Транспортные протоколы - UDP. Протокол UDP

На канальном и сетевом уровне протоколов TCP / IP пакета , которые касаются основного механизма передачи блоков данных между странами и между сетями, являются основами TCP / IP . Они используют стек протоколов, но они не используются непосредственно в приложениях, которые работают по протоколу TCP / IP . В этой статье мы рассмотрим два протокола, которые используются приложениями: User Datagram Protocol (UDP) и Transmission Control Protocol (TCP).

Протокол дейтаграммы пользователя
User Datagram Protocol очень простой протокол. Как и IP , это надежный протокол без соединений. Вам не нужно устанавливать соединение с хостом для обмена данными с ним, используя UDP , и не существует механизма для обеспечения передаваемых данных.
Блок данных, передаваемых с помощью UDP называется датаграммой. UDP добавляет четыре 16-битных поля заголовка (8 байт) к передаваемым данным. Эти поля: длина поля, поле контрольной суммы, а также источник и номер порта назначения. «Порт», в этом контексте, представляет собой программное обеспечение порта, а не аппаратный порт.
Концепция номера порта является общей для обоих UDP и TCP . Номера портов определяют, какой модуль протокола направляет (или получает) данные. Большинство протоколов имеют стандартные порты, которые обычно используются для этого. Например, протокол Telnet обычно использует порт 23. Simple Mail Transfer Protocol (SMTP), использует порт 25. Использование стандартных номеров портов позволяет клиентам взаимодействовать с сервером без предварительной установки, какой порт использовать.
Номер порта и протокола в поле в заголовка IP дублируют друг друга в какой-то степени, хотя поля протокола не доступны для протоколов более высокого уровня. IP использует поле протокола, чтобы определить, куда должны быть переданы данные на UDP или TCP модули. UDP или TCP используют номер порта, чтобы определить, какой протокол прикладного уровня, должен получать данные.
Несмотря на то, UDP не является надежным, он все еще подходящий выбор для многих приложений. Он используется приложениями в реальном времени, такими как потоковое аудио и видео, где, если данные будут потеряны, то лучше обойтись без него, чем отправить его снова по порядку. Он также используется протоколами, такими как Simple Network Management Protocol (SNMP).
Трансляция
UDP подходит для информационного вещания, поскольку он не требует подключения к открытой связи.Цели широковещательного сообщения определяются отправителем, на указанный в IP-адрес назначения. UDP датаграммы с адресом назначения IP все бинарные 255.255.255.255) и будет получен каждый хост в локальной сети. Обратите внимание на слово местные: дейтаграммы с таким адресом не будут приняты маршрутизатором к Интернету.
Передачи могут быть направлены на конкретные сети. UDP датаграммы с хоста и подсети части IP-адреса, установленные как бинарные транслируются на все узлы на всех подсетях сети, которая соответствует чистой части IP-адреса. Если только принимающая сторона (другими словами, все биты, которые равны нулю в маске подсети) устанавливается в бинарные, то вещание ограничено для всех хостов в подсети, который соответствует остальной части адреса.
Многоадресная рассылка используются для передачи данных в группе хостов, которые выразили желание их получать. Многоадресная UDP датаграмма имеет адрес назначения, в котором первые четыре бита 1110, предоставлены адреса в диапазоне 224.xxx в 239.xxx Остальные биты адреса используются для обозначения группы многоадресной рассылки. Это, скорее, как радио-или телеканал. Так, например, 224.0.1.1 используется для протокола NTP. Если TCP / IP приложения хотят получить многоадресное сообщение, они должны присоединиться к соответствующей группе многоадресной рассылки, что он и делает, передавая адрес группы в стек протоколов.
Широкое вещание, по сути, фильтруют передачу. Multicaster не рассматривает индивидуальные сообщения для каждого хоста, который присоединяется к группе. Вместо этого, сообщения в эфир, и драйвера на каждом хосте решают, следует ли игнорировать их или передать содержимое стеку протоколов.
Это означает, что многоадресные сообщения должны транслироваться по всему Интернету, так как multicaster не знает, какие хосты хотят получать сообщения. К счастью, это не является необходимым. IP использует протокол под названием Internet Group Management Protocol (IGMP), чтобы сообщить маршрутизаторам, какие хосты хотят получать сообщения многоадресной группы, так что сообщения отправляются только туда, где они необходимы.
Протокол управления передачей
Transmission Control Protocol является протоколом транспортного уровня и используется большинством интернет-приложений, такими как Telnet, FTP и HTTP. Это протокол с установлением соединения. Это означает, что два компьютера - один клиент, другой сервер и между ними необходимо установить соединение до того, как данные могут передаваться между ними.
TCP обеспечивает надежность. Приложение, которое использует TCP знает, что он отправляет данные полученные на другом конце, и что он получил их правильно. TCP использует контрольные суммы, как на заголовках,так и на данных. При получении данных, TCP посылает подтверждение обратно к отправителю. Если отправитель не получает подтверждения в течение определенного периода времени, данные отправляются повторно.
TCP включает в себя механизмы обеспечения данных, которые поступают в обратной последовательности, в порядке как они были отправлены. Он также реализует управление потоком, так что отправитель не может подавить приемник данных.
TCP передает данные, используя IP, в блоках, которые называются сегментами. Длина отрезка определяется протоколом. В дополнение к IP-заголовку, каждый сегмент состоит из 20 байт заголовка. Заголовок TCP начинается с 16-битного источника и поля назначения номера порта. Как и UDP , эти поля определяют уровень приложения, которые направлены и на получение данных. IP-адрес и номер порта, вместе взятые однозначно идентифицируют службы, работающие на хозяина, и пары известной как гнездо.
Далее в заголовке идет 32-битный порядковый номер. Это число определяет позицию в потоке данных, что должен занимать первый байт данных в сегменте. Порядковый номер TCP позволяет поддерживать поток данных в правильном порядке, хотя сегменты могут быть получены из последовательности.
Следующее поле представляет собой 32-битное поле, которое используется для передачи обратно отправителю, что данные были получены правильно. Если ACK флаг, которым он обычно и бывает, то это поле содержит положение следующего байта данных, что отправитель сегмента ожидает получить.
В TCP нет необходимости для каждого сегмента данных, которые будут признаны. Значение в поле подтверждения интерпретируется как «все данные до сих пор получены ОК». Это экономит полосу пропускания, когда все данные направляются в одну сторону, уменьшая потребность в признании сегментов. Если данные одновременно отправляються в обоих направлениях, как в полной дуплексной связи, то марки не связаны с расходами,так как сегмент передачи данных в одну сторону может содержать подтверждение для данных, передаваемых по-другому.
Далее в заголовке представляется 16-битное поле, содержащее длину заголовка и флаги. TCP заголовки могут содержать дополнительные поля, так что длина может варьироваться от 20 до 60 байт. Флаги: URG, ACK (который мы уже упоминали), PSH, RST, SYN и FIN. Позже,мы рассмотрим некоторые другие флаги.
Заголовок содержит поле, называемое размером окна, что дает количество байт, которые приемник может принять. Также существует 16-битная контрольная сумма, охватывающая как заголовок,так и данные. Наконец (до дополнительных данных) есть поле называемое «указатель срочности». Когда флаг URG установлен, это значение интерпретируется как смещение порядкового номера. Он определяет начало данных в потоке, которые должны быть обработаны в срочном порядке. Эти данные часто называют данными «вне группы». Пример её использования, когда пользователь нажимает клавишу перерыв, чтобы прервать выход из программы во время Telnet сессии.

Протокол UDP

User Datagram Protocol (UDP) - это простой, ориентированный на дейтаграммы протокол без организации соединения, предоставляющий быстрое, но необязательно надежное транспортное обслуживание. Он поддерживает взаимодействия "один со многими" и поэтому часто применяется для широковещательной и групповой передачи дейтаграмм.

Internet Protocol (IP) является основным протоколом Интернета. Transmission Control Protocol (TCP) и UDP - это протоколы транспортного уровня, построенные поверх лежащего в основе протокола.

TCP/IP - это набор протоколов, называемый также "пакетом протоколов Интернета" (Internet Protocol Suite), состоящий из четырех уровней. Запомните, что TCP/IP не просто один протокол, а семейство или набор протоколов, который состоит из других низкоуровневых протоколов, таких, как IP, TCP и UDP. UDP располагается на транспортном уровне поверх IP (протокола сетевого уровня). Транспортный уровень обеспечивает взаимодействие между сетями через шлюзы. В нем используются IP-адреса для отправки пакетов данных через Интернет или другую сеть с помощью разнообразных драйверов устройств.

Прежде чем приступать к изучению работы UDP, обратимся к основной терминологии, которую нужно хорошо знать. Ниже вкратце определим основные термины, связанные с UDP:

В передаче данных пакетом называется последовательность двоичных цифр, представляющих данные и управляющие сигналы, которые передаются и коммутируются через хост. Внутри пакета эта информация расположена в соответствии со специальным форматом.

Дейтаграмма - это отдельный, независимый пакет данных, несущий информацию, достаточную для передачи от источника до пункта назначения, поэтому никакого дополнительного обмена между источником, адресатом и транспортной сетью не требуется.

MTU характеризует канальный уровень и соответствует максимальному числу байтов, которое можно передать в одном пакете. Другими словами MTU - это самый большой пакет, который может переносить данная сетевая среда. Например, Ethernet имеет фиксированный MTU, равный 1500 байтам. В UDP, если размер дейтаграммы больше MTU, протокол IP выполняет фрагментацию, разбивая дейтаграмму на более мелкие части (фрагменты) так, чтобы каждый фрагмент был меньше MTU.

Чтобы поставить в соответствие входящим данным конкретный процесс, выполняемый в компьютере, UDP использует порты. UDP направляет пакет в соответствующее место, используя номер порта, указанный в UDP-заголовке дейтаграммы. Порты представлены 16-битными номерами и, следовательно, принимает значения в диапазоне от 0 до 65 535. Порты, которые также называют конечными точками логических соединений, разделены на три категории:

Хорошо известные порты - от 0 до 1023

Регистрируемые порты - от 1024 до 49151

Динамические / частные порты - от 49152 до 65535

Заметим, что порты UDP могут получать более одного сообщения в каждый промежуток времени. В некоторых случаях сервисы TCP и UDP могут использовать одни и те же номера портов, например 7 (Echo) или 23 (Telnet).

UDP использует следующие известные порты:

Перечень портов UDP и TCP поддерживается агентством IANA (Internet Assigned Numbers Authority) .

Дейтаграмма IP состоит из 32-битных IP-адресов источника и назначения. IP-адрес назначения задает конечную точку для дейтаграммы UDP, а IP-адрес источника используется для получения информации о том, кто отправил сообщение. В пункте назначения пакеты фильтруются, и те из них, адреса источников которых не входят в допустимый набор адресов, отбрасываются без уведомления отправителя.

Однонаправленный IP-адрес уникально определяет хост в сети, тогда как групповой IP-адрес определяет конкретную группу адресов в сети. Широковещательные IP-адреса получаются и обрабатываются всеми хостами локальной сети или конкретной подсети.

Значение времени жизни, или TTL (time-to-live), позволяет установить верхний предел числа маршрутизаторов, через которые может пройти дейтаграмма. Значение TTL не дает пакетам попасть в бесконечные циклы. Оно инициализируется отправителем и уменьшается на единицу каждым маршрутизатором, обрабатывающим дейтаграмму. Когда значение TTL становится нулевым, дейтаграмма отбрасывается.

Групповая рассылка - это открытый, базирующийся на стандартах, метод одновременного распространения идентичной информации нескольким пользователям. Групповая рассылка является основным средством протокола UDP, она невозможна для протокола TCP. Групповая рассылка позволяет добиться взаимодействия одного со многими, например, делает возможными такие использования, как рассылка новостей и почты нескольким получателям, интернет-радио или демонстрационные программы реального времени. Групповая рассылка не так сильно нагружает сеть, как широковещательная передача, поскольку данные отправляются сразу нескольким пользователям:

Принцип работы UDP

Когда приложение, базирующееся на UDP, отправляет данные другому хосту в сети, UDP дополняет их восьмибитным заголовком, содержащим номера портов адресата и отправителя, общую длину данных и контрольную сумму. Поверх дейтаграммы UDP свой заголовок добавляет IP, формируя дейтаграмму IP:

На предыдущем рисунке указано, что общая длина заголовка UDP составляет восемь байтов. Теоретически максимальный размер дейтаграммы IP равен 65 535 байтам. С учетом 20 байтов заголовка IP и 8 байтов заголовка UDP длина данных пользователя может достигать 65 507 байтов. Однако большинство программ работают с данными меньшего размера. Так, для большинства приложений по умолчанию установлена длина приблизительно 8192 байта, поскольку именно такой объем данных считывается и записывается сетевой файловой системой (NFS). Можно устанавливать размеры входного и выходного буферов.

Контрольная сумма нужна, чтобы проверить были ли данные доставлены в пункт назначения правильно или были искажены. Она охватывает как заголовок UDP, так и данные. Байт-заполнитель используется, если общее число октетов дейтаграммы нечетно. Если полученная контрольная сумма равна нулю, получатель фиксирует ошибку контрольной суммы и отбрасывает дейтаграмму. Хотя контрольная сумма является необязательным средством, ее всегда рекомендуется включать.

На следующем шаге уровень IP добавляет 20 байтов заголовка, включающего TTL, IP-адреса источника и получателя и другую информацию. Это действие называют IP-инкапсуляцией.

Как упоминалось ранее, максимальный размер пакета равен 65 507 байтам. Если пакет превышает установленный по умолчанию размер MTU, то уровень IP разбивает пакет на сегменты. Эти сегменты называются фрагментами, а процесс разбиения данных на сегменты - фрагментацией . Заголовок IP содержит всю информацию о фрагментах.

Когда приложение-отправитель "выбрасывает" дейтаграмму в сеть, она направляется по IP-адресу назначения, указанному в заголовке IP. При проходе через маршрутизатор значение времени жизни (TTL) в заголовке IP уменьшается на единицу.

Когда дейтаграмма прибывает к заданному назначению и порту, уровень IP по своему заголовку проверяет, фрагментирована ли дейтаграмма. Если это так, дейтаграмма собирается в соответствии с информацией, имеющейся в заголовке. Наконец прикладной уровень извлекает отфильтрованные данные, удаляя заголовок.

Недостатки UDP

По сравнению с TCP UDP имеет следующие недостатки:

Отсутствие сигналов квитирования . Перед отправкой пакета UDP, отправляющая сторона не обменивается с получающей стороной квитирующими сигналами. Следовательно, у отправителя нет способа узнать, достигла ли дейтаграмма конечной системы. В результате UDP не может гарантировать, что данные будут действительно доставлены адресату (например, если не работает конечная система или сеть).

Напротив, протокол TCP ориентирован на установление соединений и обеспечивает взаимодействие между подключенными к сети хостами, используя пакеты. В TCP применяются сигналы квитирования, позволяющие проверить успешность транспортировки данных.

Использование сессий . Ориентированность TCP на соединения поддерживается сеансами между хостами. TCP использует идентификатор сеанса, позволяющий отслеживать соединения между двумя хостами. UDP не имеет поддержки сеансов из-за своей природы, не ориентированной на соединения.

Надежность . UDP не гарантирует, что адресату будет доставлена только одна копия данных. Чтобы отправить конечной системе большой объем данных, UDP разбивает его на небольшие части. UDP не гарантирует, что эти части будут доставлены по назначению в том же порядке, в каком они создавались в источнике. Напротив, TCP вместе с номерами портов использует порядковые номера и регулярно отправляемые подтверждения, гарантирующие упорядоченную доставку данных.

Безопасность . TCP более защищен, чем UDP. Во многих организациях брандмауэры и маршрутизаторы не пропускают пакеты UDP. Это связано с тем, что хакеры могут воспользоваться портами UDP, не устанавливая явных соединений.

Управление потоком . В UDP управление потоком отсутствует, в результате плохо спроектированное UDP-приложение может захватить значительную часть пропускной способности сети.

Преимущества UDP

По сравнению с TCP UDP имеет следующие преимущества:

Нет установки соединения . UDP является протоколом без организации соединений, поэтому он освобождает от накладных расходов, связанных с установкой соединений. Поскольку UDP не пользуется сигналами квитирования, то задержек, вызванных установкой соединений, также удается избежать. Именно поэтому DNS отдает предпочтение UDP перед TCP - DNS работала бы гораздо медленнее, если бы она выполнялась через TCP.

Скорость . UDP работает быстрее TCP. По этой причине многие приложения предпочитают не TCP, a UDP. Те же средства, которые делают TCP более устойчивым (например сигналы квитирования), замедляют его работу.

Топологическое разнообразие . UDP поддерживает взаимодействия "один с одним" и "один с многими", в то время как TCP поддерживает лишь взаимодействие "один с одним".

Накладные расходы . Работа с TCP означает повышенные накладные расходы, издержки, налагаемые UDP, существенно ниже. TCP по сравнению с UDP использует значительно больше ресурсов операционной системы, и, как следствие, в таких средах, где серверы одновременно обслуживают многих клиентов, широко используют UDP.

Размер заголовка . Для каждого пакета заголовок UDP имеет длину всего лишь восемь байтов, в то время как TCP имеет 20-байтовые заголовки, и поэтому UDP потребляет меньше пропускной способности сети.

Два наиболее распространенных протокола Транспортного уровня в стеке TCP/IP это Протокол Управления Передачей - TCP (сокр.от Transmission Control Protocol) и Протокол Датаграммы Пользователя - UDP (сокр.от User Datagram Protocol). Оба протокола управляют коммуникацией нескольких приложений. Различия между двумя этими протоколами в специфической функциональности, которую они реализуют.

Протокол Датаграммы Пользователя (UDP)

UDP является простым протоколом без установки соединения, описанным в RFC 768. Он имеет плюс в том, что обеспечивает доставку данных без лишних накладных расходов. Фрагменты коммуникации в UDP называются датаграммами . Эти датаграммы посылаются максимально быстро данным протоколом Транспортного уровня.

Примеры приложений, которые используют UDP:

• Систему Доменных Имен (DNS - сокр. от Domain Name System)
• Потоковое Видео
• IP Телефония (VoIP - сокр. от Voice IP)

Протокол Управления Передачей (TCP)

TCP является протоколом с установкой соединения, описанным в RFC 793. TCP добавляет дополнительную нагрузку на сеть для выполнения своих функций. Дополнительные функции протокола TCP включают одинаковый порядок доставки, ее надежность и контроль потока . Каждый TCP сегмент имеет 20 дополнительных байт в заголовке, инкапсулирующем данные Прикладного уровня, тогда как UDP сегмент - только 8 байт. Смотрите рисунок для сравнения.

User Datagram Protocol (UDP) (протокол пользовательских дейтаграмм) - является протоколом стандарта TCP/IP , определенный в стандарте RFC 768, "User Datagram Protocol (UDP)". UDP используется вместо TCP для быстрой и ненадежной транспортировки данных между TCP/IP хостами.

UDP протокол обеспечивает обслуживание без установления соединения, таким образом UDP не гарантирует доставку или проверки последовательности для любой дейтаграммы. Хост, который нуждается в надежной связи должен использовать либо протокол TCP либо программу, которая будет сама следить за последовательностью дейтаграмм и подтверждать прием каждого пакета.

Чувствительные ко времени приложения часто используют UDP (видеоданные), так как предпочтительнее сбросить пакеты, чем ждать задержавшиеся пакеты, что может оказаться невозможным в системах реального времени. Также потеря одного или нескольких кадров, при передаче видеоданных по UDP, не так критична, в отличии от передачи бинарных файлов, где потеря одно пакета может привести к искажению всего файла. Еще одним преимуществом протокола UDP является то, что длина заголовка UDP составляет 4 байта, а у TCP протокола - 20 байт.

UDP сообщения инкапсулируются и передаются в IP дейтаграммы.

UDP заголовок

На рисунке показаны поля, присутствующие в UDP заголовке.

• Порт отправителя - в этом поле указывается номер порта отправителя. Предполагается, что это значение задает порт, на который при необходимости будет посылаться ответ. В противном же случае, значение должно быть равным 0. Если хостом-источником является клиент, то номер порта будет, скорее всего, эфемерным. Если источником является сервер, то его порт будет одним из "хорошо известных".
• Порт получателя - это поле обязательно и содержит порт получателя. Аналогично порту отправителя, если клиент - хост-получатель, то номер порта эфемерный, иначе (сервер - получатель) это "хорошо известный порт".
• Длина дейтаграммы - поле, задающее длину всей дейтаграммы (заголовка и данных) в байтах. Минимальная длина равна длине заголовка - 8 байт. Теоретически, максимальный размер поля - 65535 байт для UDP-дейтаграммы (8 байт на заголовок и 65527 на данные). Фактический предел для длины данных при использовании IPv4 - 65507 (помимо 8 байт на UDP-заголовок требуется еще 20 на IP-заголовок).
• Контрольная сумма - поле контрольной суммы используется для проверки заголовка и данных на ошибки. Если сумма не сгенерирована передатчиком, то поле заполняется нулями.

Рассмотрим структуру заголовка UDP с помощью сетевого анализатора Wireshark:

UDP порты

Так как на одном и том же компьютере могут быть запущены несколько программ, то для доставки UDP-пакета конкретной программе, используется уникальный идентификатор каждой программы или номер порта.

Номер порта - это условное 16-битное число от 1 до 65535, указывающее, какой программе предназначается пакет.

UDP порты обеспечивают возможность для отправки и получения сообщений UDP. UDP порт функционирует как одиночная очередь сообщений для получения всех дейтаграмм, предназначенных для программы, указанной номером порта протокола. Это означает, что UDP-программы могут получать более одного сообщения за раз.

Все номера портов UDP, которые меньше чем 1024 - зарезервированы и зарегистрированы в Internet Assigned Numbers Authority (IANA).
Номера портов UDP и TCP не пересекаются.

Каждый порт UDP идентифицируется под зарезервированным или известным номером порта. В следующей таблице показан частичный список известных номеров портов UDP, которые используются стандартные UDP-программы.

Все обмены сетевыми процессами, происходящие на компьютерах, описывает общепринятая система OSI. Модель OSI включает в себя семь уровней взаимодействия процессов:

1. Физический. Среда распространения сигнала (кабель или радиосигналы);
2. Канальный. Указывает на формат данных, где информация преобразуется в кадры и регулируется распространенным протоколом Ethernet;
3. Сетевой. Определяет способы маршрутизации;
4. Транспортный. Осуществляет передачу данных посредством протоколов TCP, UDP и т.д.;
5. Сеансовый. Обеспечивает поддержку во время сеанса связи;
6. Представительский. Осуществляет подготовку данных для последующей передачи по сети (конверсия, распаковка, дешифровка);
7. Прикладной. Контролирует взаимодействие различных пользовательских приложений с сетевыми службами.

Для передачи данных между двумя устройствами в различных сетях Интернета используется комплект протоколов TCP/IP. Транспортировку данных в стеке TCP/IP могут осуществлять различные протоколы, в том числе TCP и UDP.

Характеристика TCP

Протокол TCP представляет собой поток информации в виде виртуального канала между узлами с обязательным заранее установленным соединением. Используется для надежной передачи больших объемов информации между сетевыми устройствами.

Для обеспечения надежного соединения в TCP предусмотрена трехэтапная процедура начала сеанса связи. При этом у сервера и клиента запрашивается значение порта и значение ISN. В пакете TCP обязательно присутствует контрольная сумма, которая определяет правильность передачи информации.

Характеристика UDP

Протокол UDP представляет собой поток информации между узлами в виде датаграмм (пакеты данных без проверки). При этом не требуется гарантия получения, не нужно удалять дубликаты пакетов и контролировать их расположение.

Передачу данных через UDP принято считать ненадежной, но она оказалась крайне важна и незаменима для приложений реального времени, онлайн-игр, IPTV, VOIP. Возможности UDP, позволяющие избежать первичной проверки соединения, соблюдения порядка и целостной структуры, разрешают сбрасывать затерявшиеся датаграммы, что приводит к ускорению передачи информации.

Принципиальные отличия TCP и UDP