UDP

Описание и назначение

UDP - User Datagram Protocol/ Протокол для передачи датаграмм пользователя (RFC-768). Протокол UDP базируется на протоколе IP и предоставляет прикладным процессам транспортные услуги, немногим отличающиеся от услуг протокола IP. Протокол UDP обеспечивает негарантированную доставку данных, т.е. не требует подтверждения их получения; кроме того, данный протокол не требует установления соединения между источником и приемником информации.

Уровень (по модели OSI): Транспортный.

UDP один из ключевых элементов Transmission Control Protocol/Internet Protocol, набора сетевых протоколов для Интернета. С UDP компьютерные приложения могут посылать сообщения (в данном случае называемые датаграммами) другим хостам по IP-сети без необходимости предварительного сообщения для установки специальных каналов передачи или путей данных. Протокол был разработан Дэвидом П. Ридом в 1980 году и официально определён в RFC 768.

UDP использует простую модель передачи, без неявных «рукопожатий» для обеспечения надёжности, упорядочивания или целостности данных. Таким образом, UDP предоставляет ненадёжный сервис, и датаграммы могут прийти не по порядку, дублироваться или вовсе исчезнуть без следа. UDP подразумевает, что проверка ошибок и исправление либо не нужны, 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.

UDP -- минимальный ориентированный на обработку сообщений протокол транспортного уровня, задокументированный в RFC 768. Соответственно выполняет все фунции транспортного уровня.

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. -- Ненадёжный протокол датаграмм).

UDP обеспечивает многоканальную передачу (с помощью номеров портов) и проверку целостности (с помощью контрольных сумм) заголовка и существенных данных. Надёжная передача в случае необходимости должна реализовываться пользовательским приложением.

Рис.3.5.

Заголовок UDP состоит из четырёх полей, каждое по 2 байта (16 бит). Два из них необязательны к использованию в IPv4 (розовые ячейки в таблице), в то время как в IPv6 необязателен только порт отправителя.

Порт отправителя

В этом поле указывается номер порта отправителя. Предполагается, что это значение задаёт 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 датаграммы

Поле, задающее длину всей датаграммы (заголовка и данных) в байтах. Минимальная длина равна длине заголовка -- 8 байт. Теоретически, максимальный размер поля -- 65535 байт для UDP-датаграммы (8 байт на заголовок и 65527 на данные). Фактический предел для длины данных при использовании IPv4 -- 65507 (помимо 8 байт на UDP-заголовок требуется ещё 20 на IP-заголовок).

В Jumbogram"мах IPv6 пакеты UDP могут иметь больший размер. Максимальное значение составляет 4 294 967 295 байт (2^32 -- 1), из которых 8 байт соответствуют заголовку, а остальные 4 294 967 287 байт -- данным.

Контрольная сумма

Поле контрольной суммы используется для проверки заголовка и данных на ошибки. Если сумма не сгенерирована передатчиком, то поле заполняется нулями. Поле не является обязательным для IPv4.

Расчёт контрольной суммы

Метод для вычисления контрольной суммы определён в RFC 768.

Перед расчётом 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 расчёта контрольной суммы отправляемого сообщения принимается нулевым.

Для расчёта 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 двоичными 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.

Псевдозаголовки

Если UDP работает над IPv4, контрольная сумма вычисляется при помощи псевдозаголовка, который содержит некоторую информацию из заголовка IPv4. Псевдозаголовок не является настоящим IPv4-заголовком, используемым для отправления IP-пакета. В таблице приведён псевдозаголовок, используемый только для вычисления контрольной суммы.

Рис. 3.6.

Адреса источника и получателя берутся из IPv4-заголовка. Значения поля «Протокол» для UDP равно 17 (0x11). Поле «Длина UDP» соответствует длине заголовка и данных.

Вычисление контрольной суммы для IPv4 необязательно, если она не используется, то значение равно 0.

При работе UDP над IPv6 контрольная сумма обязательна. Метод для её вычисления был опубликован в RFC 2460:

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

Рис. 3.7.

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.

Надёжность и решения проблемы перегрузок

Из-за недостатка надёжности приложения UDP должны быть готовы к некоторым потерям, ошибкам и дублированиям. Некоторые из них (например, TFTP) могут при необходимости добавить элементарные механизмы обеспечения надёжности 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 надёжности, то можно использовать другой протокол (TCP) или erasure codes.

Более серьёзной потенциальной проблемой является то, что в отличие от TCP, основанные на UDP приложения не обязательно имеют хорошие механизмы контроля и избегания 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.

Надёжность -- 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 надёжностью 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.

Ненадёжный -- 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.

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.

Протокол пользовательских дейтаграмм (UDP) — это самый простой коммуникационный протокол Transport Layer, доступный из набора протоколов TCP/IP. Это связано с минимальным механизмом связи. UDP считается ненадежным транспортным протоколом, но он использует IP-услуги, которые обеспечивают лучший механизм доставки усилий.

В UDP приемник не генерирует подтверждение принятого пакета и, в свою очередь, отправитель не ожидает подтверждения подтверждения отправленного пакета. Этот недостаток делает этот протокол ненадежным, а также проще при обработке.

Востребованность UDP

Может возникнуть вопрос, почему нам нужен ненадежный протокол для транспортировки данных? Мы развертываем UDP, где пакеты подтверждения имеют значительный объем полосы пропускания вместе с фактическими данными. Например, в случае потоковой передачи видео тысячи пакетов отправляются к своим пользователям. Признание всех пакетов затруднительно и может содержать огромное количество потерь пропускной способности. Лучший механизм доставки базового IP-протокола обеспечивает наилучшие усилия для доставки своих пакетов, но даже если некоторые пакеты в потоке видео теряются, это не катастрофично и легко может быть проигнорировано. Потеря нескольких пакетов в видео и голосовом трафике иногда остается незамеченной.

Возможности User Datagram Protocol

• UDP используется, когда подтверждение данных не имеет никакого значения.
• UDP — хороший протокол для передачи данных в одном направлении.
• UDP прост и подходит для сообщений на основе запросов.
• UDP не является ориентированным на соединение.
• UDP не обеспечивает механизм контроля перегрузки.
• UDP не гарантирует заказную доставку данных.
• UDP — подходящий протокол для потоковых приложений, таких как VoIP, потоковая передача мультимедиа.

Заголовок UDP

UDP-заголовок так же прост, как и его функция.

Заголовок UDP содержит четыре основных параметра:

• Source Port — эта 16-разрядная информация используется для идентификации исходного порта пакета.
• Destination Port — эта 16-разрядная информация используется для определения службы уровня приложения на машине назначения.
• Lenght — Длина определяет всю длину UDP-пакета (включая заголовок). Это 16-битовое поле, а минимальное значение — 8-байтовое, то есть размер самого UDP-заголовка.
• Checksum . В этом поле хранится значение контрольной суммы, сгенерированное отправителем перед отправкой. IPv4 имеет это поле как необязательное, поэтому, когда поле контрольной суммы не содержит никакого значения, оно выполнено 0, а все его биты установлены на ноль.

Где используется UDP?

Вот несколько приложений, в которых UDP используется для передачи данных:

• Услуги доменных имен
• Простой протокол сетевого управления
• Тривиальный протокол передачи файлов
• Протокол маршрутной информации
• Kerberos

Мне очень нравится весь цикл статей, плюс всегда хотелось попробовать себя в качестве переводчика. Возможно, опытным разработчикам статья покажется слишком очевидной, но, как мне кажется, польза от нее в любом случае будет.

Привет, меня зовут Гленн Фидлер и я приветствую вас в первой статье из моей онлайн-книги “Сетевое программирование для разрабочиков игр”.

В этой статье мы начнем с самых базовых аспектов сетевого программирования - приема и передачи данных по сети. Прием и передача данных - это основная и наиболее простая часть из всего круга задач, которыми занимаются сетевые программисты, но часто бывает сложно определить, каким путем лучше двигаться. Уделите этой части достаточно внимания - если у вас останется непонимание, то это может привести к ужасным последствиям для вашей многопользовательской игры в дальнейшем!

Вы, скорее всего, уже что-нибудь слышали о сокетах, и, возможно, знаете, что они делятся на два основных типа - TCP и UDP. Первое, что нужно решить при разработке многопользовательской игры - это какой тип сокетов использовать - TCP, UDP, или оба?

Выбор типа сокетов полностью зависит от жанра игры, которую разрабатываете. В данном цикле статей я буду считать, что вы пишете игру в стиле action - наподобие Halo, Battlefield 1942, Quake, Unreal, CounterStrike, Team Fortress и т.п.

Теперь мы более подробно рассмотрим свойства каждого типа сокетов (учитывая тот факт, что мы разрабатыватаем игру в стиле action), и немного углубимся в детали работы сети интернет. После подробного обзора правильный вариант станет очевиден!

TCP расшифровывается как “transmission control protocol” (протокол контроля передачи), а IP - как “internet protocol”. Вместе они лежат в основе практически всего, что вы делаете в сети, начиная от просмотра веб-страниц и кончая общением в IRC и электронной почтой - все это работает на основе TCP/IP.

Если вы когда-либо уже использовали TCP сокеты, то вы должны знать, что TCP - это протокол, использующий принцип надежного соединения. Это означает, что вы устанавливаете соединение между двумя компьютерами, и затем пересылаете данные между ними подобно тому, как если бы вы записывали информацию в файл на одном компьютере, а на другом - считывали бы ее из того же файла.

При этом соединение считается надежным и последовательным - то есть, вся информация, которую вы посылаете, гарантированно должна дойти до получателя в том же порядке, в каком была отправлена. Также TCP соединение можно считать непрерывным потоком данных - протокол сам заботится о разбивке данных на пакеты и пересылке их по сети.

Еще разок - все просто, как обычная запись или чтение из файла. Элементарно, Ватсон!

Но такая простота в обращении совершенно отличается от того, что на самом деле происходит «под капотом», на более низком уровне - уровне протокола IP.

На этом уровне нет понятия соединения - вместо этого отдельные пакеты передаются от одного компьютера к другому. Можно представить этот процесс как передачу записки от одного человека к другому в комнате, полной народу: в конце концов записка попадает к кому надо, но при этом пройдя через множество рук.

При этом нет никакой гарантии того, что записка дойдет до адресата. Отправитель просто отправляет записку в надежде, что она дойдет, но при этом даже не знает, дошло ли послание или нет - до тех пор, пока получатель не решит написать в ответ.
Естественно, в реальности все немного сложнее, поскольку компьютер-отправитель не знает точную последовательность компьютеров в сети, через которые надо передать пакет, чтобы он добрался как можно быстрее. Иногда IP передает несколько копий одного и того же пакета, которые могут идти до адресата разными путями - и, скорее всего, дойдут в разное время.

А что, если мы захотим пересылать информацию между компьютерами не в стиле чтения/записи в файл, а непосредственно отправляя и получая отдельные пакеты?

Что ж, мы можем сделать это, используя UDP. UDP расшифровывается как “user datagram protocol” (протокол пользовательских датаграмм), и он работает поверх IP (как и TCP), но вместо добавления кучи функциональности он представляет собой лишь небольшую надстройку над IP.

Используя UDP, мы можем отослать пакет по определенному IP адресу (к примеру, 112.140.20.10) и порту (к примеру, 52423), и он будет передаваться от компьютера к компьютеру, пока не достигнет цели (или не потеряется по пути).

При этом, на стороне приемника мы просто сидим и ждем, прослушивая определенный порт (52423 в нашем случае), и, когда на него приходит пакет от кого-либо (помним, что соединения не используются), мы получаем об этом уведомление с адресом и портом компьютера-отправителя, размером пакета, и после этого можем прочитать данные из этого пакета.

Протокол UDP не гарантирует доставку данных. На практике большинство пакетов, конечно, доходят, но всегда имеются потери около 1-5%, а иногда бывают периоды времени, в которые пакеты вообще не доходят (помните, что между отправителем и получателем могут находиться тысячи компьютеров, на любом из которых что-то может отказать или сломаться).

Также UDP не гарантирует порядок доставки пакетов. Вы можете отправить пять пакетов по порядку - 1, 2, 3, 4, 5 - а прийти они могут совершенно в другом порядке - к примеру, 3, 1, 2, 5, 4. Опять же, на практике, они скорее всего придут в правильном порядке в большинстве случаев, но полагаться на это нельзя!

Наконец, хоть UDP и ничего особо не добавляет к IP, одну вещь он все-таки гарантирует. Если вы пересылаете пакет, то он либо дойдет полностью, либо не дойдет вообще. Так, если вы пересылаете пакет в 256 байт другому компьютеру, то он не может получить только первые 100 байт от пакета - он обязательно должен получить все 256 байт. Это реально единственная вещь, которую гарантирует протокол UDP - все остальное ложится на ваши плечи.

Итак, нам нужно решить - использовать TCP или UDP сокеты? Давайте взглянем на их свойства:

• Использует принцип соединений
• Гарантирует доставку и очередность
• Автоматически разбивает информацию на пакеты
• Следит за тем, чтобы не пересылать данные слишком интенсивно (контроль потока данных)
• Легко использовать - как запись/чтение из файла

UDP:

• Не использует принцип соединений - придется реализовывать это вручную
• Не гарантирует доставку и порядок доставки пакетов - они могут дойти в неправильном порядке, с дубликатами, или вообще не дойти!
• Нужно вручную разбивать данные на пакеты и отправлять их
• Нужно следить за тем, чтобы не пересылать данные слишком интенсивно
• Если пакет потеряется, то нужно как-то это отследить, и в случае необходимости переслать его заново

С таким списком решение кажется очевидным - TCP реализует всю необходимую нам функциональность и его проще использовать, тогда как использование UDP обещает геморрой с написанием всего на свете вручную, с нуля. Значит, используем TCP, да?

А вот и нет.

Использовать TCP - это наверное, худшая ошибка, которую можно совершить, разрабатывая многопользовательскую игру. Чтобы понять почему, давайте разберемся, что делает TCP таким простым в использовании!

Как работает TCP

TCP и UDP оба работают поверх IP, но по факту они совершенно разные. UDP ведет себя очень похоже на IP, в то время как TCP абстрагирует пользователя от всех проблем с пакетами, делая взаимодействие с ним похожим на чтение/запись в файл.

Итак, как же он это делает?

Во-первых, TCP использует абстракцию потока данных - вы можете просто записывать байты данных в этот поток, и TCP позаботится о том, чтобы они дошли до адресата. Так как протокол IP передает данные пакетами, а TCP работает поверх IP, TCP должен разбивать поток входных данных пользователя на отдельные пакеты. Таким образом, внутри TCP некоторая логика собирает данные в очередь, и, когда их накапливается достаточно много, она формирует пакет и отправляет его адресату.

Такое поведение может стать проблемой для нашей многопользовательской игры, если нужно передавать очень маленькие пакеты. Может случиться так, что TCP решит не передавать наши данные, пока их не накопится достаточно, чтобы сформировать пакет определенного размера (скажем, больше ста байт). И это - большая проблема, потому что необходимо передавать данные с клиента (нажатия клавиш игрока) на сервер как можно быстрее, и если при этом будут возникать задержки из-за буферизации данных протоколом, то для игрока на клиентской стороне игра будет происходить далеко не самым приятным образом. При этом обновление объектов игры будет происходить с задержкой и редко - тогда как нам нужно делать обновление объектов вовремя и часто.

В TCP есть опция, призванная исправить это - “TCP_NODELAY”. Она говорит протоколу, чтобы он не ждал накопления данных в очереди на отправку, а отсылал их сразу.

К сожалению, даже с установленной данной опцией, у TCP наблюдается множество проблем при использовании его в сетевых играх.

Корень всех проблем заключается в том, каким образом TCP обрабатывает пакеты, потерянные или пришедшие вне очереди, создавая иллюзию надежного и последовательного соединения.

Как TCP обеспечивает надежность соединения

При передаче TCP разбивает поток данных на отдельные пакеты, пересылает их по сети, используя ненадежный протокол IP, и затем на принимающем компьютере восстанавливает из принятых пакетов первоначальный поток.

Но что будет, если один из пакетов не дойдет? Или если пакеты придут не по порядку, или с дубликатами?

Если особо не углубляться в детали работы TCP (а это реально очень сложная тема - можете почитать в TCP/IP Illustrated), процесс выглядит так: TCP отправляет пакет, определяет, что пакет не дошел, и заново отправляет тот же пакет адресату. Дублирующиеся пакеты отсеиваются на стороне адресата, а пакеты, пришедшие не по порядку - переупорядочиваются, чтобы все было как надо - надежно и по порядку.

Проблема заключается в том, что когда TCP таким образом “синхронизирует” поток данных, в случае потери пакета передача останавливается до тех пор, пока потерянный пакет не будет отправлен заново (и получен адресатом). Если во время ожидания придут новые данные, они будут поставлены в очередь, и вы не сможете прочитать их, пока не дойдет тот самый потерянный пакет. Сколько времени занимает посылка пакета заново? Она занимает как минимум время, равное времени прохождения пакета туда и обратно (когда TCP определяет, какой пакет надо отправить заново), плюс время на повторную доставку потерянного пакета. Так что, если пинг между компьютерами составляет 125 мс, повторная передача пакета займет примерно одну пятую секунды, а в худшем случае - до полсекунды (представьте, если вдруг заново отправленный пакет тоже потеряется). Веселуха!

Почему никогда не стоит использовать TCP для многопользовательских игр

Проблема с использованием TCP в сетевых играх заключается в том, что, в отличие от браузеров, электронной почты и прочих приложений, игры завязаны на взаимодействии в реальном времени. Для многих аспектов игры, например, нажатых пользователем клавиш и положения игроков в игре, неважно, что происходило секунду назад, а важно только наиболее актуальное состояние игрового мира.

Рассмотрим простой пример многопользовательской игры, например, 3d-шутер. Сетевая часть в игре построена очень просто: каждую итерацию цикла игры клиент посылает на сервер описание всех действий игрока (нажатые клавиши, положение мыши и т.п.), и каждую итерацию сервер обрабатывает эти данные, обновляет модель игрового мира и посылает обратно клиенту текущие позиции объектов мира, чтобы тот отрисовал игроку новый кадр.

Итак, в нашей игре, если пакет будет потерян при передаче по сети, игра останавливается и ждет, пока пакет не будет доставлен заново. На клиентской стороне игровые объекты замирают, и на сервере игроки также не могут двигаться или стрелять, так как сервер не может принимать новые пакеты. Когда потерянный пакет наконец доходит, в нем содержится уже устаревшая информация, которая уже является неактуальной. К тому же после этого приходят и все те пакеты, которые накопились в очереди за время ожидания, и их всех нужно обработать за одну итерацию цикла. Полная неразбериха!

К сожалению, изменить такое поведение TCP никак нельзя, да и не надо, так как в нем и заключается смысл TCP. Это - необходимость, чтобы сделать передачу данных через интернет надежным и последовательным потоком данных.
Но нам не нужен надежный и последовательный поток данных.

Нам нужно, чтобы данные доходили от клиента к серверу как можно быстрее, и мы не хотим ждать повторной отправки данных.
Вот почему никогда не следует использовать TCP для многопользовательских игр.

Но подождите! Почему я не могу использовать и UDP, и TCP вместе?

Для игровых данных реального времени, например, нажатий пользователя и состояния игрового мира, важны только наиболее актуальные данные, но для других типов данных, например, наборов команд, пересылаемых от одного компьютера к другому, надежность и последовательность канала может быть очень важна.

Конечно, велико искушение использовать UDP для передачи данных пользовательского ввода и состояния мира, а TCP - для тех данных, которые должны быть гарантированно доставлены. Возможно, вы даже думаете, что можно сделать несколько “потоков” команд - например, один для загрузки уровней, другой - для команд AI. Вы думаете: “Мне не нужно, чтобы команды AI ждали в очереди, если потеряется пакет с данными для загрузки уровня, ведь они же совершенно не связаны!”. В данном случае вы правы, и вы можете решить создать по TCP сокету на каждый поток команд.

На первый взгляд, это отличная идея. Но проблема в том, что раз TCP и UDP оба работают поверх IP, пакеты обоих протоколов будут влиять друг на друга - уже на уровне IP. Как конкретно будет проявляться это влияние - очень сложный вопрос, и связан он с механизмами обеспечения надежности в TCP. Но, в любом случае, знайте, что использование TCP обычно приводит к увеличению потерь UDP пакетов. Если хотите узнать об этом больше, можете прочитать вот эту статью.

Заключение

Я рекомендую не просто использовать UDP, но и использовать только UDP и больше ничего. Не используйте TCP и UDP вместе - вместо этого лучше узнайте, как реализовать те “фишки” TCP, которые вам нужны, самостоятельно, на основе UDP.

В следующих статьях я расскажу, как это сделать - от реализации собственного протокола с использованием соединений на основе UDP, до реализации обеспечения надежности передачи и контроля потока данных.

Говоря о безопасности информации, мы имеем в виду конфиденциальность, целостность и доступность информации в каждый момент времени. И если с конфиденциальностью и доступностью все понятно, то как обеспечить целостность информации при ее передаче по сети? Для решения этой задачи нам пригодится знание сетевых протоколов. В данной статье мы рассмотрим протоколы TCP и UDP. Они входят в стек протоколов TCP/IP, относятся к транспортному уровню модели OSI и используются для передачи информации от узла к узлу.

Что из себя представляет каждый из этих протоколов, в чем их отличие и когда целесообразнее использовать UDP подключение, а когда TCP.

UDP

UDP protocol – протокол, обеспечивающий передачу данных (датаграмм) без предварительного создания соединения между хостами. При отправке датаграмм нет уверенности в существовании получателя и его готовности к обмену. Сетевой протокол UDP не обеспечивает также упорядочивание датаграмм при получении. Он используется приложениями для которых существенное значение имеет время доставки, когда нет возможности ждать задержавшиеся или запрашивать потерянные пакеты, например, в системах реального времени. Датаграммы могут доставляться не в заданном порядке, дублироваться или вовсе не доставляться. Поэтому протокол UDP называют «ненадёжным протоколом датаграмм».

Приложения, использующие протокол UDP не чувствительны к потерям данных, нарушению порядка получения датаграмм и дублированию. При этом они могут использовать механизмы обеспечения надёжности на прикладном уровне.

TCP

Протокол передачи данных TCP – протокол обеспечивающий надежную доставку пакетов данных, он обеспечивает установку соединения между двумя хостами методом «рукопожатия», после которого может осуществляться обмен данными.

Перед началом передачи пакетов через TCP соединение устанавливается сессия с получателем, в рамках которой затем производится передача данных. Это позволяет убедиться в том, что получатель существует и готов принимать данные. После завершения передачи сессия закрывается, получатель извещается о том, что данных больше не будет, а отправитель извещается о том, что получатель извещён.

Каждый пакет при обмене имеет свой порядковый номер. TCP автоматически упорядочивает пакеты, используя порядковый номер, и передает после склейки на уровень приложений. После отправки нескольких пакетов, ожидается подтверждение и порядковый номер следующего пакета. Если подтверждение не получено, отправка повторяется, если попытки не увенчались успехом, сессия разрывается. Количество пакетов данных, на которые будет запрашиваться подтверждение, зависит от надежности сети. Если данные теряются, то подтверждение автоматически запрашивается чаще. Это называется механизмом скользящего окна (sliding window), благодаря которому TCP может работать с сетями, независимо от уровня их надежности.

Применение TCP целесообразно там, где недопустима потеря данных, например, при авторизации, а также при передаче шифрованной информации.

TCP и UDP отличия

Означает ли это, что протокол UDP не стоит использовать? Вовсе нет. За счет отсутствия «гарантии доставки» протокол UDP обеспечивает более высокую скорость передачи данных, чем TCP. По этой причине UDP оптимален для сетевых и онлайн игр, просмотра потокового видео, организации видео-связи и IP телефонии.

Делитесь полезной информацией с близкими.