Введение

UDP простой, ориентированный на передачу датаграмм, протокол транспортного уровня: за один раз процесс выдает одну UDP датаграмму, в результате чего передается одна IP датаграмма. Это отличается от поток-ориентированных протоколов, таких как TCP, где количество данных, которое выдается приложением, практически не имеет отношения к количеству отправленных IP датаграмм.

На рисунке 11.1 показана инкапсуляция UDP датаграммы в IP датаграмму.

Рисунок 11.1 UDP инкапсуляция.

Официальная спецификация UDP приведена в RFC 768 [ Postel 1980].

UDP является ненадежным протоколом: он отправляет датаграммы, которые приложение пишет в IP уровень, однако не существует гарантии того, что они достигнут конечного пункта назначения. С точки зрения надежности может возникнуть предположение, что стоит избегать использовать UDP и всегда пользоваться надежными протоколами, такими как TCP. После того как TCP будет описан в , мы вернемся к этой теме и посмотрим, какие типы приложений могут использовать UDP.

Приложениям нет необходимости беспокоиться о размере получившейся в результате IP датаграммы. Если она по размеру больше, чем MTU для данной сети (см. главу 2, раздел ), IP датаграмма будет фрагментирована. Это применимо к каждой сети, через которую пройдет датаграмма по пути от источника до пункта назначения, кроме первой сети, к которой подключен посылающий хост. (Мы определили понятие транспортного MTU в разделе главы 2.) Более подробно IP фрагментация будет рассмотрена в разделе этой главы.

UDP заголовок

На рисунке 11.2 показаны поля, присутствующие в UDP заголовке.

Рисунок 11.2 UDP заголовок.

Номера портов (port numbers) указывают на отправляющий и принимающий процессы. На показано, что TCP и UDP используют номер порта назначения для демультиплексирования данных, поступающих от IP. Так как IP осуществляет демультиплексирование входящих IP датаграмм для TCP и UDP (с использованием значения протокола в IP заголовке), TCP просматривает номера портов TCP, а UDP - номера портов UDP. Номера портов TCP независимы от номеров портов UDP.

Несмотря на подобную независимость, если зарезервированный сервис предоставляется обоими TCP и UDP, обычно выбирается один и тот же номер порта для обоих транспортных уровней. Это сделано для удобства, а не по требованию протоколов.

Поле длины UDP содержит длину в байтах UDP заголовка и UDP данных. Минимальное значение для этого поля составляет 8 байт. (Не произойдет ничего страшного, если будет отправлена UDP датаграмма с нулевой длиной данных.) Параметр UDP длины - избыточный. IP датаграмма содержит свою полную длину в байтах, поэтому длина UDP датаграммы это полная длина минус длина IP заголовка (которая указана в поле длины заголовка на ).

Контрольная сумма UDP

Контрольная сумма UDP охватывает UDP заголовок и UDP данные. Вспомним, что контрольная сумма в IP заголовке охватывает только IP заголовок - она не охватывает данные, находящиеся в IP датаграмме. И UDP, и TCP содержат контрольные суммы в своих заголовках, которые охватывают как заголовок, так и данные. Для UDP контрольная сумма необязательна, но для TCP она обязательна.

Контрольная сумма UDP рассчитывается точно так же, как (глава 3, раздел ) контрольная сумма IP заголовка (сумма 16-битных слов с переполнением), хотя существуют и отличия. Во-первых, UDP датаграмма может состоять из нечетного количества байт, тогда как при расчете контрольной суммы складываются 16-битные слова. При этом в конец датаграммы добавляются нулевые байты заполнения, если это необходимо для расчета контрольной суммы. (Байты заполнения не передаются.)

В UDP и TCP существуют 12-байтовые псевдозаголовки (в UDP датаграммах и TCP сегментах) только для расчета контрольной суммы. Псевдозаголовки содержат в себе определенные поля из IP заголовка. Все это сделано для двойной проверки того, что данные достигли того пункта назначения, которому предназначались (IP не принимает датаграммы, которые не адресованы для данного хоста, и не сможет передать UDP датаграммы, предназначенные для другого верхнего уровня). На рисунке 11.3 показан псевдозаголовок и UDP датаграмма.

Рисунок 11.3 Поля, используемые для расчета контрольной суммы UDP.

На этом рисунке мы специально показали датаграмму с нечетной длиной, в этом случае требуется дополнительный байт для расчета контрольной суммы. Обратите внимание на то, что длина UDP датаграммы, при расчете контрольной суммы, появляется дважды.

Если рассчитанная контрольная сумма равна 0, она хранится как все единичные биты (65535), эти значения эквивалентны в арифметике с поразрядным дополнением (дополнение единицы) (ones-complement). Если переданная контрольная сумма равна 0, это означает, что отправитель не рассчитал контрольную сумму.

Если отправитель все же рассчитал контрольную сумму, а получатель определил наличие ошибки, UDP датаграмма молча уничтожается, сообщение об ошибке не генерируется. (То же самое происходит, если IP уровень обнаружил ошибку в контрольной сумме IP заголовка.)

Контрольная сумма UDP рассчитывается отправителем и проверяется получателем. Она позволяет определить любые изменения в UDP заголовке или данных, которые произошли на пути между отправителем и получателем.

Несмотря на то, что для контрольная сумма UDP - необязательный параметр, она должна рассчитываться всегда. В конце 1980-х годов некоторые производители компьютеров стали по умолчанию отключать расчет контрольной суммы UDP, чтобы увеличить скорость работы сетевой файловой системы (NFS - Network File System), которая использует UDP. Это может быть допустимым в одной локальной сети, где рассчитывается циклический избыточный код для фреймов на канальном уровне (фреймы Ethernet или Token ring), с помощью которого можно определить повреждение фрейма, когда датаграмма проходит через маршрутизаторы. Поверите Вы или нет, но существуют маршрутизаторы, у которых есть ошибки в программном или аппаратном обеспечении и которые изменяют биты в датаграммах, которые они маршрутизируют. Эти ошибки не могут быть выявлены в UDP датаграммах, если отключена опция контрольной суммы. Также необходимо отметить, что некоторые протоколы канального уровня (например, SLIP) не имеют каких-либо форм расчета контрольной суммы для данных в канале.

Требования к хостам Host Requirements RFC требуют, чтобы расчет контрольной суммы UDP был включен по умолчанию. Также они требуют, чтобы принятая контрольная сумма обязательно проверялась, если ее рассчитал отправитель (в том случае, если принятая контрольная сумма не нулевая). Некоторые реализации игнорируют это и проверяют принятую контрольную сумму в том случае, если включена опция расчета исходящей контрольной суммы.

Вывод команды tcpdump

Довольно сложно определить, включена ли опция расчета контрольной суммы UDP на конкретной системе. Обычно приложение не имеет доступа к полю контрольной суммы принятого UDP заголовка. Чтобы решить эту проблему, автор добавил еще одну опцию к программе tcpdump, после чего та стала выдавать полученные контрольные суммы UDP. Если полученное значение равно 0, это означает, что отправитель не рассчитал контрольную сумму.

На рисунке 11.4 показан вывод к трем системам и от тех же трех различных систем в нашей сети. Мы запустили программу sock (), послав единственную UDP датаграмму с 9 байтами данных на стандартный эхо сервер.

>

1 0.0 sun.1900 > gemini.echo: udp 9 (UDP cksum=6e90)
2 0.303755 (0.3038) gemini.echo > sun.1900: udp 9 (UDP cksum=0)

3 17.392480 (17.0887) sun.1904 > aix.echo: udp 9 (UDP cksum=6e3b)
4 17.614371 (0.2219) aix.echo > sun.1904: udp 9 (UDP cksum=6e3b)

5 32.092454 (14.4781) sun.1907 > solaris.echo: udp 9 (UDP cksum=6e74)
6 32.314378 (0.2219) solaris.echo > sun.1907: udp 9 (UDP cksum=6e74)

Рисунок 11.4 Вывод tcpdump, с помощью которого можно определить, включена ли опция контрольной суммы UDP на конкретном хосте.

Отсюда мы видим, что у двух из трех систем опция контрольной суммы UDP включена.

Также обратите внимание на то, что исходящая датаграмма имеет такую же контрольную сумму, как и входящая датаграмма (строки 3 и 4, 5 и 6). На рисунке 11.3, можно заметить, что два IP адреса поменяны местами, так же, как и два номера порта. Другие поля в псевдозаголовке и заголовке UDP остались те же, так как данные были отражены эхом. Это подтверждает, что контрольная сумма UDP (а в действительности, и все контрольные суммы в семействе протоколов TCP/IP) это простая 16-битовая сумма. С ее помощью невозможно определить ошибку, которая заключается в перемене мест двух 16-битных значений.

Немного статистики

[ Mogul 1992] предоставляет некоторую статистическую информацию о появлении ошибок контрольных сумм на довольно загруженном NFS сервере, который работал в течение 40 дней. На рисунке 11.5 приведены статистические данные.

	Количество ошибок в контрольных суммах	Приблизительное количество пакетов
Ethernet
IP
UDP
TCP

Рисунок 11.5 Статистика поврежденных пакетов, определенных с использованием контрольных сумм.

В последней колонке приведено приблизительное количество пакетов, так как и другие протоколы используют Ethernet и IP уровень. Например, не все Ethernet фреймы используются IP датаграммами, ARP также использует Ethernet. Не все IP датаграммы используются UDP или TCP, так как ICMP также использует IP.

Обратите внимание на то, что выявлено значительно больше ошибок контрольных сумм TCP, чем UDP. Это скорее всего вызвано тем, что с помощью TCP обычно устанавливаются "дальние" соединения (которые проходят через много маршрутизаторов, мостов и так далее), тогда как UDP траффик обычно локальный.

Поэтому ошибки, приведенные в нижней строке, не всегда имеют отношение к канальному уровню (Ethernet, Token ring). При передаче данных следует всегда включать опцию контрольную сумму в оконечных точках. Однако, если передаваемые данные представляют определенную ценность, не стоит полностью доверять контрольным суммам UDP или TCP, так как это простые контрольные суммы, и они не гарантируют, что защитят данные от всех возможных ошибок.

Простой пример

Мы воспользуемся программой sock, чтобы сгенерировать несколько UDP датаграмм, которые мы просмотрим с использованием tcpdump:

>bsdi % sock -v -u -i -n4 svr4 discard
connected on 140.252.13.35.1108 to 140.252.13.34.9

bsdi % sock -v -u -i -n4 -w0 svr4 discard
connected on 140.252.13.35.1110 to 140.252.13.34.9

В первом случае запуска программы установлен отладочный режим ( -v), при этом можно просмотреть номера динамически назначаемых портов, указан UDP ( -u) вместо TCP по умолчанию и установлен режим источника, опция ( -i) , это означает, что мы будем посылать данные, а не будем читать из стандартного ввода или писать в стандартный вывод. Опция -n4 сообщает о необходимости выдать 4 датаграммы (вместо того, чтобы выдавать по умолчанию 1024) на хост назначения svr4. Сервис discard описан в разделе главы 1. Мы используем размер вывода по умолчанию в 1024 байта на одну запись.

Второй раз мы запустили программу, указав -w0, при этом будут выдаваться датаграммы нулевой длины. На рисунке 11.6 показан вывод команды tcpdump для двух примеров.

>

1 0.0 bsdi.1108 > svr4.discard: udp 1024
2 0.002424 (0.0024) bsdi.1108 > svr4.discard: udp 1024
3 0.006210 (0.0038) bsdi.1108 > svr4.discard: udp 1024
4 0.010276 (0.0041) bsdi.1108 > svr4.discard: udp 1024

5 41.720114 (41.7098) bsdi.1110 > svr4.discard: udp 0
6 41.721072 (0.0010) bsdi.1110 > svr4.discard: udp 0
7 41.722094 (0.0010) bsdi.1110 > svr4.discard: udp 0
8 41.723070 (0.0010) bsdi.1110 > svr4.discard: udp 0

Рисунок 11.6 Вывод команды tcpdump для случая, когда UDP датаграммы посылаются в одном направлении.

В выводе показаны четыре датаграммы размером 1024 байта, за которыми следуют четыре датаграммы нулевой длинны. Каждая датаграмма следует за предыдущей с интервалом в несколько миллисекунд. (Для того чтобы ввести вторую команду, потребовалась 41 секунда.)

До того как была отправлена первая датаграмма, соединения между отправителем и получателем не существовало. (В , где рассказывается о TCP, мы покажем, что перед тем как будет отправлен первый байт данных, должно быть установлено соединение.) Необходимо отметить, что получатель не выдает подтверждение, когда получает данные. Отправитель, в этом примере, не имеет представления о том, получены ли данные на удаленном конце.

И в завершение, обратите внимание, что номер порта источника UDP меняется каждый раз при запуске программы. Сначала порт был 1108, затем 1110. В разделе главы 1 мы показали, что номера динамически назначаемых портов, используемых клиентами, обычно находятся в диапазоне от 1024 до 5000.

Фрагментация IP

На рисунке 11.9 показан формат ICMP ошибки о недоступности для данного случая. Он отличается от формата, приведенного на , потому что биты 16-31 во втором 32-битном слове могут содержать MTU следующей пересылки, вместо того чтобы быть установленными в 0.

Рисунок 11.9 ICMP ошибка о недоступности, когда необходима фрагментация, однако установлен бит "не фрагментировать".

Если маршрутизатор не поддерживает этот новый формат ICMP ошибки, MTU следующей пересылки устанавливается в 0.

Новые требования к маршрутизаторам Router Requirements RFC [ Almquist 1993] указывают на то, что маршрутизатор должен генерировать эту новую форму, когда выдает ICMP сообщение о недоступности.

Проблема, которую мы обсудим, возникла при получении ICMP ошибки при попытке определить MTU SLIP канала с дозвоном между маршрутизатором netb и хостом sun. Мы знаем MTU этого канала от sun к netb, так как, во-первых, это указывается при конфигурации SLIP на хосте sun, во-вторых, мы видели MTU при запуске команды netstat в разделе главы 3. А сейчас мы хотим определить MTU в другом направлении. (В рассказывается как определить MTU с использованием SNMP.) Для каналов точка-точка нет необходимости, чтобы MTU был одним и тем же в обоих направлениях.

Для определения использована следующая техника. Мы запустили ping с хоста solaris на хост bsdi, увеличивая размер пакета данных до тех пор, пока к пакетам не была применена фрагментация. Процесс показан на рисунке 11.10.

Рисунок 11.10 Системы, которые были использованы для определения MTU SLIP канала между netb и sun.

На хосте sun была запущена программа tcpdump, которая позволила посмотреть, как осуществляется фрагментация в SLIP канале. Фрагментация не появлялась и все было отлично до тех пор, пока размер данных в пакете ping не возрос от 500 байт до 600. Входящие эхо запросы были видны (как будто фрагментации не было), однако эхо отклики исчезли.

Чтобы лучше разобраться в происходящем, программа tcpdump также была запущена на bsdi, после чего стало видно, что отправляется и что принимается. На рисунке 11.11 показан вывод.

>

1 0.0 solaris >
2 0.000000 (0.0000) bsdi >
3 0.000000 (0.0000) sun >
need to frag, mtu = 0 (DF)

4 0.738400 (0.7384) solaris > bsdi: icmp: echo request (DF)
5 0.748800 (0.0104) bsdi > solaris: icmp: echo reply (DF)
6 0.748800 (0.0000) sun > bsdi: icmp: solaris unreachable -
need to frag, mtu = 0 (DF)

Рисунок 11.11 Вывод программы tcpdump от ping на bsdi от solaris с IP датаграммой размером в 600 байт.

Во-первых, выражение (DF) в каждой строке означает, что в единицу установлен бит "не фрагментировать" в IP заголовке. Это означает, что Solaris 2.2 нормально устанавливает этот бит в единицу, что является частью механизма определения транспортного MTU.

Строка 1 указывает, что эхо запрос проходит через маршрутизатор netb к sun без фрагментации и с установленным битом DF, поэтому можно сделать вывод, что критичный размер MTU для SLIP хоста netb еще не достигнут.

Также, заметьте из строки номер 2, что DF флаг копируется в каждый эхо отклик. Как раз это и вызвало проблему. Эхо отклик того же размера, что и эхо запрос (чуть больше 600 байт), однако MTU исходящего SLIP интерфейса хоста sun равен 552. Эхо отклик должен быть фрагментирован, однако установлен флаг DF. Это заставляет sun генерировать ICMP ошибку о недоступности и отправлять ее к bsdi (где она уничтожается).

Именно поэтому мы не видели эхо отклики от solaris. Отклики не проходили через sun. На рисунке 11.12 показан путь прохождения пакетов.

Рисунок 11.12 Обмен пакетами для данного примера.

И в завершение, отметим, что выражение mtu=0 в строках 3 и 6 на рисунке 11.11 указывает на то, что sun не возвращает MTU для исходящего интерфейса в ICMP сообщении о недоступности, как показано на рисунке 11.9. (В разделе главы 25 мы решим эту проблему с использованием SNMP и убедимся в том, что MTU SLIP интерфейса netb равен 1500.)

Определение транспортного MTU с использованием Traceroute

Так как большинство систем не поддерживают функцию определения транспортного MTU, мы доработаем программу traceroute () так, чтобы она могла определять транспортный MTU. Мы отправим пакет с установленным битом "не фрагментировать" (don"t fragment). Размер первого отправляемого пакета будет равен MTU исходящего интерфейса. Когда вернется ICMP ошибка "не могу фрагментировать" (can"t fragment), мы уменьшим размер пакета. Если маршрутизатор, отправивший ICMP ошибку, поддерживает новую версию, которая включает MTU исходящего интерфейса в ICMP сообщение, мы используем полученное значение; иначе мы попробуем следующий меньший MTU. Как утверждает RFC 1191 [ Mogul and Deering 1990], существует ограниченное количество значений MTU, наша программа имеет таблицу возможных значений и просто перейдет на следующее меньшее значение.

Попробуем подобный алгоритм с хоста sun на хост slip, зная, что SLIP канал имеет MTU равный 296:

>

sun % traceroute.pmtu slip

outgoing MTU = 1500
1 bsdi (140.252.13.35) 15 ms 6 ms 6 ms
2 bsdi (140.252.13.35) 6 ms
fragmentation required and DF set, trying new MTU = 1492
fragmentation required and DF set, trying new MTU = 1006
fragmentation required and DF set, trying new MTU = 576
fragmentation required and DF set, trying new MTU = 552
fragmentation required and DF set, trying new MTU = 544
fragmentation required and DF set, trying new MTU = 512
fragmentation required and DF set, trying new MTU = 508
fragmentation required and DF set, trying new MTU = 296
2 slip (140.252.13.65) 377 ms 377 ms 377 ms

В этом примере маршрутизатор bsdi не вернул MTU исходящего интерфейса в ICMP сообщении, поэтому мы перейдем на следующее меньшее значение MTU. Первая строка вывода для TTL равного 2 сообщает имя хоста bsdi, однако это происходит из-за того, оно было возвращено маршрутизатором в ICMP ошибке. Последняя строка вывода для TTL равного 2 это как раз то, что мы ожидали.

Не составляет труда модифицировать ICMP код на bsdi, чтобы получить MTU исходящего интерфейса. И если мы сделаем это и вернемся к нашей программе, то получим следующий вывод:

>

sun % traceroute.pmtu slip
traceroute to slip (140.252.13.65), 30 hops max
outgoing MTU = 1500
1 bsdi (140.252.13.35) 53 ms 6 ms 6 ms
2 bsdi (140.252.13.35) 6 ms
fragmentation required and DF set, next hop MTU = 296
2 slip (140.252.13.65) 377 ms 378 ms 377 ms

Здесь нам нет смысла перебирать восемь различных значений MTU, маршрутизатор сообщил нужное значение.

Мировой Internet

Модифицированная версия traceroute была запущена несколько раз на различные хосты по всему миру. С ее помощью было достигнуто 15 стран (включая Антарктику), при этом были использованы различные трансатлантические и транстихоокеанские каналы. Однако, до того как сделать это, мы увеличили MTU SLIP канала с дозвоном между нашей подсетью и маршрутизатором netb (рисунок 11.12) до 1500, как в Ethernet.

Из 18 раз, когда была запущена программа, только в двух случаях траспортный MTU был меньше чем 1500. Один трансатлантический канал имел MTU равный 572 (странное значение, которое даже не приведено в списке в RFC 1191), и маршрутизатор не вернул ICMP ошибку в новом формате. Еще один канал между двумя маршрутизаторами в Японии не обрабатывал фреймы размером 1500 байт, также маршрутизатор не вернул ICMP ошибку в новом формате. После того как MTU было уменьшено до 1006, все заработало.

Вывод, который мы можем сделать из этих экспериментов, заключается в том, что большинство (но не все) глобальных сетей в настоящее время могут обрабатывать пакеты больше чем 512 байт. Использование характеристики поиска транспортного MTU позволяет приложениям работать значительно продуктивнее, пользуясь большими MTU.

Определение транспортного MTU при использовании UDP

Давайте рассмотрим взаимодействие между приложением, использующим UDP, и механизмом определения транспортного MTU. Нам необходимо посмотреть, что произойдет в том случае, когда приложение отправляет датаграмму, которая слишком велика для некоторого промежуточного канала.

Так как единственная система, которая поддерживает механизм определения транспортного MTU, это Solaris 2.x, мы используем ее как хост источник, чтобы отправить датаграмму размером 650 байт на slip. Так как хост slip находится позади SLIP канала с MTU равным 296, любая UDP датаграмма больше чем 268 байт (296 - 20 - 8) с установленным битом "не фрагментировать" должна вызвать ICMP ошибку "не могу фрагментировать" с маршрутизатора bsdi. На рисунке 11.13 показана топология и MTU каналов.

Рисунок 11.13 Системы, использованные для определения транспортного MTU с использованием UDP.

Следующая команда генерирует десять UDP датаграмм размером 650 байт с интервалом в 5 секунд:

>solaris % sock -u -i -n10 -w650 -p5 slip discard

На рисунке 11.14 показан вывод команды tcpdump. Когда этот пример был запущен, маршрутизатор bsdi был сконфигурирован таким образом, чтобы не возвращать MTU следующей пересылки как часть ICMP ошибки "не могу фрагментировать".

Первая посланная датаграмма с установленным битом DF (строка 1) генерирует ожидаемую ошибку от маршрутизатора bsdi (строка 2). Что интересно, следующая датаграмма, также посланная с установленным битом DF (строка 3), генерирует ту же самую ICMP ошибку (строка 4). Мы ожидали, что эта датаграмма будет послана с выключенным битом DF.

В строке 5 IP наконец понял, что датаграммы в этот пункт назначения не должны посылаться с установленным битом DF, после чего стал фрагментировать датаграммы на хосте источнике. Это поведение отличается от того, что было показано в ранних примерах, где IP отправлял датаграммы, которые он получал от UDP, и при этом маршрутизаторам с более маленькими MTU (bsdi в данном случае) позволялось осуществлять фрагментацию.

>

1 0.0 solaris.38196 > slip.discard: udp 650 (DF)
2 0.004218 (0.0042) bsdi > solaris: icmp:

3 4.980528 (4.9763) solaris.38196 > slip.discard: udp 650 (DF)
4 4.984503 (0.0040) bsdi > solaris: icmp:
slip unreachable - need to frag, mtu = 0 (DF)

5 9.870407 (4.8859) solaris.38196 > slip.discard: udp 650 (frag 47942:552@0+)
6 9.960056 (0.0896) solaris > slip: (frag 47942:106@552)

7 14.940338 (4.9803) solaris.38196 > slip.discard: udp 650 (DF)
8 14.944466 (0.0041) bsdi > solaris: icmp:
slip unreachable - need to frag, mtu = 0 (DF)

9 19.890015 (4.9455) solaris.38196 > slip.discard: udp 650 (frag 47944:552@0+)
10 19.950463 (0.0604) solaris > slip: (frag 47944:106@552)

11 24.870401 (4.9199) solaris.38196 > slip.discard: udp 650 (frag 47945:552@0+)
12 24.960038 (0.0896) solaris > slip: (frag 47945:106@552)

13 29.880182 (4.9201) solaris.38196 > slip.discard: udp 650 (frag 47946:552@0+)
14 29.940498 (0.0603) solaris > slip: (frag 47946:106@552)

15 34.860607 (4.9201) solaris.38196 > slip.discard: udp 650 (frag 47947:552@0+)
16 34.950051 (0.0894) solaris > slip: (frag 47947:106@552)

17 39.870216 (4.9202) solaris.38196 > slip.discard: udp 650 (frag 47948:552@0+)
18 39.930443 (0.0602) solaris > slip: (frag 47948:106@552)

19 44.940485 (5.0100) solaris.38196 > slip.discard: udp 650 (DF)
20 44.944432 (0.0039) bsdi > solaris: icmp:
slip unreachable - need to frag, mtu = 0 (DF)

Рисунок 11.14 Определение транспортного MTU с использованием UDP.

Так как ICMP сообщение "не могу фрагментировать" не содержит MTU следующей пересылки, это означает, что IP решил что всех устраивает MTU равный 576. Первый фрагмент (строка 5) содержит 544 байта UDP данных, 8 байт UDP заголовка и 20 байт IP заголовка, полный размер IP датаграммы составляет 572 байта. Второй фрагмент (строка 6) содержит оставшиеся 106 байт UDP данных и 20-байтный IP заголовок.

К сожалению, следующая датаграмма, строка 7, имеет установленный бит DF, поэтому она отбрасывается bsdi, после чего возвращается ICMP ошибка. Здесь произошло следующее: истек IP таймер, который сообщил IP о необходимости проверить, не увеличился ли транспортный MTU, путем повторной установки бита DF. Мы увидим, что это произойдет снова в строках 19 и 20. Сравнивая времена в строках 7 и 19, где DF бит устанавливается в единицу, мы видим, что проверка на увеличение транспортного MTU осуществляется каждые 30 секунд.

Этот 30-секундный таймер слишком мал. RFC 1191 рекомендует установить значение таймера в 10 минут. Величину таймера можно изменить с помощью параметра ip_ire_pathmtu_interval (приложение E, раздел ). В Solaris 2.2 не существует способа выключить определение транспортного MTU для одного UDP приложения или для всех UDP приложений. Оно может быть включено или выключено только для всей системы в целом с помощью изменения параметра ip_path_mtu_discovery. Как мы видим из данного примера, включение характеристики определения транспортного MTU, когда UDP приложения отправляют датаграммы, которые, возможно, будут фрагментированы, приведет к тому, что датаграмма может быть отброшена.

Максимальный размер датаграммы, воспринимаемый IP уровнем на solaris (576 байт), неверен. На рисунке 11.13 мы видели, что реальный MTU составляет 296 байт. Это означает, что фрагменты, генерируемые solaris, снова фрагментируются на bsdi. На рисунке 11.15 показан вывод tcpdump, полученный на хосте назначения (slip) для первой прибывшей датаграммы (строки 5 и 6 на рисунке 11.14).

>

1 0.0 solaris.38196 > slip.discard: udp 650 (frag 47942:272@0+)
2 0.304513 (0.3045) solaris > slip: (frag 47942:272@272+)
3 0.334651 (0.0301) solaris > slip: (frag 47942:8@544+)
4 0.466642 (0.1320) solaris > slip: (frag 47942:106@552)

Рисунок 11.15 Первая датаграмма, прибывшая на хост slip от solaris.

В этом примере хост solaris не должен фрагментировать исходящие датаграммы, однако должен выключить бит DF и позволить маршрутизатору с меньшим MTU осуществить фрагментацию.

Сейчас мы запустим тот же самый пример, однако изменим поведение маршрутизатора bsdi так, чтобы тот возвращал MTU следующей пересылки в ICMP сообщении "не могу фрагментировать". На рисунке 11.16 показаны первые шесть строк вывода tcpdump.

>

1 0.0 solaris.37974 > slip.discard: udp 650 (DF)
2 0.004199 (0.0042) bsdi > solaris: icmp:

3 4.950193 (4.9460) solaris.37974 > slip.discard: udp 650 (DF)
4 4.954325 (0.0041) bsdi > solaris: icmp:
slip unreachable - need to frag, mtu = 296 (DF)

5 9.779855 (4.8255) solaris.37974 > slip.discard: udp 650 (frag 35278:272@0+)
6 9.930018 (0.1502) solaris > slip: (frag 35278:272@272+)
7 9.990170 (0.0602) solaris > slip: (frag 35278:114@544)

Рисунок 11.16 Определение транспортного MTU с использованием UDP.

И снова мы видим, что две первые датаграммы отправлены с установленным битом DF, на обе получены ICMP ошибки. Сейчас в ICMP ошибке указывается MTU следующей пересылки, который равен 296.

В строках 5, 6 и 7 мы видим, что хост источник осуществляет фрагментацию, как на рисунке 11.14. Если известен MTU следующей пересылки, генерируются только три фрагмента, по сравнению с четырьмя фрагментами, которые генерируются маршрутизатором bsdi на рисунке 11.15.

Взаимодействие между UDP и ARP

Используя UDP, мы можем рассмотреть очень интересное взаимодействие между UDP и типичной реализацией ARP.

Мы используем программу sock, чтобы сгенерировать одну UDP датаграмму с 8192 байтами данных. Мы ожидаем, что в этом случае будет сгенерировано шесть Ethernet фрагментов (см. главы 11). Также, перед запуском программы, мы убедимся в том, что ARP кэш пуст, поэтому перед тем как будет отправлен первый фрагмент, должен произойти обмен ARP запросом и откликом.

>

bsdi % arp -a проверяем, что ARP кэш пуст
bsdi % sock -u -i -n1 -w8192 svr4 discard

Мы ожидаем, что первая датаграмма вызовет отправку ARP запроса. Следующие пять фрагментов, которые генерируются IP, ставят перед нами два вопроса, на которые мы можем ответить, только воспользовавшись tcpdump: будут ли готовы к отправке оставшиеся фрагменты, перед тем как будет получен ARP отклик, если так, что будет делать ARP с этими несколькими пакетами направляемыми на конкретный пункт назначения, пока ожидается ARP отклик? На рисунке 11.17 показан вывод программы tcpdump.

>

1 0.0 arp who-has svr4 tell bsdi
2 0.001234 (0.0012) arp who-has svr4 tell bsdi
3 0.001941 (0.0007) arp who-has svr4 tell bsdi
4 0.002775 (0.0008) arp who-has svr4 tell bsdi
5 0.003495 (0.0007) arp who-has svr4 tell bsdi
6 0.004319 (0.0008) arp who-has svr4 tell bsdi
7 0.008772 (0.0045) arp reply svr4 is-at 0:0:c0:c2:9b:26
8 0.009911 (0.0011) arp reply svr4 is-at 0:0:c0:c2:9b:26
9 0.011127 (0.0012) bsdi > svr4: (frag 10863:800@7400)
10 0.011255 (0.0001) arp reply svr4 is-at 0:0:c0:c2:9b:26
11 0.012562 (0.0013) arp reply svr4 is-at 0:0:c0:c2:9b:26
12 0.013458 (0.0009) arp reply svr4 is-at 0:0:c0:c2:9b:26
13 0.014526 (0.0011) arp reply svr4 is-at 0:0:c0:c2:9b:26
14 0.015583 (0.0011) arp reply svr4 is-at 0:0:c0:c2:9b:26

Рисунок 11.17 Обмен пакетами при отправке по Ethernet UDP датаграммы размером 8192 байта.

Этот вывод достаточно неожидан. Во-первых, перед тем как получен первый ARP отклик, генерируются шесть ARP запросов. Как можно догадаться, IP быстро генерирует шесть фрагментов, и для каждого отправляется ARP запрос.

Затем, когда получен первый ARP отклик (строка 7), отправляется только последний фрагмент (строка 9)! Это означает, что первые пять фрагментов были отброшены. В действительности, это пример обычного функционирования ARP. Большинство реализаций держат только последний пакет, который должен быть отправлен на хост назначения, пока ожидается ARP отклик.

Требования к хостам Host Requirements RFC требуют от реализаций, чтобы они предотвращали лавинообразную рассылку ARP запросов (повторная отправка ARP запросов для одного и того же IP адреса с большой частотой). Рекомендуемая максимальная частота составляет один раз в секунду. Здесь мы видим шесть ARP запросов в течение 4,3 миллисекунды. Требования к хостам Host Requirements RFC требуют, чтобы ARP сохранил по крайней мере один пакет, и это должен быть самый последний пакет. Это как раз то, что мы видели здесь.

Следующая необъяснимая аномальность заключается в том, что svr4 отправил назад семь ARP откликов, а не шесть.

И последнее, про что хочется сказать, tcpdump работал еще 5 минут после того, как вернулся последний ARP отклик, ожидая увидеть, как svr4 пошлет назад ICMP ошибку "время истекло в течение повторной сборки" (time exceeded during reassembly). ICMP сообщение так и не появилось. (Мы показали формат этого сообщения на . Поле код, установленное в 1, указывает на то, что время истекло в течение повторной сборки датаграммы.)

IP уровень должен запустить таймер, когда появляется первый фрагмент датаграммы. Здесь "первый" означает первый из прибывших фрагментов для данной датаграммы, а не просто первый фрагмент (со смещением фрагмента равным 0). Обычное значение тайм-аута находится в диапазоне от 30 до 60 секунд. Если все фрагменты для этой датаграммы не прибыли за время до истечения таймера, все фрагменты отбрасываются. Если этого не сделать, фрагменты, которые уже никогда не прибудут (как мы видели в этом примере), могут вызвать переполнение приемного буфера.

Существуют две причины, по которым мы не увидели ICMP сообщение. Во-первых, большинство реализаций Berkeley никогда не генерируют эту ошибку! Эти реализации устанавливают таймер и отбрасывают все фрагменты, когда таймер истечет, однако ICMP ошибка не генерируется. Во-вторых, первый фрагмент - фрагмент со смещением равным 0, содержащий UDP заголовок, не был принят. (Это был первый из пяти пакетов, отброшенных ARP.) Реализация не требует генерировать ICMP ошибку, если первый фрагмент не был принят. Причина заключается в том, что приемник ICMP ошибки не может сказать, который пользовательский процесс отправил датаграмму, которая была отброшена, потому что недоступен заголовок транспортного уровня. А высший уровень (либо TCP приложение, либо UDP приложение) отработает тайм-аут и повторит передачу.

В этом разделе мы использовали IP фрагментацию, чтобы посмотреть, как осуществляется взаимодействие между UDP и ARP. Это взаимодействие можно увидеть, если отправитель быстро отправит несколько UDP датаграмм. Мы воспользовались фрагментацией, потому что пакеты быстро генерируются с помощью IP, что значительно быстрее, чем генерация нескольких пакетов пользовательским процессом.

Максимальный размер UDP датаграммы

Теоретически максимальный размер IP датаграммы может составлять 65535 байт, что ограничивается 16-битным полем полной длины в IP заголовке (см. ). При длине IP заголовка равной 20 байтам и длине UDP заголовка равной 8 байтам в UDP датаграмме для пользовательских данных остается максимум 65507 байт. В большинстве реализаций, однако, используются датаграммы значительно меньшего размера.

Обычно играют роль два ограничения. Во-первых, программа приложение может быть ограничена программным интерфейсом. Сокеты API (глава 1, раздел ) предоставляют функцию, которая может быть вызвана приложением, чтобы установить размер буферов ввода и вывода. Для UDP сокета этот размер напрямую связан с максимальным размером UDP датаграммы, которая может быть прочитана и записана UDP. В настоящее время большинство систем предоставляют по умолчанию максимальный размер UDP датаграммы, которая может быть прочитана или записана, равный 8192 байтам. (Эта значение установлено в 8192, потому что именно столько по умолчанию читается и записывается системой NFS.)

Следующее ограничение определяется реализацией ядра TCP/IP. Могут существовать характеристики реализации (или ошибки), которые ограничивают размер UDP датаграммы значением меньшим, чем 65535 байт.

Автор экспериментировал с различными размерами UDP датаграмм, используя программу sock. С использованием loopback интерфейса под SunOS 4.1.3, максимальный размер UDP датаграммы был 32767 байт. Использовать большее значение не удавалось. При передаче по Ethernet от BSD/386 к SunOS 4.1.3, максимальный размер IP датаграммы, которую мог принять Sun, составлял 32786 (при этом пользовательских данных было 32758 байт). С использованием loopback интерфейса в Solaris 2.2 максимальный размер IP датаграммы, которая могла быть отправлена и принята, составлял 65535 байт. При передаче от Solaris 2.2 к AIX 3.2.2 удалось передать IP датаграмму максимального размера в 65535 байт.

Усечение датаграмм

Из того что IP может отправлять и принимать датаграммы определенного размера, не следует, что принимающее приложение готово прочитать датаграммы этого размера. Программный интерфейс UDP позволяет приложениям указывать максимальное количество байт, которые будут обработаны за один раз. Что произойдет, если принятая датаграмма по размеру больше, чем датаграмма, которую готово принять приложение?

К сожалению, ответ зависит от программного интерфейса и реализации.

Традиционные версии Berkeley сокет API обрезают датаграммы, отбрасывая любые непоместившиеся данные. Будет ли приложение поставлено в известность, зависит от версии. ( 4.3 BSD Reno и более поздние версии могут уведомить приложение о том, что датаграмма была обрезана.) API сокеты под SVR4 (включая Solaris 2.x) не обрезают датаграммы. Любые непоместившиеся данные последовательно считываются. Приложение не уведомляется о нескольких циклах считывания и ему будет передана одна UDP датаграмма. TLI API не отбрасывают данные. Вместо этого возвращается флаг, указывающий на то, что данных больше, чем можно считать за один раз, поэтому приложение начинает последовательно считывать оставшуюся датаграмму.

Когда мы будем обсуждать TCP, то увидим, что этот протокол предоставляет последовательные потоки байт, направляемые в приложение, без каких-либо ограничений. TCP передает в приложение данные любого размера, которые требуются для приложения - причем данные на этом интерфейсе никогда не теряются.

ICMP ошибка подавления источника

Воспользовавшись UDP, можно сгенерировать ICMP ошибку "подавление источника" (source quench). Эта ошибка может быть сгенерирована системой (маршрутизатором или хостом), когда она принимает датаграммы быстрее, чем эти датаграммы могут быть обработаны. Обратите внимание на выражение "могут быть". Система не требует послать подавление источника, даже если буферы переполнены и датаграммы отбрасываются.

На рисунке 11.18 показан формат ICMP ошибки подавления источника. Мы имеем идеальную возможность сгенерировать подобную ошибку в нашей тестовой сети. Мы можем посылать датаграммы с bsdi на маршрутизатор sun по Ethernet, причем эти датаграммы должны быть смаршрутизированы через SLIP канал. Так как SLIP канал примерно в тысячу раз медленнее чем Ethernet, мы легко можем переполнить буфер. Следующая команда посылает 100 датаграмм размером 1024 байта с хоста bsdi через маршрутизатор sun на solaris. Мы отправляем датаграммы на стандартный discard сервис, где они будут игнорированы:

>bsdi % sock -u -i -w1024 -n100 solaris discard

Рисунок 11.18 ICMP ошибка подавления источника.

На рисунке 11.19 показан вывод команды tcpdump, соответствующий этой команде.

>

1 0.0 bsdi.1403 > solaris.discard: udp 1024
26 строк не показано
27 0.10 (0.00) bsdi.1403 > solaris.discard: udp 1024
28 0.11 (0.01) sun > bsdi: icmp: source quench

29 0.11 (0.00) bsdi.1403 > solaris.discard: udp 1024
30 0.11 (0.00) sun > bsdi: icmp: source quench
142 строки не показано
173 0.71 (0.06) bsdi.1403 > solaris.discard: udp 1024
174 0.71 (0.00) sun > bsdi: icmp: source quench

Рисунок 11.19 ICMP подавление источника от маршрутизатора sun.

Из этого вывода мы удалили множество строк. Первые 26 датаграмм приняты без ошибок: мы показали вывод только для первой. Начиная с 27-й датаграммы, каждый раз, когда отправляется датаграмма, мы получаем ошибку подавление источника. Всего было 26+(74х2)=174 строк вывода.

Из нашего расчета пропускной способности последовательной линии, приведенного в разделе главы 2, видно, что на передачу датаграммы размером 1024 байта со скоростью 9600 бит/сек потребуется больше одной секунды. (В нашем примере для этого потребуется больше времени, так как датаграмма размером 20+8+1024 байт будет фрагментирована, потому что MTU SLIP канала от sun к netb составляет 552 байта.) Однако, из показателей времени, приведенных на рисунке 11.19, мы видим, что маршрутизатор sun получил все 100 датаграмм за время меньше чем одна секунда, перед тем как первая была отправлена в SLIP канал. При этом понятно, что мы использовали множество его буферов.

Несмотря на то, что RFC 1009 требует, чтобы маршрутизатор генерировал ошибки подавления источника, когда переполняются его буферы, новые требования к маршрутизаторам Router Requirements RFC [ Almquist 1993] меняют это положение и говорят, что маршрутизатор не должен генерировать ошибки подавления источника.

Следующий момент, на который необходимо обратить внимание в примере, заключается в том, что программа sock никогда не получала уведомлений о том, что источник подавлен, или если и получала их, то игнорировала. Это говорит о том, что реализации BSD обычно игнорируют полученные сообщения о подавлении источника в случае использования протокола UDP. (В случае TCP, при получении уведомления передача данных по соединению, для которого сгенерировано подавление источника, замедляется. Мы это обсудим в разделе главы 21.) Проблема заключается в том, что процесс, который сгенерировал данные, которые, в свою очередь, вызвали подавление источника, может уже завершиться, когда будет принято сообщение о подавлении источника. И действительно, если мы используем программу time в Unix, чтобы оценить, как долго работает программа sock, то узнаем, что она проработала всего лишь около 0,5 секунды. Однако на рисунке 11.19 мы видели, что некоторые сообщения о подавлении источника были получены через 0,71 секунды после отправки первой датаграммы, то есть уже после того, как процесс прекратил работу. Что произойдет, если наша программа выдаст 100 датаграмм и завершится. Не все 100 датаграмм будут посланы - некоторые из них будут стоять в выходной очереди.

Этот пример доказывает, что UDP - ненадежный протокол и показывает важность контроля за потоком данных (flow control). Несмотря на то, что программа sock успешно выдала в сеть 100 датаграмм, только 26 достигли пункта назначения. Остальные 74 скорее всего были отброшены промежуточным маршрутизатором. Если приложение не поддерживает какую-либо форму уведомлений, отправитель не знает, принял ли получатель данные.

Сервер UDP

Существует несколько особенностей использования UDP, которые отражаются на разработке и реализации сервера. Разработка и реализация клиентов обычно легче, чем реализация серверов. Именно поэтому здесь мы обсудим разработку сервера, а не разработку клиента. Серверы обычно взаимодействуют с операционной системой, и большинство серверов требуют, чтобы существовал какой-либо способ, позволяющий обработать запросы от нескольких клиентов одновременно.

Обычно когда клиент стартует, он сразу же устанавливает соединение с одним сервером. Сервера, с другой стороны, стартуют и затем "засыпают", ожидая прибытия запроса от клиента. В случае UDP, сервер "просыпается", когда прибывает датаграмма от клиента, эта датаграмма может содержать запрос в какой-либо форме.

Мы не будем рассматривать аспекты программирования клиентов и серверов ( описывает все более подробно), однако рассмотрим характеристики протокола UDP, которые оказывают влияние на разработку и реализацию сервера, использующего UDP. (Мы обсудим подробности TCP сервера в разделе главы 18.) Некоторые характеристики мы обсудим в зависимости от реализаций UDP, которые будут использоваться, а также рассмотрим характеристики, которые являются общими для большинства реализаций.

IP адрес клиента и номер порта

От клиента прибывает UDP датаграмма. IP заголовок содержит IP адреса источника и назначения, а UDP заголовок содержит номера портов UDP источника и назначения. Когда приложение получает UDP датаграмму, операционная система должна сообщить ему, кто послал сообщение - IP адрес источника и номер порта.

Эта характеристика позволяет одному UDP серверу обрабатывать несколько клиентов. Каждый отклик отправляется тому клиенту, который послал запрос.

IP адрес назначения

Некоторым приложениям необходимо знать, кому предназначена датаграмма, то есть IP адрес назначения. Например, требования к хостам Host Requirements RFC определяют, что TFTP сервер должен игнорировать принятые датаграммы, которые рассылаются на широковещательный адрес. (Мы опишем широковещательную адресацию в , а TFTP в .)

Это означает, что операционная система должна передать IP адрес назначения из принятой UDP датаграммы в приложение. К сожалению, не все реализации предоставляют эту возможность.

Сокеты API предоставляют эту возможность с использованием опции IP_RECVDSTADDR. Из систем, которые описываются в тексте, только BSD/386, 4.4BSD и AIX 3.2.2 поддерживают эту опцию. SVR4, SunOS 4.x и Solaris 2.x не поддерживают.

Входная очередь UDP

В разделе главы 1 мы говорили, что большинство UDP серверов могут обслуживать все запросы к клиентам с использованием одного UDP порта (заранее известные порты серверов).

Обычно размер входной очереди, связанный с каждым UDP портом, который используется приложением, ограничен. Это означает, что запросы, которые прибывают в одно и то же время от различных клиентов, автоматически ставятся в очередь UDP. Принятые UDP датаграммы передаются приложению (когда оно требует следующую датаграмму) в том порядке, в каком они были приняты.

Однако существует вероятность, в случае если очередь переполнена, что модуль UDP в ядре отбросит входящие датаграммы. Мы можем пронаблюдать это с помощью следующего эксперимента. Стартуем нашу программу sock на хосте bsdi, запустив таким образом UDP сервер:

>

bsdi % sock -s -u -v -E -R256 -r256 -P30 6666
from 140.252.13.33, to 140.252.13.63: 1111111111 от sun на широковещательный адрес
from 140.252.13.34, to 140.252.13.35: 4444444444444 от svr4 на персональный адрес

Мы использовали следующие флаги: -s, запускает программу в роли сервера, -u для UDP, -v, печатает IP адрес клиента, и -E печатает IP адрес назначения (в данном случае система это позволяет). В дополнение, мы установили приемный буфер UDP для этого порта в 256 байт ( -R), вместе с размером, который может быть прочитан каждым приложением ( -r). Флаг -P30 сообщает о необходимости подождать 30 секунд после очистки UDP порта, перед считыванием первой датаграммы. Это дает нам время стартовать клиентов на двух других хостах, послать некоторые датаграммы и посмотреть, как работает очередь приема.

После того как сервер стартован и прошла 30-секундная пауза, мы стартуем одного клиента на хосте sun и посылаем три датаграммы:

>

sun % sock -u -v 140.252.13.63 6666 на широковещательный адрес Ethernet
connected on 140.252.13.33.1252 to 140.252.13.63.6666
1111111111 11 байт данных (с символом новой строки)
222222222 10 байт данных (с символом новой строки)
33333333333 12 байт данных (с символом новой строки)

Адрес назначения это широковещательный адрес (140.252.13.63). Затем мы стартовали еще одного клиента на хосте svr4 и послали еще три датаграммы:

>

svr4 % sock -u -v bsdi 6666
connected on 0.0.0.0.1042 to 140.252.13.35.6666
4444444444444 14 байт данных (с символом новой строки)
555555555555555 16 байт данных (с символом новой строки)
66666666 9 байт данных (с символом новой строки)

Первое, на что необходимо обратить внимание в интерактивном выводе, показанном ранее на bsdi, что только две датаграммы были приняты приложением: первая от sun, состоящая из всех единиц, и первая от svr4, состоящая из всех четверок. Остальные четыре датаграммы были отброшены.

Вывод команды tcpdump на рисунке 11.20 показывает, что все шесть датаграмм были доставлены к хосту назначения. Датаграммы прибыли от двух клиентов в обратном порядке: первая от sun, затем от svr4 и так далее. Также мы можем заметить, что все шесть были доставлены примерно за 12 секунд, в течение 30-секундного периода пока сервер "спал".

>

1 0.0 sun.1252 > 140.252.13.63.6666: udp 11
2 2.499184 (2.4992) svr4.1042 > bsdi.6666: udp 14
3 4.959166 (2.4600) sun.1252 > 140.252.13.63.6666: udp 10
4 7.607149 (2.6480) svr4.1042 > bsdi.6666: udp 16
5 10.079059 (2.4719) sun.1252 > 140.252.13.63.6666: udp 12
6 12.415943 (2.3369) svr4.1042 > bsdi.6666: udp 9

Рисунок 11.20 Вывод tcpdump для UDP датаграмм, посланных двумя клиентами.

Также необходимо отметить, что c опцией -E сервер может узнать IP адрес назначения каждой датаграммы. Сервер может выбирать, что сделать с первой принятой датаграммой, которая была отправлена на широковещательный адрес.

В этом примере необходимо обратить внимание еще на некоторые особенности. Во-первых, приложение не сообщило, когда была переполнена входная очередь. Лишние датаграммы UDP просто отбросил. Также в выводе tcpdump мы видим, что ничего не было отправлено клиенту обратно, чтобы сообщить ему о том, что датаграммы были отброшены. Не было послано ничего похожего на ICMP сообщение подавления источника, абсолютно ничего. И в заключение, хочется отметить, что входная очередь UDP функционирует по принципу FIFO (первый вошел, первый вышел), тогда как, что мы видели в разделе этой главы, входная очередь ARP - LIFO (последний зашел, первый вышел).

Ограничение локального IP адреса

Большинство UDP серверов используют символы подстановки для своих IP адресов, когда создают конечные точки UDP. Это означает, что входящая UDP датаграмма, направляющаяся на порт сервера, будет принята любым локальным интерфейсом. Например, мы можем стартовать UDP сервер на порте 7777:

>sun % sock -u -s 7777

Затем мы воспользуемся командой netstat, чтобы посмотреть состояние этой конечной точки:

>

sun % netstat -a -n -f inet
Active Internet connections (including servers)
Proto Recv-Q Send-Q Local Address Foreign Address (state)
udp 0 0 *.7777 *.*

В этом выводе мы удалили много строк и оставили только те, которые нам интересны. Флаг -a сообщает о всех конечных точках сети. Флаг -n печатает IP адреса в десятичном представлении, вместо того чтобы использовать DNS и конвертировать адреса в имена, а также печатает номера портов вместо имен сервисов. Опция -f inet сообщает только о точках TCP и UDP.

Локальный адрес напечатан как *.7777, где звездочка означает, что в качестве локального IP адреса может быть подставлен любой адрес.

Когда сервер создает свою конечную точку, он может указать один из локальных IP адресов хоста, включая один из его широковещательных адресов в качестве локального IP адреса конечной точки. При этом входящая UDP датаграмма будет передана на конечную точку только в том случае, если IP адрес назначения совпадет с указанным локальным адресом. С помощью программы sock можно указать IP адрес перед номером порта, и этот IP адрес становится локальным IP адресом для конечной точки. Например,

>sun % sock -u -s 140.252.1.29 7777

из датаграмм, прибывающих на SLIP интерфейс, выбирает датаграммы с адресом 140.252.1.29. Вывод команды netstat будет выглядеть следующим образом:

>

udp 0 0 140.252.1.29.7777 *.*

Если мы постараемся послать на этот сервер датаграмму с хоста bsdi, адрес которого 140.252.13.35, по Ethernet, вернется ICMP ошибка о недоступности порта. Сервер никогда не увидит эту датаграмму. На рисунке 11.21 это показано более подробно.

>

1 0.0 bsdi.1723 > sun.7777: udp 13
2 0.000822 (0.0008) sun > bsdi: icmp: sun udp port 7777 unreachable

Рисунок 11.21 Отказ обработки UDP датаграммы, вызванный несовпадением локального адреса сервера.

Существует возможность запустить другие сервера для этого же порта, каждый с собственным локальным IP адресом. Однако, приложение должно разрешить системе повторно использовать тот же самый номер порта.

Должна быть указана опция сокета в API SO_REUSEADDR. Это делается нашей программой sock с помощью опции -A.

На хосте sun мы можем стартовать пять различных серверов на одном и том же UDP порте (8888):

>

sun % sock -u -s 140.252.1.29 8888 для канала SLIP
sun % sock -u -s -A 140.252.13.33 8888 для Ethernet
sun % sock -u -s -A 127.0.0.1 8888 для loopback интерфейса
sun % sock -u -s -A 140.252.13.63 8888 для широковещательных запросов Ethernet
sun % sock -u -s -A 8888 для всего остального (метасимволы в IP адресе)

Ожидалось, что первый из серверов будет запущен с флагом -A, который сообщает системе о том, что можно повторно использовать тот же самый номер порта. Вывод команды netstat показывает следующие пять серверов:

>

Proto Recv-Q Send-Q Local Address Foreign Address (state)
udp 0 0 *.8888 *.*
udp 0 0 140.252.13.63.8888 *.*
udp 0 0 127.0.0.1 8888 *.*
udp 0 0 140.252.13.33 8888 *.*
udp 0 0 140.252.1.29 8888 *.*

В этом сценарии только датаграммы, направляющиеся на адрес 140.252.1.255, будут попадать на сервер с символами подстановки, используемыми в качестве локального IP адреса, потому что другие четыре сервера охватывают все возможные адреса.

При использовании подстановки IP адресов используется система приоритетов. Конечная точка с указанным IP адресом, который совпадает с IP адресом назначения, всегда будет выбрана раньше, чем адрес с символами подстановки. Конечная точка с символами подстановки используется только в том случае, когда не найдено совпадение с указанным адресом.

Ограничение внешних IP адресов

Во всех выводах команды netstat, которую мы показывали ранее, удаленные IP адреса и удаленные номера портов показаны как *.*. Это означает, что конечная точка воспримет входящие UDP датаграммы с любого IP адреса и любого номера порта. В большинстве реализаций конечным точкам UDP позволяется ограничивать удаленные адреса.

Другими словами, конечная точка может воспринимать только UDP датаграммы от указанного IP адреса и номера порта. Наша программа sock использует опцию -f, чтобы указать удаленный IP адрес и номер порта:

>sun % sock -u -s -f 140.252.13.35.4444 5555

При этом удаленный IP адрес устанавливается в 140.252.13.35 (наш хост bsdi), а удаленный номер порта в 4444. Заранее-известный порт сервера 5555. Если мы запустим netstat, то увидим, что локальный IP адрес также установлен, даже если мы не указывали его непосредственно:

>

Proto Recv-Q Send-Q Local Address Foreign Address (state)
udp 0 0 140.252.13.33.5555 140.252.13.35.4444

Это побочный эффект указания удаленного IP адреса и удаленного номера порта в системах Berkeley: если локальный IP адрес не был выбран при установке удаленного адреса, локальный адрес выбирается автоматически. В качестве локального IP адреса устанавливается IP адрес интерфейса, который выбирается с помощью IP маршрутизации для достижения указанного удаленного IP адреса. И действительно, в этом примере IP адрес sun для Ethernet, который подключен к удаленному адресу, это 140.252.13.33.

На рисунке 11.22 приведены три типа адресов и портов, которые UDP сервер может установить для самого себя.

Рисунок 11.22 Указание локального и удаленного IP адресов и номера порта для UDP сервера.

Во всех случаях lport это заранее-известный порт сервера, а localIP должен быть IP адресом локального интерфейса. Порядок, в котором расположены три строки на рисунке 11.22, показывает тот порядок, в котором UDP модуль старается определить, на которую локальную конечную точку принята входящая датаграмма. Наиболее жесткая связь адреса с портом (первая строка) выбирается в первую очередь, а менее жесткая (последняя строка, где и IP адрес, и номер порта указаны в виде метасимволов) выбирается последней.

Множественный прием на порт

Несмотря на то, что это не описано в RFC, большинство реализаций позволяют только одному приложению в одно и то же время быть связанным с одним локальным адресом и номером UDP порта. Когда UDP датаграмма прибывает на хост назначения на свой IP адрес и номер порта, одна копия доставляется в единственную конечную точку. IP адрес конечной точки может быть представлен в виде символов подстановки, как было показано ранее.

Например, в SunOS 4.1.3 мы стартовали один сервер на порт 9999 с локальным IP адресом в виде символов подстановки:

>sun % sock -u -s 9999

Если затем попробовать стартовать еще один сервер с тем же локальным адресом в виде символов подстановки и с тем же портом, это не сработает, даже если мы укажем опцию -A:

>

sun % sock -u -s 9999 так получиться не должно
can"t bind local address: Address already in use

sun % sock -u -s -A 9999 поэтому мы указали флаг -A
can"t bind local address: Address already in use

Для систем, которые поддерживают групповую адресацию (см. ), все обстоит иначе. Несколько конечных точек могут использовать один и тот же локальный адрес и номер UDP порта, однако приложение должно сообщить API, что это допустимо (флаг -A использует опцию сокета SO_REUSEADDR).

4.4BSD, которая поддерживает групповую адресацию, требует, чтобы приложение установило другую опцию сокета ( SO_REUSEPORT), чтобы позволить нескольким конечным точкам делить один и тот же порт. Более того, каждая конечная точка должна указать эту опцию, включая первую конечную точку, которая использует этот порт.

Когда UDP датаграмма прибывает на свой IP адрес назначения, который является широковещательным или групповым адресом, при этом с этим IP адресом и номером порта связано несколько конечных точек, копия входящей датаграммы направляется каждой конечной точке. (Локальный IP адрес конечной точки может быть указан в виде символов подстановки, при этом он совпадет с любым IP адресом назначения.) Однако, если у прибывшей IP датаграммы IP адрес назначения - персональный адрес, только одна копия датаграммы доставляется в одну конечную точку. Которая конечная точка получит датаграмму с персональным адресом, зависит от реализации.

Краткие выводы

UDP это простой протокол. Официальная спецификация RFC 768 [ Postel 1980] состоит всего лишь из трех страниц. Сервисы, которые он предоставляет пользовательским процессам, находящиеся над и позади IP, это номера портов и необязательные контрольные суммы. Мы использовали UDP, чтобы просмотреть расчет контрольных сумм и посмотреть, как осуществляется фрагментация.

Затем мы рассмотрели ICMP ошибку о недоступности, которая является частью новой характеристики определения транспортного MTU (см. главу 2, раздел ). Мы рассмотрели определение транспортного MTU с использованием Traceroute и UDP. Также рассмотрен процесс взаимодействия UDP и ARP.

Мы убедились, что ICMP ошибка подавления источника может быть послана системой, которая принимает IP датаграммы быстрее, чем может обработать. Существует возможность легко генерировать эти ICMP ошибки с использованием UDP.

Упражнения

1. В разделе этой главы мы вызвали фрагментацию в Ethernet, записав UDP датаграмму с размером пользовательских данных в 1473 байта. Какой наименьший размер пользовательских данных может вызвать фрагментацию в Ethernet, если используется инкапсуляция IEEE 802 (глава 2, раздел )?
2. Прочитайте RFC 791 [ Postel 1981a] и скажите, почему все фрагменты кроме последнего должны иметь длину кратную 8 байтам.
3. Представьте себе Ethernet и UDP датаграмму с 8192 байтами пользовательских данных. Сколько фрагментов будет передано и какова будет длина смещения для каждого фрагмента?
4. Продолжая предыдущий пример, представьте себе, что эти датаграммы затем передаются в SLIP канал с MTU равным 552. Вам необходимо помнить, что количество данных в каждом фрагменте (все кроме IP заголовка) должно быть кратно 8 байтам. Сколько фрагментов передано и каковы смещение и длина каждого фрагмента?
5. Приложение, использующее UDP, посылает датаграмму, которая фрагментирована на 4 части. Представьте себе, что фрагменты 1 и 2 достигли своего пункта назначения, тогда как фрагменты 3 и 4 были потеряны. Приложение отрабатывает тайм-аут, а затем, через 10 секунд, повторяет передачу UDP датаграммы. Эта датаграмма фрагментируется точно так же, как и при первой передаче (то же смещение и та же длина). Теперь представьте, что фрагменты 1 и 2 потеряны, однако фрагменты 3 и 4 достигли своего пункта назначения. Таймер повторной сборки на принимающем хосте установлен в 60 секунд, поэтому когда фрагменты 3 и 4 прибыли на конечный пункт назначения, фрагменты 1 и 2 из первой передачи еще не были отброшены. Может ли получатель собрать IP датаграмму из этих четырех фрагментов?
6. Как Вы можете узнать, что фрагменты на рисунке 11.15 действительно соответствуют строкам 5 и 6 на рисунке 11.14?
), жесткая и свободная маршрутизация от источника (глава 8, раздел ). Как Вы считаете, как при фрагментации обрабатываются эти опции? Сопоставьте Ваш ответ с RFC 791.
7. На мы сказали, что входящие IP датаграммы демультиплексируются на основе номера порта назначения UDP. Правильно ли это?

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.

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

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

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

UDP сообщения инкапсулируются и передаются в IP дейтаграммы.

UDP заголовок

На рисунке показаны поля, присутствующие в UDP заголовке.

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

Рассмотрим структуру заголовка UDP с помощью сетевого анализатора Wireshark:

UDP порты

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

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

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

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

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

Протокол UDP

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

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

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

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

Пакеты

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.

Порты

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

Хорошо известные порты - от 0 до 1023

Регистрируемые порты - от 1024 до 49151

Динамические / частные порты - от 49152 до 65535

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

UDP использует следующие известные порты:

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

IP-адреса

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.

TTL

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.

Всем привет сегодня расскажу чем отличается протокол TCP от UDP. 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.

Что означают TCP и UDP

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.

Напоминаю, что оба протокола работают на транспортном уровне модели OSI или TCP/IP, и понимание того чем они отличаются очень важно.

Разница между протоколами TCP и UDP

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 не избирательности 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.

Давайте рассмотрим основные отличия tcp от udp.

1. TCP гарантирует доставку пакетов данных в неизменных виде, последовательности и без потерь, UDP ничего не гарантирует.
2. TCP нумерует пакеты при передаче, а UDP нет
3. TCP работает в дуплексном режиме, в одном пакете можно отправлять информацию и подтверждать получение предыдущего пакета.
4. TCP требует заранее установленного соединения, UDP соединения не требует, у него это просто поток данных.
5. UDP обеспечивает более высокую скорость передачи данных.
6. TCP надежнее и осуществляет контроль над процессом обмена данными.
7. UDP предпочтительнее для программ, воспроизводящих потоковое видео, видеофонии и телефонии, сетевых игр.
8. UPD не содержит функций восстановления данных

Примерами UDP приложений, например можно привести, передачу DNS зон, в Active Directory, там не требуется надежность. Очень часто такие вопросы любят спрашивать на собеседованиях, так, что очень важно знать tcp и udp отличия.

Заголовки TCP и UDP

Давайте рассмотрим как выглядят заголовки двух транспортных протоколов, так как и тут отличия кардинальные.

Заголовок UDP

• 16 битный порт источника > Указание порта источника для UDP необязательно. Если это поле используется, получатель может отправить ответ этому порту.
• 16 битный порт назначения > Номер порта назначения
• 16 битная длина UDP > Длина сообщения, включая заголовок и данные.
• 16 битная контрольная сумма > Контрольная сумма заголовка и данных для проверки

Заголовок TCP

• 16 битный порт источника > Номер порта источника
• 16 битный порт назначения > Номер порта назначения
• 32 битный последовательный номер > Последовательный номер генерируется источником и используется назначением, чтобы переупорядочить пакеты для создания исходного сообщения и отправить подтверждение источнику.
• 32 битный номер подтверждения > Если установлен бит АСК поля "Управление", в данном поле содержит следующий ожидаемый последовательный номер.
• 4 бита длина заголовка > Информация о начале пакета данных.
• резерв > Резервируются для будущего использования.
• 16 битная контрольная сумма > Контрольная сумма заголовка и данных; по ней определяется, был ли искажен пакет.
• 16 битный указатель срочности > В этом поле целевое устройство получает информацию о срочности данных.
• Параметры > Необязательные значения, которые указываются при необходимости.

Размер окна позволяет экономить трафик, рассмотрим когда его значение равно 1, тут на каждый отправленный ответ, отправитель ждет подтверждения, не совсем рационально.

При размере окна 3, отправитель отправляет уже по 3 кадра, и ждет от 4, который подразумевает, что все три кадра у него есть, +1.

Надеюсь у вас теперь есть представления об отличиях tcp udp протоколов.