분해야 한다.
• “TCP는 항상 UDP보다 좋다”는 착각 — 신뢰성이 필요 없거나 오히려 방해가 되는 실시간 스트림에서는 TCP의 재전송 대기가 오히려 지연을 키운다. 좋고 나쁨이 아니라 용도에 따른 선택이다.
• 포트 번호와 IP 주소를 혼동 — 포트는 전송 계층(4계층)의 개념이고 IP 주소는 네트워크 계층(3계층)의 개념이다. 같은 IP 주소를 가진 한 컴퓨터 안에서도 포트로 여러 서비스를 구분한다.
• 순서 번호가 세그먼트 개수라는 착각 — 앞서 설명했듯 TCP 순서 번호는 바이트 단위로 증가한다.

핵심 정리

• 전송 계층은 포트 번호를 이용해 IP가 구분하지 못하는 애플리케이션 단위 통신을 다중화·역다중화한다.
• UDP는 8바이트 헤더의 비연결형·최소 기능 프로토콜로, 신뢰성·순서·흐름 제어·혼잡 제어를 모두 제공하지 않는 대신 빠르고 가볍다.
• TCP는 최소 20바이트 헤더의 연결 지향형 프로토콜로, 순서 번호·확인 응답 번호·플래그·윈도우 필드를 이용해 신뢰성과 흐름·혼잡 제어를 구현한다.
• UDP와 TCP의 차이는 “속도 대 신뢰성”이라는 하나의 트레이드오프에서 나온다. 어느 쪽이 우월한 게 아니라 응용 목적에 따라 선택된다.
• TCP의 연결 설정·재전송 절차는 18편, 혼잡 제어는 19편에서 이어서 다룬다.

마무리 복습

참고 자료

• MDN Web Docs - TCP 
• IETF RFC 768 - User Datagram Protocol