Sysadminium
Протокол UDP является одним из важнейших протоколов связи в компьютерных сетях. В этой статье познакомимся с ним поближе.
Что такое транспортные протоколы
Транспортные протоколы (TCP и UDP) используются для передачи информации. Информация передаётся маленькими частями — сетевыми пакетами. То есть поток информации разбивается на много маленьких пакетов.
Каждый пакет состоит из заголовка и самих данных. Заголовок содержит служебную информацию, например порт источника и назначения.
Особенности UDP
Протокол UDP находится на 4 уровне модели OSI. В отличии от TCP этот протокол не обнаруживает ошибки передачи пакетов, что уменьшает служебную информацию и облегчает передачу данных.
Также в этом протоколе не устанавливается сеанс связи и нет трёхкратного рукопожатия для создании сеанса и четырёхкратного для его завершения.
Эти две особенности делают этот протокол очень быстрым и лёгким. Что позволяет его использовать, когда скорость важнее качества. Например dns сервер обрабатывает много запросов и не должен на каждый запрос создавать сеанс связи. Ещё один пример это sip, при передачи голоса по сети важно его быстро передавать и не нагружать сеть служебной информацией. А если потеряются несколько пакетов, звук немного исказится, но это не критично.
Поверх протокола UDP работают:
- сервер доменных имен (dns);
- потоковое мультимедиа и телефония (iptv, voip);
- vpn туннели (l2tp, openvpn).
Так же как и в tcp, здесь для подключения нужен открытый сокет прослушивающий какой-либо порт, к которому будет выполняться подключение.
Для передачи запроса и получения ответа по сети хватит всего двух пакетов, один для запроса, второй для ответа.
Ещё одной особенностью является поддержка Broadcasts и Multicast. Это возможно, так как udp не нужен сеанс связи и пакеты могут быть отправлены сразу на несколько хостов.
Заголовок UDP пакета
Заголовок UDP пакета очень мал и состоит из следующих полей:
- Порт отправителя.
- Порт получателя.
- Длина. Суммарная длина пакета в байтах. Минимальная длина равна длине заголовка — 8 байт. Теоретически максимальная длина — 65535 байт. Фактический предел при использовании IPv4 — 65515 байт (20 ушло на заголовок IP).
- Контрольная сумма. Используется для проверки заголовка и данных на ошибки. Поле не является обязательным для IPv4.
Итог
Вот мы и познакомились с протоколом UDP. У него облегчённый заголовок, нет флагов, нет сеансов. Зато он очень быстрый!
Протокол UDP
— это простой, ориентированный на дейтаграммы протокол без организации соединения, предоставляющий быстрое, но необязательно надежное транспортное обслуживание. Он поддерживает взаимодействия «один со многими» и поэтому часто применяется для широковещательной и групповой передачи дейтаграмм.
Internet Protocol (IP) является основным протоколом Интернета. Transmission Control Protocol (TCP) и UDP — это протоколы транспортного уровня, построенные поверх лежащего в основе протокола.
TCP/IP — это набор протоколов, называемый также «пакетом протоколов Интернета» (Internet Protocol Suite), состоящий из четырех уровней. Запомните, что TCP/IP не просто один протокол, а семейство или набор протоколов, который состоит из других низкоуровневых протоколов, таких, как IP, TCP и UDP. UDP располагается на транспортном уровне поверх IP (протокола сетевого уровня). Транспортный уровень обеспечивает взаимодействие между сетями через шлюзы. В нем используются IP-адреса для отправки пакетов данных через Интернет или другую сеть с помощью разнообразных драйверов устройств.
Прежде чем приступать к изучению работы UDP, обратимся к основной терминологии, которую нужно хорошо знать. Ниже вкратце определим основные термины, связанные с UDP:
В передаче данных пакетом называется последовательность двоичных цифр, представляющих данные и управляющие сигналы, которые передаются и коммутируются через хост. Внутри пакета эта информация расположена в соответствии со специальным форматом.
Дейтаграммы
Дейтаграмма — это отдельный, независимый пакет данных, несущий информацию, достаточную для передачи от источника до пункта назначения, поэтому никакого дополнительного обмена между источником, адресатом и транспортной сетью не требуется.
MTU (Maximum Transmission Unit)
MTU характеризует канальный уровень и соответствует максимальному числу байтов, которое можно передать в одном пакете. Другими словами MTU — это самый большой пакет, который может переносить данная сетевая среда. Например, Ethernet имеет фиксированный MTU, равный 1500 байтам. В UDP, если размер дейтаграммы больше MTU, протокол IP выполняет фрагментацию, разбивая дейтаграмму на более мелкие части (фрагменты) так, чтобы каждый фрагмент был меньше MTU.
Чтобы поставить в соответствие входящим данным конкретный процесс, выполняемый в компьютере, UDP использует порты. UDP направляет пакет в соответствующее место, используя номер порта, указанный в UDP-заголовке дейтаграммы. Порты представлены 16-битными номерами и, следовательно, принимает значения в диапазоне от 0 до 65 535. Порты, которые также называют конечными точками логических соединений, разделены на три категории:
- Хорошо известные порты — от 0 до 1023
- Регистрируемые порты — от 1024 до 49151
- Динамические / частные порты — от 49152 до 65535
Заметим, что порты UDP могут получать более одного сообщения в каждый промежуток времени. В некоторых случаях сервисы TCP и UDP могут использовать одни и те же номера портов, например 7 (Echo) или 23 (Telnet).
UDP использует следующие известные порты:
| Номер порта | Описание |
|---|---|
| 15 | NETSTAT — Состояние сети |
| 53 | DNS — Сервер доменных имен |
| 69 | TFTP — Простейший протокол передачи файлов |
| 137 | Служба имен NetBIOS |
| 138 | Дейтаграммная служба NetBIOS |
| 161 | SMTP |
Перечень портов UDP и TCP поддерживается агентством IANA (Internet Assigned Numbers Authority).
Дейтаграмма IP состоит из 32-битных IP-адресов источника и назначения. IP-адрес назначения задает конечную точку для дейтаграммы UDP, а IP-адрес источника используется для получения информации о том, кто отправил сообщение. В пункте назначения пакеты фильтруются, и те из них, адреса источников которых не входят в допустимый набор адресов, отбрасываются без уведомления отправителя.
Однонаправленный IP-адрес уникально определяет хост в сети, тогда как групповой IP-адрес определяет конкретную группу адресов в сети. Широковещательные IP-адреса получаются и обрабатываются всеми хостами локальной сети или конкретной подсети.
Значение времени жизни, или TTL (time-to-live), позволяет установить верхний предел числа маршрутизаторов, через которые может пройти дейтаграмма. Значение TTL не дает пакетам попасть в бесконечные циклы. Оно инициализируется отправителем и уменьшается на единицу каждым маршрутизатором, обрабатывающим дейтаграмму. Когда значение TTL становится нулевым, дейтаграмма отбрасывается.
Групповая рассылка
Групповая рассылка — это открытый, базирующийся на стандартах, метод одновременного распространения идентичной информации нескольким пользователям. Групповая рассылка является основным средством протокола UDP, она невозможна для протокола TCP. Групповая рассылка позволяет добиться взаимодействия одного со многими, например, делает возможными такие использования, как рассылка новостей и почты нескольким получателям, интернет-радио или демонстрационные программы реального времени. Групповая рассылка не так сильно нагружает сеть, как широковещательная передача, поскольку данные отправляются сразу нескольким пользователям:
Принцип работы UDP
Когда приложение, базирующееся на UDP, отправляет данные другому хосту в сети, UDP дополняет их восьмибитным заголовком, содержащим номера портов адресата и отправителя, общую длину данных и контрольную сумму. Поверх дейтаграммы UDP свой заголовок добавляет IP, формируя дейтаграмму IP:
На предыдущем рисунке указано, что общая длина заголовка UDP составляет восемь байтов. Теоретически максимальный размер дейтаграммы IP равен 65 535 байтам. С учетом 20 байтов заголовка IP и 8 байтов заголовка UDP длина данных пользователя может достигать 65 507 байтов. Однако большинство программ работают с данными меньшего размера. Так, для большинства приложений по умолчанию установлена длина приблизительно 8192 байта, поскольку именно такой объем данных считывается и записывается сетевой файловой системой (NFS). Можно устанавливать размеры входного и выходного буферов.
Контрольная сумма нужна, чтобы проверить были ли данные доставлены в пункт назначения правильно или были искажены. Она охватывает как заголовок UDP, так и данные. Байт-заполнитель используется, если общее число октетов дейтаграммы нечетно. Если полученная контрольная сумма равна нулю, получатель фиксирует ошибку контрольной суммы и отбрасывает дейтаграмму. Хотя контрольная сумма является необязательным средством, ее всегда рекомендуется включать.
На следующем шаге уровень IP добавляет 20 байтов заголовка, включающего TTL, IP-адреса источника и получателя и другую информацию. Это действие называют IP-инкапсуляцией.
Как упоминалось ранее, максимальный размер пакета равен 65 507 байтам. Если пакет превышает установленный по умолчанию размер MTU, то уровень IP разбивает пакет на сегменты. Эти сегменты называются фрагментами, а процесс разбиения данных на сегменты — фрагментацией. Заголовок IP содержит всю информацию о фрагментах.
Когда приложение-отправитель «выбрасывает» дейтаграмму в сеть, она направляется по IP-адресу назначения, указанному в заголовке IP. При проходе через маршрутизатор значение времени жизни (TTL) в заголовке IP уменьшается на единицу.
Когда дейтаграмма прибывает к заданному назначению и порту, уровень IP по своему заголовку проверяет, фрагментирована ли дейтаграмма. Если это так, дейтаграмма собирается в соответствии с информацией, имеющейся в заголовке. Наконец прикладной уровень извлекает отфильтрованные данные, удаляя заголовок.
Недостатки UDP
По сравнению с TCP UDP имеет следующие недостатки:
- Отсутствие сигналов квитирования. Перед отправкой пакета UDP, отправляющая сторона не обменивается с получающей стороной квитирующими сигналами. Следовательно, у отправителя нет способа узнать, достигла ли дейтаграмма конечной системы. В результате UDP не может гарантировать, что данные будут действительно доставлены адресату (например, если не работает конечная система или сеть). Напротив, протокол TCP ориентирован на установление соединений и обеспечивает взаимодействие между подключенными к сети хостами, используя пакеты. В TCP применяются сигналы квитирования, позволяющие проверить успешность транспортировки данных.
- Использование сессий. Ориентированность TCP на соединения поддерживается сеансами между хостами. TCP использует идентификатор сеанса, позволяющий отслеживать соединения между двумя хостами. UDP не имеет поддержки сеансов из-за своей природы, не ориентированной на соединения.
- Надежность. UDP не гарантирует, что адресату будет доставлена только одна копия данных. Чтобы отправить конечной системе большой объем данных, UDP разбивает его на небольшие части. UDP не гарантирует, что эти части будут доставлены по назначению в том же порядке, в каком они создавались в источнике. Напротив, TCP вместе с номерами портов использует порядковые номера и регулярно отправляемые подтверждения, гарантирующие упорядоченную доставку данных.
- Безопасность. TCP более защищен, чем UDP. Во многих организациях брандмауэры и маршрутизаторы не пропускают пакеты UDP. Это связано с тем, что хакеры могут воспользоваться портами UDP, не устанавливая явных соединений.
- Управление потоком. В UDP управление потоком отсутствует, в результате плохо спроектированное UDP-приложение может захватить значительную часть пропускной способности сети.
Преимущества UDP
По сравнению с TCP UDP имеет следующие преимущества:
- Нет установки соединения. UDP является протоколом без организации соединений, поэтому он освобождает от накладных расходов, связанных с установкой соединений. Поскольку UDP не пользуется сигналами квитирования, то задержек, вызванных установкой соединений, также удается избежать. Именно поэтому DNS отдает предпочтение UDP перед TCP — DNS работала бы гораздо медленнее, если бы она выполнялась через TCP.
- Скорость. UDP работает быстрее TCP. По этой причине многие приложения предпочитают не TCP, a UDP. Те же средства, которые делают TCP более устойчивым (например сигналы квитирования), замедляют его работу.
- Топологическое разнообразие. UDP поддерживает взаимодействия «один с одним» и «один с многими», в то время как TCP поддерживает лишь взаимодействие «один с одним».
- Накладные расходы. Работа с TCP означает повышенные накладные расходы, издержки, налагаемые UDP, существенно ниже. TCP по сравнению с UDP использует значительно больше ресурсов операционной системы, и, как следствие, в таких средах, где серверы одновременно обслуживают многих клиентов, широко используют UDP.
- Размер заголовка. Для каждого пакета заголовок UDP имеет длину всего лишь восемь байтов, в то время как TCP имеет 20-байтовые заголовки, и поэтому UDP потребляет меньше пропускной способности сети.