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.

UDP является простым протоколом и имеет определенную область применения. В первую очередь, это клиент-серверные взаимодействия и мультимедиа. Тем не менее, большинству интернет-приложений требуется надежная, последователь­ная передача. UDP не удовлетворяет этим требованиям, поэтому требуется иной протокол. Такой протокол называется TCP, и он является рабочей лошадкой Интернета.

Основы TCP

Протокол TCP (Transmission Control Protocol - протокол управления передачей) был специально разработан для обеспечения надежного сквозного байтового потока по ненадежной интерсети. Объединенная сеть отличается от отдельной сети тем, что ее различные участки могут обладать сильно различающейся топологией, пропускной способностью, значениями времени задержки, размерами пакетов и другими параметрами. При разработке TCP основное внимание уделялось способности протокола адаптироваться к свойствам объединенной сети и отказоустойчивости при возникновении различных проблем.

Протокол TCP описан в RFC 793. Со временем были обнаружены различные ошибки и неточности, и по некоторым пунктам требования были изменены. Подробное описание этих уточнений и исправлений дается в RFC 1122. Расширения протокола приведены в RFC 1323.

Каждая машина, поддерживающая протокол TCP, обладает транспортной сущностью TCP, являющейся либо библиотечной процедурой, либо пользовательским процессом, либо частью ядра системы. В любом случае, транспортная сущность управляет TCP-потоками и интерфейсом с IP-уровнем. TCP-сущность принимает от локальных процессов пользовательские потоки данных, разбивает их на куски, не превосходящие 64 Кбайт (на практике это число обычно равно 460 байтам данных, что позволяет поместить их в один кадр Ethernet с заголов­ками IP и TCP), и посылает их в виде отдельных IP-дейтаграмм. Когда IP-дейтаграммы с TCP-данными прибывают на машину, они передаются TCP-сущности, которая восстанавливает исходный байтовый поток. Для простоты мы иногда будем употреблять «TCP» для обозначения транспортной сущности TCP (части программного обеспечения) или протокола TCP (набора правил). Из контекста будет понятно, что имеется в виду. Например, в выражении «Пользователь передает данные TCP» подразумевается, естественно, транспортная сущность TCP.

Уровень IP не гарантирует правильной доставки дейтаграмм, поэтому именно TCP приходится следить за истекшими интервалами ожидания и в случае необходимости заниматься повторной передачей пакетов. Бывает, что дейтаграммы прибывают в неправильном порядке. Восстанавливать сообщения из таких дейтаграмм обязан также TCP. Таким образом, протокол TCP призван обеспечить надежность, о которой мечтают многие пользователи и которая не предоставляется протоколом IP.

Модель службы TCP

В основе службы TCP лежат так называемые сокеты (гнезда или конечные точки), создаваемые как отправителем, так и получателем. Они обсуждались в разделе «Сокеты Беркли». У каждого сокета есть номер (адрес), состоящий из IP-адреса хоста и 16-битного номера, локального по отношению к хосту, называемого портом. Портом в TCP называют TSAP-адрес. Для обращения к службе TCP между сокетом машины отправителя и сокетом машины получателя должно быть явно установлено соединение.

Один сокет может использоваться одновременно для нескольких соединений. Другими словами, два и более соединений могут оканчиваться одним сокетом. Соединения различаются по идентификаторам сокетов на обоих концах - (socket1, socket2). Номера виртуальных каналов или другие идентификаторы не используются.

Номера портов со значениями ниже 1024, называемые популярными портами, зарезервированы стандартными сервисами. Например, любой процесс, желающий установить соединение с хостом для передачи файла с помощью протокола FTP, может связаться с портом 21 хоста-адресата и обратиться, таким образом, к его FTP-демону. Список популярных портов приведен на сайте www.iana.org.

Можно было бы, конечно, связать FTP-демона с портом 21 еще во время загрузки, тогда же связать демона telnet с портом 23, и т. д. Однако если бы мы так сделали, мы бы только зря заняли память информацией о демонах, которые, на самом деле, большую часть времени простаивают. Вместо этого обычно пользуются услугами одного демона, называемого в UNIX inetd, который связывается с несколькими портами и ожидает первое входящее соединение. Когда оно происходит, inetd создает новый процесс, для которого вызывается подходящий демон, обрабатывающий запрос. Таким образом, постоянно активен только inetd, остальные вызываются только тогда, когда для них есть работа. Inetd имеет специальный конфигурационный файл, из которого он может узнать о назначении портов. Это значит, что системный администратор может настроить систему таким образом, чтобы с самыми загруженными портами (например, 80) были связаны постоянные демоны, а с остальными - inetd.

Некоторые зарезирвированные порты
	Протокол	Использование
21	FTP	Передача файлов
23	Telnet	Дистанционный вход в систему
25	SMTP	Электронная почта
69	TFTP	Простейший протокол передачи файлов
79	Finger	Поиск информации о пользователе
80	HTTP	Мировая Паутина
110	POP-3	Удаленный доступ к электронной почте
119	NNTP	Группы новостей

Все TCP-соединения являются полнодуплексными и двухточечными. Полный дуплекс означает, что трафик может следовать одновременно в противоположные стороны. Двухточечное соединение подразумевает, что у него имеются две конечные точки. Широковещание и многоадресная рассылка протоколом TCP не поддерживаются.

TCP-соединение представляет собой байтовый поток, а не поток сообщений. Границы между сообщениями не сохраняются. Например, если отправляющий процесс записывает в TCP-поток четыре 512-байтовых порции данных, эти данные могут быть доставлены получающему процессу в виде четырех 512-байтовых порций, двух 1024-байтовых порций, одной 2048-байтовой порции или как-нибудь еще. Нет способа, которым получатель смог бы определить, каким образом записывались данные.

Файлы в системе UNIX также обладают этим свойством. Программа, читающая райл, не может определить, как был записан этот файл: поблочно, побайтно или сразу целиком. Как и в случае с файлами системы UNIX, TCP-программы не имеют представления о назначении байтов и не интересуются этим. Байт для них - просто байт.

Получив данные от приложения, протокол TCP может послать их сразу или поместить в буфер, чтобы послать сразу большую порцию данных, по своему усмотрению. Однако иногда приложению бывает необходимо, чтобы данные были посланы немедленно. Допустим, например, что пользователь регистрируется на удаленной машине. После того как он ввел команду и нажал клавишу Enter, важно, чтобы введенная им строка была доставлена на удаленную машину сразу же, а не помещалась в буфер, пока не будет введена следующая строка. Чтобы вынудить передачу данных без промедления, приложение может установить флаг PUSH (протолкнуть).

Некоторые старые приложения использовали флаг PUSH как разделитель сообщений. Хотя этот трюк иногда срабатывает, не все реализации протокола TCP передают флаг PUSH принимающему приложению. Кроме того, если прежде чем первый пакет с установленным флагом PUSH будет передан в линию, TCP-сущность получит еще несколько таких пакетов (то есть выходная линия будет занята), TCP-сущность будет иметь право послать все эти данные в виде единой дейтаграммы, не разделяя их на отдельные порции.

Последней особенностью службы TCP, о которой следует упомянуть, являются срочные данные. Когда пользователь, взаимодействующий с программой в интерактивном режиме, нажимает клавишу Delete или Ctrl-C, чтобы прервать начавшийся удаленный процесс, посылающее приложение помещает в выходной поток данных управляющую информацию и передает ее TCP-службе вместе с флагом URGENT (срочно). Этот флаг заставляет TCP-сущность прекратить накоп­ение данных и без промедления передать в сеть все, что у нее есть для данного соединения.

Когда срочные данные прибывают по назначению, получающее приложение прерывается (то есть «получает сигнал», в терминологии UNIX), после чего оно может считать данные из входного потока и найти среди них срочные. Конец срочных данных маркируется, так что приложение может распознать, где они заканчиваются. Начало срочных данных не маркируется. Приложение должно само догадаться. Такая схема представляет собой грубый сигнальный механизм, оставляя все прочее приложению.

Протокол TCP

В данном разделе будет рассмотрен протокол TCP в общих чертах. В следующем разделе мы обсудим заголовок протокола, поле за полем.

Ключевым свойством TCP, определяющим всю структуру протокола, является то, что в TCP-соединении у каждого байта есть свой 32-разрядный порядковый номер. В первые годы существования Интернета базовая скорость передачи данных между маршрутизаторами по выделенным линиям составляла 56 Кбит/с. Хосту, постоянно выдающему данные с максимальной скоростью, потребовалось бы больше недели на то, чтобы порядковые номера совершили полный круг. При нынешних скоростях порядковые номера могут кончиться очень быстро, об этом еще будет сказано позже. Отдельные 32-разрядные порядковые номера используются для подтверждений и для механизма скользящего окна, о чем также будет сказано позже.

Отправляющая и принимающая TCP-сущности обмениваются данными в виде сегментов. Сегмент состоит из фиксированного 20-байтового заголовка (плюс необязательная часть), за которой могут следовать байты данных. Размер сегментов определяется программным обеспечением TCP. Оно может объединять в один сегмент данные, полученные в результате нескольких операций записи, или, наоборот, распределять результат одной записи между несколькими сегментами. Размер сегментов ограничен двумя пределами. Во-первых, каждый сегмент, включая TCP-заголовок, должен помещаться в 65 515-байтное поле полезной нагрузки IP-пакета. Во-вторых, в каждой сети есть максимальная единица передачи (MTU, Maximum Transfer Unit), и каждый сегмент должен помещаться в MTU. На практике размер максимальной единицы передачи составляет обычно 1500 байт (что соответствует размеру поля полезной нагрузки Ethernet), и таким образом определяется верхний предел размера сегмента.

Основным протоколом, используемым TCP-сущностями, является протокол скользящего окна. При передаче сегмента отправитель включает таймер. Когда сегмент прибывает в пункт назначения, принимающая TCP-сущность посылает обратно сегмент (с данными, если есть что посылать, или без данных) с номером

подтверждения, равным порядковому номеру следующего ожидаемого сегмента. Если время ожидания подтверждения истекает, отправитель посылает сегмент еще раз.

Хотя этот протокол кажется простым, в нем имеется несколько деталей, которые следует рассмотреть подробнее. Сегменты могут приходить в неверном порядке. Так, например, возможна ситуация, в которой байты с 3072-го по 4095-й уже прибыли, но подтверждение для них не может быть выслано, так как байты с 2048-го по 3071-й еще не получены. К тому же сегменты могут задерживаться в сети так долго, что у отправителя истечет время ожидания и он передаст их снова. Переданный повторно сегмент может включать в себя уже другие диапазоны фрагментов, поэтому потребуется очень аккуратное администрирование для определения номеров байтов, которые уже были приняты корректно. Тем не менее, поскольку каждый байт в потоке единственным образом определяется по своему сдвигу, эта задача оказывается реальной.

Протокол TCP должен уметь справляться с этими проблемами и решать их эффективно. На оптимизацию производительности TCP-потоков было потрачено много сил. В следующем разделе мы обсудим несколько алгоритмов, используемых в различных реализациях протокола TCP.

Заголовок ТСР-сегмента

Каждый сегмент начинается с 20-байтного заголовка фиксированного формата. За ним могут следовать дополнительные поля. После дополнительных полей может располагаться до 65 535 - 20 - 20 = 65 495 байт данных, где первые 20 байт - это IP-заголовок, а вторые - TCP-заголовок. Сегменты могут и не содержать данных. Такие сегменты часто применяются для передачи подтверждений и управляющих сообщений.

Рассмотрим TCP-заголовок поле за полем. Поля Порт получателя и Порт отправителя являются идентификаторами локальных конечных точек соединения. Номер порта вместе с IP-адресом хоста образуют уникальный 48-битный идентификатор конечной точки. Пара таких идентификаторов, относящихся к источнику и приемнику, однозначно определяет соединение.

Поля Порядковый номер и Номер подтверждения выполняют свою обычную функцию. Обратите внимание: поле Номер подтверждения относится к следующему ожидаемому байту, а не к последнему полученному. Оба они 32-разрядные, так как в TCP-потоке нумеруется каждый байт данных.

Поле Длина TCP-заголовка содержит размер TCP-заголовка, выраженный в 32-разрядных словах. Эта информация необходима, так как поле Факультативные поля, а вместе с ним и весь заголовок, может быть переменной длины. По сути, это поле указывает смещение от начала сегмента до поля данных, измеренное в 32-битных словах. Это то же самое, что длина заголовка.

Следом идет неиспользуемое 6-битное поле. Тот факт, что это поле выжило в течение четверти века, является свидетельством того, насколько хорошо проду­ман дизайн TCP.

Затем следуют шесть 1-битовых флагов. Бит URG устанавливается в 1 в слу­чае использования поля Указатель на срочные данные, содержащего смещение в байтах от текущего порядкового номера байта до места расположения срочных данных. Таким образом в протоколе TCP реализуются прерывающие сообщения. Как уже упоминалось, протокол TCP лишь обеспечивает доставку сигнала пользователя до получателя, не интересуясь причиной прерывания.

Если бит АСК установлен в 1, значит, поле Номер подтверждения содержит осмысленные данные. В противном случае данный сегмент не содержит подтверждения, и поле Номер подтверждения просто игнорируется.

Бит PSH является, по сути, PUSH-флагом, с помощью которого отправитель просит получателя доставить данные приложению сразу по получении пакета, а не хранить их в буфере, пока тот не наполнится. (Получатель может заниматься буферизацией для достижения большей эффективности.)

Бит RST используется для сброса состояния соединения, которое из-за сбоя хоста или по другой причине попало в тупиковую ситуацию. Кроме того, он используется для отказа от неверного сегмента или от попытки создать соединение. Если вы получили сегмент с установленным битом RST, это означает наличие какой-то проблемы.

Бит SYN применяется для установки соединения. У запроса соединения бит SYN= 1, а бит АСК = 0, что означает, что поле подтверждения не используется. В ответе на этот запрос содержится подтверждение, поэтому значения этих битов в нем равны: SYN= 1, ACK- 1. Таким образом, бит SYN используется для обозначения сегментов CONNECTION REQUEST и CONNECTION ACCEPTED, а бит АСК - что­бы отличать их друг от друга.

Бит FIN используется для разрыва соединения. Он указывает на то, что у отправителя больше нет данных для передачи. Однако, даже закрыв соединение, процесс может продолжать получать данные в течение неопределенного времени. У сегментов с битами FIN и SYN есть порядковые номера, что гарантирует правильный порядок их выполнения.

Управление потоком в протоколе TCP осуществляется при помощи скользящего окна переменного размера. Поле Размер окна сообщает, сколько байт может быть послано после байта, получившего подтверждение. Значение поля Размер окна может быть равно нулю, что означает, что все байты вплоть до Номер подтверждения-1 получены, но у получателя в данный момент какие-то проблемы, и остальные байты он пока принять не может. Разрешение на дальнейшую передачу может быть получено путем отправки сегмента с таким же значением поля Номер подтверждения и ненулевым значением поля Размер окна.

В некоторых протоколах, подтверждения приема кадров связаны с разрешениями на продолжение передачи. Эта связь следствие жестко закрепленного размера скользящего окна в этих протоколах. В TCP подтверждения отделены от разрешений на передачу данных. В сущности, приемник может сказать: «Я получил байты вплоть до k-ro, но я сейчас не хочу продолжать прием данных». Такое разделение (выражающееся в скользящем окне переменного размера) придает протоколу дополнительную гибкость. Далее мы обсудим этот аспект более детально.

Поле Контрольная сумма служит для повышения надежности. Оно содержит контрольную сумму заголовка, данных и псевдозаголовка. При выполнении вычислений поле Контрольная сумма устанавливается равным нулю, а поле данных дополняется нулевым байтом, если его длина представляет собой нечетное число. Алгоритм вычисления контрольной суммы просто складывает все 16-разрядные слова в дополнительном коде, а затем вычисляет дополнение для всей суммы. В результате, когда получатель считает контрольную сумму всего сегмента, включая поле Контрольная сумма, результат должен быть равен 0.

Псевдозаголовок содержит 32-разрядные IP-адреса отправителя и получате­ля, номер протокола для TCP (6) и счетчик байтов для TCP-сегмента (включая заголовок). Включение псевдозаголовка в контрольную сумму TCP помогает обнаружить неверно доставленные пакеты, хотя это нарушает иерархию протоколов, так как IP-адреса в нем принадлежат IP-уровню, а не TCP-уровню. В UDP для контрольной суммы используется такой же псевдозаголовок.

Поле Факультативные поля предоставляет дополнительные возможности, не покрываемые стандартным заголовком. С помощью одного из таких полей каждый хост может указать максимальный размер поля полезной нагрузки, который он может принять. Чем больше размер используемых сегментов, тем выше эффективность, так как при этом снижается удельный вес накладных расходов в виде 20-байтных заголовков, однако не все хосты способны принимать очень большие сегменты. Хосты могут сообщить друг другу максимальный размер поля полезной нагрузки во время установки соединения. По умолчанию этот размер равен 536 байтам. Все хосты обязаны принимать TCP-сегменты размером 536 + 20 = 556 байт. Для каждого из направлений может быть установлен свой максимальный размер поля полезной нагрузки.

Для линий с большой скоростью передачи и/или большой задержкой окно размером в 64 Кбайт оказывается слишком маленьким. Так, для линии ТЗ (44,736 Мбит/с) полное окно может быть передано в линию всего за 12 мс. Если значение времени распространения сигнала в оба конца составляет 50 мс (что типично для трансконтинентального оптического кабеля), 3/4 времени отправитель будет заниматься ожиданием подтверждения. При связи через спутник ситуация будет еще хуже. Больший размер окна мог бы улучшить эффективность, но 16-битовое поле Размер окна не позволяет этого сделать. В RFC 1323 был предложен новый параметр Масштаб окна, о значении которого два хоста могли договориться при установке соединения. Это число позволяет сдвигать поле Раз­мер окна до 14 разрядов влево, обеспечивая расширение размера окна до 230 байт (1 Гбайт). В настоящее время большинство реализаций протокола TCP поддерживают эту возможность.

Еще одна возможность, предложенная в RFC 1106 и широко применяемая сейчас, состоит в использовании протокола выборочного повтора вместо возврата на п. Если адресат получает один плохой сегмент и следом за ним большое количество хороших, у нормального TCP-протокола в конце концов истечет время ожидания и он передаст повторно все неподтвержденные сегменты, включая те, что были получены правильно. В документе RFC 1106 было предложено использовать отрицательные подтверждения (NAK), позволяющие получателю запрашивать отдельный сегмент или несколько сегментов. Получив его, принимающая сторона может подтвердить все хранящиеся в буфере данные, уменьшая таким образом количество повторно передаваемых данных.

Протоколы транспортного уровня, следующие в иерархии за IP, используются для передачи данных между прикладными процессами, реализующимися в сетевых узлах. Пакет данных, поступивший от одного компьютера другому через Интернет, должен быть передан процессу-обработчику, и именно по конкретному назначению. Транспортный уровень принимает на себя ответственность за это. На этом уровне два основных протокола — TCP и UDP.

Определение

TCP — транспортный протокол передачи данных в сетях TCP/IP, предварительно устанавливающий соединение с сетью.

UDP — транспортный протокол, передающий сообщения-датаграммы без необходимости установки соединения в IP-сети.

Сравнение

Разница между протоколами TCP и UDP — в так называемой “гарантии доставки”. TCP требует отклика от клиента, которому доставлен пакет данных, подтверждения доставки, и для этого ему необходимо установленное заранее соединение. Также протокол TCP считается надежным, тогда как UDP получил даже именование “протокол ненадежных датаграмм. TCP исключает потери данных, дублирование и перемешивание пакетов, задержки. UDP все это допускает, и соединение для работы ему не требуется. Процессы, которым данные передаются по UDP, должны обходиться полученным, даже и с потерями. TCP контролирует загруженность соединения, UDP не контролирует ничего, кроме целостности полученных датаграмм.

С другой стороны, благодаря такой неизбирательности и бесконтрольности, UDP доставляет пакеты данных (датаграммы) гораздо быстрее, потому для приложений, которые рассчитаны на широкую пропускную способность и быстрый обмен, UDP можно считать оптимальным протоколом. К таковым относятся сетевые и браузерные игры, а также программы просмотра потокового видео и приложения для видеосвязи (или голосовой): от потери пакета, полной или частичной, ничего не меняется, повторять запрос не обязательно, зато загрузка происходит намного быстрее. Протокол TCP, как более надежный, с успехом применяется даже в почтовых программах, позволяя контролировать не только трафик, но и длину сообщения и скорость обмена трафиком.

Выводы сайт

1. TCP гарантирует доставку пакетов данных в неизменных виде, последовательности и без потерь, UDP ничего не гарантирует.
2. TCP требует заранее установленного соединения, UDP соединения не требует.
3. UDP обеспечивает более высокую скорость передачи данных.
4. TCP надежнее и осуществляет контроль над процессом обмена данными.
5. UDP предпочтительнее для программ, воспроизводящих потоковое видео, видеофонии и телефонии, сетевых игр.

UDP использует простую модель передачи, без неявных "рукопожатий" для обеспечения надежности, упорядочивания или целостности данных. Таким образом, UDP предоставляет ненадежный сервис, и датаграммы могут прийти не по порядку, дублироваться или вовсе исчезнуть без следа. UDP подразумевает, что проверка ошибок и исправление либо не необходимы, либо должны исполняться в приложении. Чувствительные ко времени приложения часто используют UDP, так как предпочтительнее сбросить пакеты, чем ждать задержавшиеся пакеты, что может оказаться невозможным в системах реального времени . При необходимости исправления ошибок на сетевом уровне интерфейса приложение может задействовать TCP или SCTP , разработанные для этой цели.

Природа UDP как протокола без сохранения состояния также полезна для серверов, отвечающих на небольшие запросы от огромного числа клиентов, например DNS и потоковые мультимедийные приложения вроде IPTV , Voice over IP , протоколы туннелирования IP и многие онлайн-игры .

Служебные порты

UDP не предоставляет никаких гарантий доставки сообщения для протокола верхнего уровня и не сохраняет состояния отправленных сообщений. По этой причине UDP иногда называют Unreliable Datagram Protocol (англ. - Ненадежный протокол датаграмм).

Перед расчетом контрольной суммы UDP-сообщение дополняется в конце нулевыми битами до длины, кратной 16 битам (псевдозаголовок и добавочные нулевые биты не отправляются вместе с сообщением). Поле контрольной суммы в UDP-заголовке во время расчета контрольной суммы отправляемого сообщения принимается нулевым.

Для расчета контрольной суммы псевдозаголовок и UDP-сообщение разбивается на слова (1 слово = 2 байта (октета) = 16 бит). Затем рассчитывается поразрядное дополнение до единицы суммы всех слов с поразрядным дополнением. Результат записывается в соответствующее поле в UDP-заголовке.

Нулевое значение контрольной суммы зарезервировано, и означает что датаграмма не имеет контрольной суммы. В случае, если вычисленная контрольная сумма получилась равной нулю, поле заполняют двоичнымим единицами.

При получении сообщения получатель считает контрольную сумму заново (уже учитывая поле контрольной суммы), и, если в результате получится двоичное число из шестнадцати единиц (то есть 0xffff), то контрольная сумма считается сошедшейся. Если сумма не сходится (данные были повреждены при передаче), датаграмма уничтожается.

Пример расчёта контрольной суммы

Для примера рассчитаем контрольную сумму нескольких 16-битных слов: 0x398a, 0xf802, 0x14b2, 0xc281 . Находим их сумму с поразрядным дополнением.
0x398a + 0xf802 = 0x1318c → 0x318d
0x318d + 0x14b2 = 0x0463f → 0x463f
0x463f + 0xc281 = 0x108c0 → 0x08c1
Теперь находим поразрядное дополнение до единицы полученного результата:

0x08c1 = 0000 1000 1100 0001 → 1111 0111 0011 1110 = 0xf73e или, иначе - 0xffff − 0x08c1 = 0xf73e . Это и есть искомая контрольная сумма.

При вычислении контрольной суммы опять используется псевдозаголовок, имитирующий реальный IPv6-заголовок:

Биты	0 – 7								8 – 15								16 – 23								24 – 31
0	Адрес источника
32
64
96
128	Адрес получателя
160
192
224
256	Длина UDP
288	Нули																								Следующий заголовок
320	Порт источника																Порт получателя
352	Длина																Контрольная сумма
384+	Данные

Адрес источника такой же, как и в IPv6-заголовке. Адрес получателя - финальный получатель; если в IPv6-пакете не содержится заголовка маршрутизации (Routing), то это будет адрес получателя из IPv6-заголовка, в противном случае, на начальном узле, это будет адрес последнего элемента заголовка маршрутизации, а на узле-получателе - адрес получателя из IPv6-заголовка. Значение "Следующий заголовок" равно значению протокола - 17 для UDP. Длина UDP - длина UDP-заголовка и данных.

Надежность и решения проблемы перегрузок

Из-за недостатка надежности, приложения UDP должны быть готовыми к некоторым потерям, ошибкам и дублированиям. Некоторые из них (например, TFTP) могут при необходимости добавить элементарные механизмы обеспечения надежности на прикладном уровне.

Но чаще такие механизмы не используются UDP-приложениями и даже мешают им. Потоковые медиа , многопользовательские игры в реальном времени и VoIP - примеры приложений, часто использующих протокол UDP. В этих конкретных приложениях потеря пакетов обычно не является большой проблемой. Если приложению необходим высокий уровень надежности, то можно использовать другой протокол (TCP) или erasure codes.

Более серьезной потенциальной проблемой является то, что в отличие от TCP, основанные на UDP приложения не обязательно имеют хорошие механизмы контроля и избежания перегрузок. Чувствительные к перегрузкам UDP-приложения, которые потребляют значительную часть доступной пропускной способности, могут поставить под угрозу стабильность в Интернете.

Сетевые механизмы были предназначены для того, чтобы свести к минимуму возможные эффекты от перегрузок при неконтролируемых, высокоскоростных нагрузках. Такие сетевые элементы, как маршрутизаторы, использующие пакетные очереди и техники сброса, часто являются единственным доступным инструментом для замедления избыточного UDP-трафика. DCCP (англ. Datagram Congestion Control Protocol - протокол контроля за перегрузками датаграмм) разработан как частичное решение этой потенциальной проблемы с помощью добавления конечному хосту механизмов для отслеживания перегрузок для высокоскоростных UDP-потоков вроде потоковых медиа.

Приложения

Многочисленные ключевые Интернет-приложения используют UDP, в их числе - DNS (где запросы должны быть быстрыми и состоять только из одного запроса, за которым следует один пакет ответа), Простой Протокол Управления Сетями (SNMP), Протокол Маршрутной Информации (RIP), Протокол Динамической Конфигурации Узла (DHCP).

Голосовой и видеотрафик обычно передается с помощью UDP. Протоколы потокового видео в реальном времени и аудио разработаны для обработки случайных потерь пакетов так, что качество лишь незначительно уменьшается вместо больших задержек при повторной передаче потерянных пакетов. Поскольку и TCP, и UDP работают с одной и той же сетью, многие компании замечают, что недавнее увеличение UDP-трафика из-за этих приложений реального времени мешает производительности TCP-приложений вроде систем баз данных или бухгалтерского учета . Так как и бизнес-приложения, и приложения в реальном времени важны для компаний, развитие качества решений проблемы некоторыми рассматривается в качестве важнейшего приоритета.

Сравнение UDP и TCP

TCP - ориентированный на соединение протокол, что означает необходимость "рукопожатия" для установки соединения между двумя хостами. Как только соединение установлено, пользователи могут отправлять данные в обоих направлениях.

• Надежность - TCP управляет подтверждением, повторной передачей и тайм-аутом сообщений. Производятся многочисленные попытки доставить сообщение. Если оно потеряется на пути, сервер вновь запросит потерянную часть. В TCP нет ни пропавших данных, ни (в случае многочисленных тайм-аутов) разорванных соединений.

• Упорядоченность - если два сообщения последовательно отправлены, первое сообщение достигнет приложения-получателя первым. Если участки данных прибывают в неверном порядке, TCP отправляет неупорядоченные данные в буфер до тех пор, пока все данные не могут быть упорядочены и переданы приложению.

• Тяжеловесность - TCP необходимо три пакета для установки сокет-соединения перед тем, как отправить данные. TCP следит за надежностью и перегрузками.

• Потоковость - данные читаются как поток байтов , не передается никаких особых обозначений для границ сообщения или сегментов.

UDP - более простой, основанный на сообщениях протокол без установления соединения. Протоколы такого типа не устанавливают выделенного соединения между двумя хостами. Связь достигается путем передачи информации в одном направлении от источника к получателю без проверки готовности или состояния получателя. Однако, основным преимуществом UDP над TCP являются приложения для голосовой связи через интернет-протокол (Voice over IP, VoIP), в котором любое "рукопожатие" помешало бы хорошей голосовой связи. В VoIP считается, что конечные пользователи в реальном времени предоставят любое необходимое подтверждение о получении сообщения.

• Ненадежный - когда сообщение посылается, неизвестно достигнет ли оно своего назначения - оно может потеряться по пути. Нет таких понятий, как подтверждение, повторная передача, тайм-аут.

• Неупорядоченность - если два сообщения отправлены одному получателю, то порядок их достижения цели не может быть предугадан.

• Легковесность - никакого упорядочивания сообщений, никакого отслеживания соединений и т.д. Это небольшой транспортный уровень, разработанный на IP.

• Датаграммы - пакеты посылаются по отдельности и проверяются на целостность только если они прибыли. Пакеты имеют определенные границы, которые соблюдаются после получения, то есть операция чтения на сокете-получателе выдаст сообщение таким, каким оно было изначально послано.

• Нет контроля перегрузок - UDP сам по себе не избегает перегрузок. Для приложений с большой пропускной способностью возможно вызвать коллапс перегрузок, если только они не реализуют меры контроля на прикладном уровне.

Ссылки на RFC

• RFC 768 – Протокол Пользовательских Датаграмм
• RFC 2460 – Интернет протокол, спецификация версии 6 (IPv6)
• RFC 2675 - IPv6 Jumbograms
• RFC 4113 – Management Information Base for the UDP
• RFC 5405 – Unicast UDP Usage Guidelines for Application Designers

См. также

Ссылки

• Kurose, J. F.; Ross, K. W. (2010). Computer Networking: A Top-Down Approach (5th ed.). Boston, MA: Pearson Education. ISBN 978-0-13-136548-3 .
• Forouzan, B.A. (2000). TCP/IP: Protocol Suite, 1st ed. New Delhi, India: Tata McGraw-Hill Publishing Company Limited.
• [email protected]. "UDP Protocol Overview". Ipv6.com. Retrieved 17 August 2011.
• Clark, M.P. (2003). Data Networks IP and the Internet, 1st ed. West Sussex, England: John Wiley & Sons Ltd.
• Postel, J. (August 1980). RFC 768 : User Datagram Protocol. Internet Engineering Task Force. Retrieved from http://tools.ietf.org/html/rfc768
• Deering S. & Hinden R. (December 1998). RFC 2460 : Internet Protocol, Version 6 (IPv6) Specification. Internet Engineering Task Force. Retrieved from http://tools.ietf.org/html/rfc2460
• "The impact of UDP on Data Applications". Networkperformancedaily.com. Retrieved 17 August 2011.
• Д. Комер. Межсетевой обмен с помощью TCP/IP. Глава 11. Протокол UDP.

Основные протоколы TCP/IP по уровням модели OSI (Список портов TCP и UDP)
Физический
Канальный

User Datagram Protocol - UDP

Протокол UDP - это один из двух протоколов транспортного уровня, которые используются в стеке протоколов TCP/IP. UDP позволяет прикладной программе передавать свои сообщения по сети с минимальными издержками, связанными с преобразованием протоколов уровня приложения в протокол IP. Однако при этом, прикладная программа сама должна заботиться о подтверждении того, что сообщение доставлено по месту назначения. Заголовок UDP-датаграммы (сообщения) имеет вид, показанный на рисунке 2.10.

Рис. 2.10. Структура заголовка UDP-сообщения

Единица данных протокола UDP называется UDP-пакетом или пользовательской дейтаграммой (user datagram). UDP-пакет состоит из заголовка и поля данных, в котором размещается пакет прикладного уровня. Заголовок имеет простой формат и состоит из четырех двухбайтовых полей:

UDP source port - номер порта процесса-отправителя,

UDP destination port - номер порта процесса-получателя,

UDP message length - длина UDP-пакета в байтах,

UDP checksum - контрольная сумма UDP-пакета

Не все поля UDP-пакета обязательно должны быть заполнены. Если посылаемая дейтаграмма не предполагает ответа, то на месте адреса отправителя могут помещаться нули. Можно отказаться и от подсчета контрольной суммы, однако следует учесть, что протокол IP подсчитывает контрольную сумму только для заголовка IP-пакета, игнорируя поле данных

Порты в заголовке определяют протокол UDP как мультиплексор, который позволяет собирать сообщения от приложений и отправлять их на уровень протоколов. При этом приложение использует определенный порт. Взаимодействующие через сеть приложения могут использовать разные порты, что и отражает заголовок пакета. Всего можно определить 216 разных портов. Первые 256 портов закреплены за, так называемыми "well known services", к которым относятся, например, 53 порт UDP, который закреплен за сервисом DNS.

Поле Length определяет общую длину сообщения. ПолеChecksum служит для контроля целостности данных. Приложение, которое использует протокол UDP должно само заботится о целостности данных, анализируя поля Checksum и Length. Кроме этого, при обмене данными по UDP прикладная программа сама должна заботится о контроле доставки данных адресату. Обычно это достигается за счет обмена подтверждениями о доставке между прикладными программами.

Наиболее известными сервисами, основанными на UDP, является служба доменных имен BIND и распределенная файловая система NFS. Если возвратиться к примеру traceroute, то в этой программе также используется транспорт UDP. Собственно, именно сообщение UDP и засылается в сеть, но при этом используется такой порт, который не имеет обслуживания, поэтому и порождается ICMP-пакет, который и детектирует отсутствие сервиса на принимающей машине, когда пакет наконец достигает машину-адресата.

Transfer Control Protocol - TCP

Если для приложения контроль качества передачи данных по сети имеет значение, то в этом случае используется протокол TCP. Этот протокол еще называют надежным, ориентированным на соединение и потокоориентированным протоколом. Прежде чем обсудить эти свойства протокола, рассмотрим формат передаваемой по сети датаграммы (рисунок 2.11). Согласно этой структуре, в TCP, как и в UDP, имеются порты. Первые 256 портов закреплены за WKS, порты от 256 до 1024 закреплены за Unix-сервисами, а остальные можно использовать по своему усмотрению. В поле Sequence Number определен номер пакета в последовательности пакетов, которая составляет все сообщение, за тем идет поле подтвержденияAsknowledgment Number и другая управляющая информация.

Рис. 2.11. Структура пакета TCP

Порт источника (SOURS PORT) занимает 2 байта, идентифицирует процесс-отправитель;

Порт назначения (DESTINATION PORT) занимает 2 байта, идентифицирует процесс-получатель;

Последовательный номер (SEQUENCE NUMBER) занимает 4 байта, указывает номер байта, который определяет смещение сегмента относительно потока отправляемых данных;

Подтвержденный номер (ACKNOWLEDGEMENT NUMBER) занимает 4 байта, содержит максимальный номер байта в полученном сегменте, увеличенный на единицу; именно это значение используется в качестве квитанции;

Длина заголовка (HLEN) занимает 4 бита, указывает длину заголовка сегмента TCP, измеренную в 32-битовых словах. Длина заголовка не фиксирована и может изменяться в зависимости от значений, устанавливаемых в поле Опции;

Резерв (RESERVED) занимает 6 битов, поле зарезервировано для последующего использования;

Кодовые биты (CODE BITS) занимают 6 битов, содержат служебную информацию о типе данного сегмента, задаваемую установкой в единицу соответствующих бит этого поля:

URG - срочное сообщение;

ACK - квитанция на принятый сегмент;

PSH - запрос на отправку сообщения без ожидания заполнения буфера;

RST - запрос на восстановление соединения;

SYN - сообщение используемое для синхронизации счетчиков переданных данных при установлении соединения;

FIN - признак достижения передающей стороной последнего байта в потоке передаваемых данных.

Окно (WINDOW) занимает 2 байта, содержит объявляемое значение размера окна в байтах;

Контрольная сумма (CHECKSUM) занимает 2 байта, рассчитывается по сегменту;

Указатель срочности (URGENT POINTER) занимает 2 байта, используется совместно с кодовым битом URG, указывает на конец данных, которые необходимо срочно принять, несмотря на переполнение буфера;

Опции (OPTIONS) - это поле имеет переменную длину и может вообще отсутствовать, максимальная величина поля 3 байта; используется для решения вспомогательных задач, например, при выборе максимального размера сегмента;

Заполнитель (PADDING) может иметь переменную длину, представляет собой фиктивное поле, используемое для доведения размера заголовка до целого числа 32-битовых слов.

Надежность TCP заключается в том, что источник данных повторяет их посылку, если только не получит в определенный промежуток времени от адресата подтверждение об их успешном получении. Этот механизм называется Positive Asknowledgement with Retransmission (PAR) . Как мы ранее определили, единица пересылки (пакет данных, сообщение и т.п.) в терминах TCP носит название сегмента. В заголовке TCP существует поле контррольной суммы. Если при пересылке данные повреждены, то по контрольной сумме модуль, вычленяющий TCP-сегменты из пакетов IP, может определить это. Поврежденный пакет уничтожается, а источнику ничего не посылается. Если данные не были повреждены, то они пропускаются на сборку сообщения приложения, а источнику отправляется подтверждение.

Ориентация на соединение определяется тем, что прежде чем отправить сегмент с данными, модули TCP источника и получателя обмениваются управляющей информацией. Такой обмен называется handshake (буквально "рукопожатие"). В TCP используется трехфазный hand-shake:

Источник устанавливает соединение с получателем, посылая ему пакет с флагом "синхронизации последовательности номеров" (Synchronize Sequence Numbers - SYN). Номер в последовательности определяет номер пакета в сообщении приложения. Это не обязательно должен быть 0 или единица. Но все остальные номера будут использовать его в качестве базы, что позволит собрать пакеты в правильном порядке;

Получатель отвечает номером в поле подтверждения получения SYN, который соответствует установленному источником номеру. Кроме этого, в поле "номер в последовательности" может также сообщаться номер, который запрашивался источником;

Источник подтверждает, что принял сегмент получателя и отправляет первую порцию данных.

Графически этот процесс представлен на рисунке 2.12.

Рис. 2.12. Установка соединения TCP

После установки соединения источник посылает данные получателю и ждет от него подтверждений о их получении, затем снова посылает данные и т.д., пока сообщение не закончится. Заканчивается сообщение, когда в поле флагов выставляется бит FIN, что означает "нет больше данных".

Потоковый характер протокола определяется тем, что SYN определяет стартовый номер для отсчета переданных байтов, а не пакетов. Это значит, что если SYN был установлен в 0, и было передано 200 байтов, то номер, установленный в следующем пакете будет равен 201, а не 2.

Понятно, что потоковый характер протокола и требование подтверждения получения данных порождают проблему скорости передачи данных. Для ее решения используется "окно" - поле - window. Идея применения window достаточно проста: передавать данные не дожидаясь подтверждения об их получения. Это значит, что источник предает некоторое количество данных равное window без ожидания подтверждения об их приеме, и после этого останавливает передачу и ждет подтверждения. Если он получит подтверждение только на часть переданных данных, то он начнет передачу новой порции с номера, следующего за подтвержденным. Графически это изображено на рисунке 2.13.

Рис. 2.13. Механизм передачи данных по TCP

В данном примере окно установлено в 250 байтов шириной. Это означает, что текущий сегмент - сегмент со смещением относительно SYN, равном 250 байтам. Однако, после передачи всего окна модуль TCP источника получил подтверждение на получение только первых 100 байтов. Следовательно, передача будет начата со 101 байта, а не с 251.

Таким образом, мы рассмотрели все основные свойства протокола TCP. Осталось только назвать наиболее известные приложения, которые использует TCP для обмена данными. Это в первую очередь TELNET и FTP, а также протокол HTTP, который является сердцем World Wide Web.

Прервем немного разговор о протоколах и обратим свое внимание на такую важнейшую компоненту всей системы TCP/IP как IP-адреса.