TCPとUDPの違い ― どっちを使うべきか

TCPとUDPの違いは、確実さと速さのどちらを優先するかにあります。どちらも通信の手順を定めたプロトコルで、OSI参照モデルでは第4層のトランスポート層に属します。データを運ぶという役割は同じです。選ぶときの基準は次のとおりです。

選択を誤ると、通話が途切れたり、ファイルが壊れたりします。この基準で選ぶ理由は、それぞれの仕組みを知ると分かります。

TCPはコネクション型のプロトコルで、データを送る前に、まず相手と接続を結びます。接続を結ぶときは、3回のやりとりでお互いの準備を確認します。

この手順を3ウェイハンドシェイクと呼びます。一方、UDPには接続の手順がありません。このような方式をコネクションレス型と呼びます。

3回のやりとりの中身は、次のとおりです。まず、接続を要求する側のクライアントが、「つなぎたい」という意味のSYNを送ります。要求を受けたサーバは、「いいよ、こちらもつなぎたい」という意味のSYN+ACKを返します。最後にクライアントが、「了解」という意味のACKを返します。

こうして互いの受信準備を確認してから、通信を始めます。そのため、データを送り始めるまでに1往復かかります。通信を終えるときは、FIN、ACK、FIN、ACKの4回のやりとりで接続を閉じます。この閉じ方を4ウェイクローズと呼びます。

再送制御：届かなければ、もう一度送る

TCPはデータを送るたびに、受信を知らせる相手からの応答を待ちます。この応答がACKです。

一定時間が経ってもACKが返ってこなければ、TCPはデータが届かなかったと判断し、同じデータを再送します。再送回数が上限に達しても届かなければ、接続を失敗とみなします。

このためTCPでは、データが届かなかった場合に、送信側がそれを把握できます。シーケンス番号とACK番号が何を数えているかなど、具体的な数値での流れは3ウェイハンドシェイクの記事で説明しています。

順序制御：届いた順ではなく、送った順に組み立てる

ネットワーク上では、先に送ったデータが後から届くことがあります。そこでTCPは、送るデータに番号を付けています。この番号は送ったバイト数を数えたもので、シーケンス番号と呼びます。

受信側は、届いた順序に関係なく、この番号に従ってデータを送信時の順に並べ直します。その後、データを上位のアプリに渡します。

フロー制御と輻輳制御：送りすぎないための調整

TCPは再送と順序制御に加えて、送信量そのものも調整します。受信側の処理能力に合わせて送信量を抑える仕組みが、フロー制御です。回線の混雑に合わせて送信量を抑える仕組みが、輻輳（ふくそう）制御です。

どちらも3ウェイハンドシェイクの記事で説明しています。回線の速度から転送にかかる時間を求める計算は、伝送時間・回線利用率の計算の記事にまとめています。

UDPは、TCPが行っている手続きをそもそも行いません。接続を確立するハンドシェイクはなく、届いたかどうかの確認も、再送も、順序の並べ直しもしません。

その分、ヘッダは8バイトしかなく、TCPの20バイト〜と比べて小さくなります。手続きが少なくヘッダも小さいので、本来のデータ以外にかかる負荷も小さくなります。この負荷をオーバーヘッドと呼びます。

そのためUDPは、軽く、速く送れます。その代わり、到達や順序の保証が必要なら、アプリケーション側で用意する必要があります。

音声通話は、失われた音声を再送しても会話に間に合わないので、ふつうUDPを使います。回線が混んでも音声を先に通すようにする仕組みは、QoSの記事で説明しています。

ファイル転送のFTPは、表のとおりTCPを使います。一方、時計を合わせるNTPは、UDPの123番を使います。それぞれの仕組みは、FTP・TELNET・NTPの記事にまとめています。

通信の相手がどのコンピュータかを区別するのはIPアドレスで、そのコンピュータの中のどのアプリ宛てかを区別するのはポート番号です。TCPとUDPは、それぞれ別のポート番号を持っています。詳しくはポート番号の記事で説明しています。

名前解決（ドメイン名からIPアドレスを調べる処理）は、基本的に問い合わせ1回・応答1回の1往復で完結します。

もしTCPを使うと、データを送る前に3ウェイハンドシェイクを行う必要があり、接続の確立だけで1往復かかります。本来1往復で済む処理のために、先にもう1往復かけるのは割に合いません。そのためDNSは、接続のいらないUDPで、すぐに問い合わせを送ります。

なお、DNSはUDPだけで完結するとは限りません。DNSサーバの間では、ドメイン情報をまとめて複製することがあります。これをゾーン転送と呼びます。ゾーン転送は応答データが大きくなるので、最初からTCPを使います。

通常の問い合わせでも、UDPで送った応答が大きすぎて切れたときは、同じ問い合わせをTCPで送り直すことがあります。ただし、基本はUDPです。