Транспортный уровень сетевой модели osi протоколы tcp и udp

Отличия TCP- и UDP-протоколов — определяем разницу на примерах

Рассматриваем два самых популярных протокола транспортного уровня — протоколы TCP и UDP — и сравниваем их.

Эта инструкция — часть курса «Как работают сетевые протоколы».

Современный мир завязан на системах связи, когда различные устройства «общаются» между собой посредством «правил», или протоколов модели OSI (Open Systems Interconnection model), определяющей методы взаимодействия. В тексте рассмотрим два самых популярных протокола транспортного уровня — TCP и UDP — и сравним их.

Прежде всего напомним, что такое сетевые протоколы. Сетевые протоколы — это правила взаимодействия устройств в сети, благодаря которым различные девайсы могут работать друг с другом, несмотря на конструктивные различия. На транспортном уровне происходит прием данных с сетевого уровня и передача их на сеансовый уровень.

TCP — протокол транспортного уровня

Первым из рассматриваемых протоколов будет TCP, или Transmission Control Protocol, который используется для транспортировки сообщений между устройствами в сети.

В сети файлы не передаются целиком, а дробятся и передаются в виде относительно небольших сообщений. Далее они передаются другому устройству — получателю, где повторно собираются в файл.

Например, человек хочет скачать картинку. Сервер обрабатывает запрос и высылает в ответ требуемое изображение. Ему, в свою очередь, необходим путь или канал, по которому он будет передавать информацию. Поэтому сервер обращается к сетевому сокету для установки требуемого соединения и отправки картинки. Сервер дробит данные, инкапсулирует их в блоки, которые передаются на уровень TCP получателя при помощи IP-протокола. Далее получатель подтверждает факт передачи.

У протокола TCP есть несколько особенностей:

• Система нумерации сегментов. TCP отслеживает передаваемые и принимаемые сегменты, присваивая номера каждому из них. Байтам данных, которые должны быть переданы, присваивается определенный номер байта, в то время как сегментам присваиваются порядковые номера.
• Управление потоком. Функция ограничивает скорость, с которой отправитель передает данные. Это делается для обеспечения надежности доставки, в том числе чтобы компьютер не генерировал пакетов больше, чем может принять другое устройство. Если говорить простым языком, то получатель постоянно сообщает отправителю о том, какой объем данных может быть получен.
• Контроль ошибок. Функция реализуется для повышения надежности путем проверки байтов на целостность.
• Контроль перегрузки сети. Протокол TCP учитывает уровень перегрузки в сети, определяемый объемом данных, отправленных узлом.

Примеры применения сетевого протокола TCP

Протокол TCP гарантирует доставку, а также обеспечивает целостность данных, передаваемых в сети. Поэтому он применяется для передачи данных, которые чувствительны к нарушению целостности, — например, текстов, файлов и т.п. Вот несколько протоколов, которые работают по TCP:

• SSH, FTP, Telnet: в данных протоколах TCP используется для обмена файлами.
• SMTP, POP, IMAP: протоколы, где TCP отвечает за передачу сообщений электронной почты.
• HTTP/HTTPS: протоколы, где TCP отвечает за загрузку страниц из интернета.

Эти примеры работают на уровне приложений стека TCP/IP и передают данные вниз к TCP, на транспортный уровень.

Строение протокола TCP

В каждый пакет данных TCP добавляет заголовок общим объемом в 20 байт (или октетов), в котором содержатся 10 обязательных полей:

• Порт источника — порт устройства-отправителя.
• Порт назначения — порт принимающего устройства.
• Порядковый номер. Устройство, инициирующее TCP-соединение, должно выбрать случайный начальный порядковый номер, который затем увеличивается в соответствии с количеством переданных байтов.
• Номер подтверждения. Принимающее устройство увеличивает этот номер с нуля в соответствии с количеством полученных байтов.
• Сдвиг данных TCP. Данный параметр определяет размер заголовка, чтобы система могла понять, где начинаются данные.
• Зарезервированные данные — зарезервированное поле, значение которого всегда равно нулю.
• Флаги управления. TCP использует девять флагов для управления потоком данных в определенных ситуациях — например, при инициировании сброса сессии.
• Размер окна — самая важная часть заголовка TCP. Это поле используется получателем для указания отправителю объема данных, которые он может принять.
• Контрольная сумма. Отправитель генерирует контрольную сумму и передает ее в заголовке каждого пакета. Принимающее устройство может использовать контрольную сумму для проверки ошибок в полученном файле.
• Срочный указатель — это предлагаемая протоколом возможность помечать некоторые байты данных тегом «Срочно» для их пересылки и обработки вне очереди.
• Поле опции. Может использоваться для расширения протокола или его тестирования.

Ускоряем работу протокола TCP при хорошем соединении или выжимаем максимум

TCP используется при передаче данных в таких протоколах, как HTTP, Telnet, FTP, SMTP. При использовании протокола нужно учесть, что при увеличении потери пакетов время, затрачиваемое на доставку файла, увеличивается.

Чтобы достичь максимальной пропускной способности TCP-соединения, можно выполнить следующие шаги:

Увеличить размер окна. Размер окна, или TCP Window Size, — это количество данных, которое может быть передано в данный момент без подтверждения. Это значение устанавливается в начале соединения между устройствами. Однако это значение можно изменить заранее, введя команду regedit в поиске и перейдя по следующему пути:

HKEY_LOCAL_MACHINE\SYSTEM\CurrentControlSet\Services\AFD\Parameters\DefaultSendWindow

Увеличение параметра приведет к тому, что уменьшится количество проверок полученных данных и увеличится эффективность использования полосы пропускания. Также, перейдя по пути:

HKEY_LOCAL_MACHINE\System\CurrentControlSet\Services\Tcpip\Parameters

, можно добавить значение Tcp1323Opts, которое отвечает за изменение размера окна и управление временной меткой.

Изменение значения SackOpts. SACK, или селективное подтверждение, крайне важно для подключений с большим размером окна. Без этой функции проверка полученных данных выполняется только по последнему номеру последовательности полученных данных. Но с включением этой функции появляется возможность подтверждать получение отдельных блоков. Чтобы изменить данный параметр, можно перейти по пути:

HKEY_LOCAL_MACHINE\SYSTEM\CurrentControlSet\Services\Tcpip\Parameters

и выбрать параметр SackOpts.

Изменение значения TcpMaxDupAcks. Данный параметр отвечает за количество полученных подтверждений о передаче. Стандартное значение состоит из одного подтверждения и двух дубликатов. Параметр можно изменить, перейдя по пути:

HKEY_LOCAL_MACHINE\SYSTEM\CurrentControlSet\Services\Tcpip\Parameters

и выбрав TcpMaxDupAcks. Это позволит вам назначать количество требуемых подтверждений для запуска быстрой повторной передачи, что в результате скажется на скорости передачи данных.

Стоит отметить, что данными манипуляциями выигрываются доли секунд, поэтому сильно прироста скорости вы не увидите.

UDP — протокол транспортного уровня

Если нам очень важна скорость передачи, а вот потеря пакетов не так критична (как, например, в голосовом или видеотрафике), то лучше использовать UDP, или User Datagram Protocol. В отличие от TCP он обеспечивает передачу данных без получения подтверждения от пользователя. Проще говоря, просто отправляет пакеты и не ждет ничего в ответ. Из-за этого достигается высокая скорость в ущерб надежности.

Чаще всего UDP применяется в чувствительных ко времени службах, где потерять пакеты лучше, чем ждать. Звонки в Skype или Google Meet, стриминг видео, онлайн-трансляции используют этот протокол из-за того, что они чувствительны ко времени и рассчитаны на определенный уровень потерь. Вся голосовая связь через интернет работает по протоколу UDP. Также UDP очень часто используется в онлайн-играх. Аналогичная история с DNS-серверами, поскольку они должны быть быстрыми и эффективными.

Примеры использования протокола UDP

Примерами протоколов, использующих UDP-протокол, являются:

• DNS — протокол, преобразующий домены в IP-адреса, чтобы сделать возможной загрузку интернет-ресурса через браузер.
• SNMP — протокол, позволяющий системному администратору проводить мониторинг, контролировать производительность сети и изменять конфигурацию подключенных устройств.
• DHCP — протокол, отвечающий за автоматическое назначение IP-адреса клиенту.

Разница между TCP и UDP

Ключевым различием между TCP и UDP является скорость, поскольку TCP сравнительно медленнее UDP. В целом, UDP является быстрым, простым и эффективным протоколом, однако повторная передача потерянных пакетов данных возможна только в TCP.

Еще одно заметное различие между TCP и UDP заключается в том, что первый обеспечивает упорядоченную доставку данных от пользователя к серверу (и наоборот). UDP, в свою очередь, не проверяет готовность получателя и может доставлять пакеты вразнобой.

TCP vs UDP

Рассмотрим разницу характеристик протоколов TCP и UDP.

TCP	UDP
Состояние соединения	Требуется установленное соединение для передачи данных (соединение должно быть закрыто после завершения передачи)	Протокол без соединения, без требований к открытию, поддержанию или прерыванию соединения
Гарантия доставки	Может гарантировать доставку данных получателю	Не гарантирует доставку данных получателю
Повторная передача данных	Повторная передача нескольких кадров в случае потери одного из них	Отсутствие повторной передачи потерянных пакетов
Проверка ошибок	Полная проверка ошибок	Базовый механизм проверки ошибок. Использует вышестоящие протоколы для проверки целостности
Метод передачи	Данные считываются как поток байтов; сообщения передаются по границам сегментов	UDP-пакеты с определенными границами; отправляются по отдельности и проверяются на целостность по прибытии
Сферы применения	Используется для передачи сообщений электронной почты, HTML-страниц браузеров	Видеоконференции, потоковое вещание, DNS, VoIP, IPTV

Отличия TCP и UDP при использовании в VPN

Также нередко возникает вопрос, касающийся использования данных протоколов при VPN-соединениях. К примеру, в OpenVPN существует возможность выбора между TCP- и UDP-протоколами.

Условимся, что VPN заворачивает передаваемые данные в еще один протокол (на самом деле все намного сложнее). Если ваш VPN-туннель использует в качестве транспортного протокола TCP, то передача данных по UDP-протоколу теряет свои преимущества. Как минимум на определенном участке пути. Поэтому для VPN-туннеля советуют использовать UDP-протокол, ведь TCP будет штатно работать внутри UDP-туннеля.

Поднимите VPN на сервере Selectel

Более 100 готовых к работе конфигураций.

Итог сравнения протоколов TCP и UDP

Каждый протокол хорош под свои задачи, недаром они являются одними из самых распространенных в интернете. В завершение сравнения TCP и UDP можно выделить, что TCP применяется там, где важно доставить все данные в определенном порядке. Зона применения UDP, в свою очередь, — это голосовой и видеотрафик, где доставка всех пакетов не является обязательной.

Также серьезным отличием TCP от UDP является размер заголовков. У TCP он составляет 20-60 байт, а у UDP — всего 8 байт. Это показывает, насколько сложнее устроен протокол TCP, ведь он приоритизирует трафик и проверяет блоки данных на наличие ошибок.

Руководство по стеку протоколов TCP/IP для начинающих

Источник