ネットワークプロトコルTCPとUDPの違いとその用途

1. この記事の目的

ネットワークプロトコルとは?

ネットワークプロトコルとはコンピュータやデバイスが通信する際の規約で「言語」や「規則」のようなものです。具体的にはデータの送受信方法・データの形式・エラー処理の方法など通信をスムーズに行うための手順や規格を指します。これにより異なるデバイスやソフトウェア間でもデータのやり取りが確実に行われることが保証されます。

例えば人々が異なる言語を話す国々での国際会議では、通訳がいれば異なる言語を話す参加者同士でも意思の疎通が可能となります。ネットワークプロトコルも同様の役割を果たし異なるデバイスやシステム間の「通訳」のような役割を担っています。

なぜTCPとUDPを知る必要があるのか?

TCPとUDPはインターネットをはじめとするネットワーク上で最も広く利用されているトランスポート層のプロトコルです。これらのプロトコルはウェブブラウジング・メール送信・オンラインゲーム・ストリーミングサービスなど、私たちが日常的に利用する多くのアプリケーションやサービスの背後に存在します。

OSI参照モデルのトランスポート層については次の記事で詳細に解説しています。

https://envader.plus/article/38

TCPとUDPの違いの理解

エンジニアとして、TCPとUDPの違いを理解することは以下のような理由で非常に重要です。

最適なプロトコルの選択

あるアプリケーションやサービスを設計・開発する際、どちらのプロトコルを使用するべきかの判断基準を知ることで、ユーザーエクスペリエンスやパフォーマンスを最適化できます。

問題のトラブルシューティング

ネットワーク関連の問題が発生した際、TCPやUDPの動作原理を知っていれば問題の原因を特定しやすくなります。

技術の進化への適応

新しい技術やプロトコルが登場する際に既存のプロトコルの知識があると新しい技術への適応や理解が容易になります。

TCPとUDPの知識はエンジニアとしての技術的な基盤を強化し効果的な問題解決能力の向上に寄与します。

2. TCP (Transmission Control Protocol) の概要

TCPが使用される状況

TCP（Transmission Control Protocol）はデータの信頼性や順序性が要求される通信で主に使用されます。ウェブページのローディング・ファイルのダウンロード・メールの送受信・データベースへのクエリなどが含まれます。特にデータの欠損や順序の乱れが許されない状況での選択として重宝されます。

TCPの主な特徴

信頼性

TCPはデータの正確な伝送を保証します。送信したデータパケットが正確に受信側に届いたことを確認しデータにエラーや欠損があった場合、再送を行います。これにより情報の途中欠落や乱れを防ぐことができます。

コネクション指向

通信を開始する前に送信者と受信者の間で「ハンドシェイク」と呼ばれる接続手続きを行います。これによりデータの送受信が開始される前に安全な通信路が確立されることが保証されます。

フロー制御

データの送受信速度を動的に管理します。ネットワークの混雑状況や受信側の処理速度に応じてデータの送信速度を調整することで、効率的な通信を実現するための機能です。

再送制御

データパケットが適切に受信されなかった場合そのデータを再送します。ネットワークの混雑や一時的な障害が生じてもデータの正確な伝送が確保されます。

TCPの使用例

ウェブブラウジング

ウェブページのテキスト・画像・スクリプトなどのコンテンツはHTTPやHTTPSプロトコルを通じてTCPを使用して転送されます。

メール送受信

SMTP・IMAP・POP3などのメールプロトコルはメッセージの安全な送受信を確保するためにTCPを使用します。

ファイル転送

FTP (File Transfer Protocol) は、大きなファイルをインターネット経由で転送する際に用いられTCPを利用してデータの信頼性を確保します。

データベース通信

企業やウェブアプリケーションがデータベースにクエリを送信する際にその応答が確実かつ正確に届くようTCPが使用されます。

3. UDP (User Datagram Protocol) の概要

UDPが使用される状況

UDP（User Datagram Protocol）は低い遅延が要求される状況やデータの一部の欠落が許容される場面で使用されることが多いです。リアルタイムの音声や動画ストリーミングやゲームのオンラインマルチプレイ、DNSクエリなどのアプリケーションで利用されます。

UDPの主な特徴

非接続指向

UDPはデータの送受信を開始する前に通信相手との接続を確立しません。このため通信の開始が迅速です。

最小限のオーバーヘッド

UDPはヘッダ情報が最小限で余分な通信機能やエラー処理機能が省略されているためオーバーヘッドが少ないです。

信頼性のなさ

UDPは送信したデータが正確に受信側に届くことまたは順序通りに届くことを保証しません。高速な通信が求められる場面で有用ですが、信頼性が必要な場面では適していません。

実世界のUDPの使用例

オンラインゲーム

リアルタイム性が重要なオンラインゲームは低遅延でデータを送受信するためにUDPを利用することが多いです。

VoIP (Voice over Internet Protocol)

音声通話サービスの一部は音声データのリアルタイム伝送のためにUDPを使用します。

動画ストリーミング

一部の動画ストリーミングサービスは低遅延での動画データ伝送を実現するためUDPを使用します。

DNS (Domain Name System)

ドメイン名をIPアドレスに変換する際、迅速なクエリ応答を求められるためUDPが利用されます。

4. TCPとUDPの主な違い

ネットワークプロトコルとしてのTCPとUDPはデータの送受信の方法において根本的な違いを持っています。その主要な違いを次のとおりにまとめます。

1. 信頼性と速度

TCPは信頼性が高い

データは順序通りでかつ正確に受信側に届くことが保証されます。データが失われるまたは破損すると再送が行われます。この信頼性の確保のための処理がオーバーヘッドとなり、UDPと比べて遅延が生じることがあります。

UDPは速度が優れている

データの送受信は高速で再送や順序の保証は行われません。このためオーバーヘッドが少なくリアルタイム性が求められるアプリケーションに適しています。

2. 接続の有無

TCP: 接続指向

通信を開始する前に送信側と受信側の間で接続が確立されます（3ウェイハンドシェイク）。通信のセッションが確立されデータの送受信が行われます。

UDP: 非接続指向

事前の接続確立なしにデータを送受信します。通信の開始が迅速です。

3. ユースケースに応じた選択

TCPの使用例

ウェブブラウジング・メールの送受信・ファイル転送など、データの完全性と順序が重要な場面。

UDPの使用例

オンラインゲーム・ストリーミングメディア・VoIPなど、リアルタイム性や低遅延が求められる場面。

TCPとUDPの選択はアプリケーションの要求や必要とされる性能によって決まります。信頼性と完全性が重要な場合はTCP速度とリアルタイム性が重要な場合はUDPを選択するのが一般的です。

まとめ

TCPとUDPはデータの送受信方法において異なる特性を持つネットワークプロトコルです。TCPは信頼性が高く、データの順序や完全性を保証する接続指向のプロトコルで、ウェブブラウジングやファイル転送などの用途に適しています。一方、UDPは非接続指向で、再送や順序の保証はせず、オーバーヘッドが少ないためリアルタイム性が要求されるオンラインゲームやストリーミングなどに適しています。

どちらのプロトコルを選ぶかは使用するアプリケーションのニーズによって異なります。