UDP

User Datagram Protocol, udp, 유저 데이터그램 프로토콜

정의

UDP (User Datagram Protocol)는 비연결·비신뢰 전송 계층 프로토콜이다. RFC 768 (1980) 로 정의되었다. TCP 와 대비된다.

“보내고 잊는다(fire-and-forget)”, 송신측은 패킷을 던지고 끝, 받았는지 안 받았는지 확인하지 않는다.

언제 쓰이나

신뢰성보다 저지연·저오버헤드가 더 중요할 때.

• DNS: 작은 질의·응답, 응답 안 오면 재시도하면 됨
• 실시간 미디어: 비디오 통화에서 1 프레임 손실은 재전송할 시간이 없음, 다음 프레임이 더 중요
• 게임: 위치 업데이트가 1 패킷 잃어도 다음 패킷이 곧 옴
• DHCP, NTP, SNMP: 단순한 요청·응답
• QUIC / HTTP/3: UDP 위에서 신뢰성·순서 보장을 사용자 영역에서 직접 구현

헤더 구조

UDP 패킷 헤더는 총 8 bytes (TCP 의 20+ bytes 와 대비).

필드	크기	설명
Source Port	2 bytes	송신측 포트
Destination Port	2 bytes	수신측 포트
Length	2 bytes	헤더 + 데이터 길이
Checksum	2 bytes	무결성 검증

TCP 헤더 (20 bytes 이상, 옵션 포함 시 최대 60 bytes) 와 비교하면, UDP 헤더는 응용에 필요한 최소 정보만 담는다. 흐름 제어, 혼잡 제어, 재전송 등 모든 신뢰성 메커니즘을 제거한 결과다.

전송 방식, Fire-and-Forget

sequenceDiagram
    participant A as 송신측
    participant N as 네트워크
    participant B as 수신측
    A->>N: 데이터그램 1
    N->>B: 데이터그램 1 도착
    A->>N: 데이터그램 2
    N--xB: 데이터그램 2 손실
    A->>N: 데이터그램 3
    N->>B: 데이터그램 3 도착
    Note over A: 손실 여부 모름, 계속 전송
    Note over B: 1, 3 수신. 2 누락 인지 못함

UDP 는 핸드셰이크 없이 즉시 송신한다. ACK 없음, 손실되어도 송신측은 알 수 없다.

TCP 와 비교

항목	TCP	UDP
연결	3-way handshake 필요	연결 없음
신뢰성	손실 재전송	없음
순서	보장	보장 안 함
흐름 제어	있음	없음
혼잡 제어	있음	없음
헤더 크기	20-60 bytes	8 bytes
지연시간	높음	낮음
브로드캐스트/멀티캐스트	불가	가능

MTU 와 단편화

MTU (Maximum Transmission Unit): 이더넷 표준 1500 bytes. IP 헤더 20 bytes + UDP 헤더 8 bytes = 실데이터 최대 1472 bytes (이더넷 기준).

이보다 큰 데이터그램은 IP 계층에서 단편화(fragmentation) 된다.

flowchart LR
    D["UDP 데이터그램\n3000 bytes"] -->|"IP 단편화"| F1["IP 프래그먼트 1\n1480 bytes"]
    D --> F2["IP 프래그먼트 2\n1480 bytes"]
    D --> F3["IP 프래그먼트 3\n40 bytes"]
    F1 -->|"수신측 재조립"| R["재조립된 데이터그램"]
    F2 --> R
    F3 --> R

최적 페이로드 크기 = Path MTU - IP 헤더 - UDP 헤더
이더넷 기준: 1500 - 20 - 8 = 1472 bytes

브로드캐스트 / 멀티캐스트

UDP 는 1:N 전송을 지원한다. TCP 는 1:1 연결만 가능.

전송 방식	설명	UDP	TCP
유니캐스트	1:1	O	O
브로드캐스트	1:네트워크 전체	O	X
멀티캐스트	1:그룹 구독자	O	X

• DHCP: 브로드캐스트로 서버 탐색
• mDNS / DNS-SD: 로컬 서비스 발견 (Bonjour)
• IPTV: 멀티캐스트로 동일 스트림을 여러 수신자에 전달

”UDP 위에 신뢰성을 다시 만든다”는 역설

QUIC, WebRTC DTLS/SRTP, 게임 엔진의 reliable UDP 가 모두 UDP 위에서 TCP 와 유사한 기능을 직접 구현한다. 왜?

• TCP 의 한계를 우회: OS 커널 의존, Head-of-Line Blocking, 연결 변경 시 끊김
• 선택적 신뢰성: 메시지마다 “ordered / unordered, reliable / unreliable” 선택 가능
• 빠른 진화: 사용자 영역 구현이라 OS 업데이트 없이 개선

flowchart TB
    UDP["UDP (비연결, 비신뢰)"]
    UDP --> QUIC["QUIC\n신뢰성 + 순서 + 암호화 + 멀티스트림"]
    UDP --> WebRTC["WebRTC DTLS/SRTP\n암호화 미디어 스트림"]
    UDP --> Game["게임 Reliable UDP\n선택적 신뢰성"]
    UDP --> DNS["DNS\n단순 질의/응답"]
    UDP --> NTP["NTP / SNMP\n단순 프로토콜"]

UDP 의 “단순함”은 양날의 검, 직접 구현해야 하지만 그만큼 유연하다.

실전 예시

DNS 질의 (Python)

import socket
import struct

def build_dns_query(hostname: str) -> bytes:
    """간이 DNS A 레코드 요청 패킷"""
    transaction_id = b"\xab\xcd"
    flags = b"\x01\x00"   # 표준 질의
    questions = b"\x00\x01"
    answers = rrcount = additional = b"\x00\x00"
    
    # QNAME 인코딩
    qname = b""
    for part in hostname.split("."):
        qname += bytes([len(part)]) + part.encode()
    qname += b"\x00"
    
    qtype = b"\x00\x01"   # A 레코드
    qclass = b"\x00\x01"  # IN (인터넷)
    return transaction_id + flags + questions + answers + rrcount + additional + qname + qtype + qclass


def dns_lookup(hostname: str) -> bytes:
    sock = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_DGRAM)  # SOCK_DGRAM = UDP
    sock.settimeout(2.0)
    
    query = build_dns_query(hostname)
    sock.sendto(query, ("8.8.8.8", 53))  # Google Public DNS
    
    # 응답이 없으면 timeout 예외 -> 재시도 (애플리케이션 레벨 신뢰성)
    response, _ = sock.recvfrom(512)
    sock.close()
    return response

실시간 게임 위치 동기화

import socket
import struct
import time

sock = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_DGRAM)

def send_position(x: float, y: float, seq: int, server: tuple):
    # 패킷: seq(4B) + x(4B) + y(4B) = 12 bytes
    payload = struct.pack("!Iff", seq, x, y)
    sock.sendto(payload, server)
    # ACK 없음: 손실된 위치는 무시, 다음 패킷이 곧 도착

SERVER = ("game.example.com", 7777)
seq = 0
while True:
    send_position(player.x, player.y, seq, SERVER)
    seq += 1
    time.sleep(0.05)  # 20 Hz 업데이트

UDP 서버 (에코 서버)

import socket

def udp_echo_server(port: int = 9999):
    sock = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_DGRAM)
    sock.bind(("0.0.0.0", port))
    print(f"UDP Echo Server on port {port}")

    while True:
        data, addr = sock.recvfrom(1024)
        print(f"Received {len(data)} bytes from {addr}")
        sock.sendto(data, addr)  # 에코 (연결 없이 즉시 응답)

함정

UDP 포트 번호 주요 사례

잘 알려진 UDP 포트 (Well-Known Ports):

포트	프로토콜	설명
53	DNS	도메인 이름 조회
67/68	DHCP	IP 주소 자동 할당
123	NTP	시간 동기화
161/162	SNMP	네트워크 장비 관리
443	QUIC	HTTP/3 (TLS over UDP)
5353	mDNS	로컬 서비스 발견
5004	RTP	실시간 미디어 전송

관련 위키

• TCP - 신뢰성 있는 대안 프로토콜
• QUIC - UDP 위에 구현된 차세대 전송 계층
• HTTP/3 - QUIC 기반 HTTP
• Head-of-Line Blocking - TCP 의 단점
• DTLS - UDP 기반 TLS
• WebRTC - UDP 기반 실시간 미디어
• OSI 7계층 - 전송 계층 (Layer 4) 컨텍스트