Протоколы TCP/IP 4 уровня: TCP и UDP

24 December 2020

Транспортный уровень OSI (уровень 4) определяет несколько функций, наиболее важными из которых являются восстановление после ошибок и управление потоком. Точно так же протоколы транспортного уровня TCP / IP также реализуют те же типы функций. Обратите внимание, что и модель OSI, и модель TCP / IP называют этот уровень транспортным. Но, как обычно, когда речь идет о модели TCP / IP, имя и номер уровня основаны на OSI, поэтому любые протоколы транспортного уровня TCP / IP считаются протоколами уровня 4.

Ключевое различие между TCP и UDP заключается в том, что TCP предоставляет широкий спектр услуг приложениям, а UDP-нет. Например, маршрутизаторы отбрасывают пакеты по многим причинам, включая битовые ошибки, перегрузку и случаи, в которых не известны правильные маршруты. Известно, что большинство протоколов передачи данных замечают ошибки (процесс, называемый error detection), и затем отбрасывают кадры, которые имеют ошибки. TCP обеспечивает повторную передачу (error recovery) и помогает избежать перегрузки (управление потоком), в то время как UDP этого не делает. В результате многие прикладные протоколы предпочитают использовать TCP.

РАЗНИЦА МЕЖДУ TCP И UDP В ОДНОМ ВИДЕО

Однако не думайте, что отсутствие служб у UDP делает UDP хуже TCP. Предоставляя меньше услуг, UDP требует меньше байтов в своем заголовке по сравнению с TCP, что приводит к меньшему количеству байтов служебных данных в сети. Программное обеспечение UDP не замедляет передачу данных в тех случаях, когда TCP может замедляться намеренно. Кроме того, некоторым приложениям, особенно сегодня, к передаче голоса по IP (VoIP) и видео по IP, не требуется восстановление после ошибок, поэтому они используют UDP. Итак, сегодня UDP также занимает важное место в сетях TCP / IP.

В таблице 1 перечислены основные функции, поддерживаемые TCP/UDP. Обратите внимание, что только первый элемент, указанный в таблице, поддерживается UDP, тогда как TCP поддерживаются все элементы в таблице.

Таблица № 1 Функции транспортного уровня TCP/IP

Функции транспортного уровня TCP/IP
Функции транспортного уровня TCP/IP

Далее описываются возможности TCP, а затем приводится краткое сравнение с UDP.

TRANSMISSION CONTROL PROTOCOL

Каждое приложение TCP / IP обычно выбирает использование TCP или UDP в зависимости от требований приложения. Например, TCP обеспечивает восстановление после ошибок, но для этого он потребляет больше полосы пропускания и использует больше циклов обработки. UDP не выполняет исправление ошибок, но требует меньшей пропускной способности и меньшего количества циклов обработки. Независимо от того, какой из этих двух протоколов транспортного уровня TCP / IP приложение выберет для использования, вы должны понимать основы работы каждого из этих протоколов транспортного уровня.

TCP, как определено в Request For Comments (RFC) 793, выполняет функции, перечисленные в таблице 1, через механизмы на конечных компьютерах. TCP полагается на IP для сквозной доставки данных, включая вопросы маршрутизации. Другими словами, TCP выполняет только часть функций, необходимых для доставки данных между приложениями. Кроме того, роль, которую он играет, направлена на предоставление услуг для приложений, установленных на конечных компьютерах. Независимо от того, находятся ли два компьютера в одном Ethernet или разделены всем Интернетом, TCP выполняет свои функции одинаково.

На рисунке 1 показаны поля заголовка TCP. Хотя вам не нужно запоминать названия полей или их расположение, оставшаяся часть этой лекции относится к нескольким полям, поэтому весь заголовок включен сюда для справки.

Поля заголовка TCP
Поля заголовка TCP

Сообщение, созданное TCP, которое начинается с заголовка TCP, за которым следуют данные приложения, называется сегментом TCP. В качестве альтернативы также может использоваться более общий термин PDU уровня 4 или L4PDU.

МУЛЬТИПЛЕКСИРОВАНИЕ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ НОМЕРОВ ПОРТОВ TCP

И TCP, и UDP используют концепцию, называемую мультиплексированием. Поэтому этот подраздел начинается с объяснения мультиплексирования с TCP и UDP. После этого исследуются уникальные возможности TCP.

Мультиплексирование по TCP и UDP включает в себя процесс того, как компьютер думает при получении данных. На компьютере может быть запущено множество приложений, таких как веб-браузер, электронная почта или приложение Internet VoIP (например, Skype). Мультиплексирование TCP и UDP сообщает принимающему компьютеру, какому приложению передать полученные данные.

Определенные примеры помогут сделать очевидной необходимость мультиплексирования. Сеть из примера состоит из двух компьютеров, помеченных как Анна и Гриша. Анна использует написанное ею приложение для рассылки рекламных объявлений, которые появляются на экране Григория. Приложение отправляет Григорию новое объявление каждые 10 секунд. Анна использует второе приложение, чтобы отправить Грише деньги. Наконец, Анна использует веб-браузер для доступа к веб-серверу, который работает на компьютере Григория. Рекламное приложение и приложение для электронного перевода являются воображаемыми, только для этого примера. Веб-приложение работает так же, как и в реальной жизни.

На рисунке 2 показан пример сети, в которой Гриша запускает три приложения:

  • Рекламное приложение на основе UDP
  • Приложение для банковских переводов на основе TCP
  • Приложение веб-сервера TCP
Отправка данных с трех приложений Анной Грише
Отправка данных с трех приложений Анной Грише

Грише необходимо знать, в какое приложение передавать данные, но все три пакета поступают из одного и того же Ethernet и IP-адреса. Вы могли подумать, что Григорий может посмотреть, содержит ли пакет заголовок UDP или TCP, но, как вы видите на рисунке, два приложения (wire transfer и web) используют TCP.

TCP и UDP решают эту проблему, используя поле номера порта в заголовке TCP или UDP соответственно. Каждый из сегментов TCP и UDP Анны использует свой номер порта назначения, чтобы Григорий знал, какому приложению передать данные. На рисунке 3 показан пример.

Мультиплексирование основывается на концепции, называемой сокетом. Сокет состоит из трех частей:

  • IP-адрес
  • Транспортный протокол
  • Номер порта
Анна отправляет пакеты Григорию с трех приложений, использующими номера портов для мультиплексирования
Анна отправляет пакеты Григорию с трех приложений, использующими номера портов для мультиплексирования

Итак, для приложения веб-сервера Григория, сокет будет (10.1.1.2, TCP, порт 80), потому что по умолчанию веб-серверы используют хорошо известный порт 80. Когда веб-браузер Анны подключается к веб-серверу, Анна также использует сокет - возможно, такой: (10.1.1.1, TCP, 49160). Почему 49160? Что ж, Анне просто нужен номер порта, уникальный для Анны, поэтому Анна видит этот порт 49160.

Internet Assigned Numbers Authority (IANA), организация, которая управляет распределением IP-адресов во всем мире, и подразделяет диапазоны номеров портов на три основных диапазона. Первые два диапазона резервируют номера, которые IANA затем может назначить конкретным протоколам приложений через процесс приложения и проверки, а третья категория резервирует порты, которые будут динамически выделяться для клиентов, как в примере с портом 49160 в предыдущем абзаце. Имена и диапазоны номеров портов (более подробно описано в RFC 6335):

  • Хорошо известные (системные) порты: номера от 0 до 1023, присвоенные IANA, с более строгим процессом проверки для назначения новых портов, чем пользовательские порты.
  • Пользовательские (зарегистрированные) порты: номера от 1024 до 49151, присвоенные IANA с менее строгим процессом назначения новых портов по сравнению с хорошо известными портами.
  • Эфемерные (динамические, частные) порты: номера от 49152 до 65535, не назначены и не предназначены для динамического выделения и временного использования для клиентского приложения во время его работы.

На рисунке 4 показан пример, в котором используются три временных порта на пользовательском устройстве слева, а сервер справа использует два хорошо известных порта и один пользовательский порт. Компьютеры используют три приложения одновременно; следовательно, открыто три сокетных соединения. Поскольку сокет на одном компьютере должен быть уникальным, соединение между двумя сокетами должно идентифицировать уникальное соединение между двумя компьютерами. Эта уникальность означает, что вы можете использовать несколько приложений одновременно, разговаривая с приложениями, запущенными на одном или разных компьютерах. Мультиплексирование на основе сокетов гарантирует, что данные будут доставлены в нужные приложения.

Соединения между сокетами
Соединения между сокетами

Номера портов являются важной частью концепции сокетов. Серверы используют хорошо известные порты (или пользовательские порты), тогда как клиенты используют динамические порты. Приложения, которые предоставляют услуги, такие как FTP, Telnet и веб-серверы, открывают сокет, используя известный порт, и прослушивают запросы на подключение. Поскольку эти запросы на подключение от клиентов должны включать номера портов источника и назначения, номера портов, используемые серверами, должны быть известны заранее. Таким образом, каждая служба использует определенный хорошо известный номер порта или номер пользовательского порта. Как общеизвестные, так и пользовательские порты перечислены на www.iana.org/assignments/servicenames-port-numbers/service-names-port-numbers.txt.

На клиентских машинах, откуда исходят запросы, можно выделить любой локально неиспользуемый номер порта. В результате каждый клиент на одном и том же хосте использует другой номер порта, но сервер использует один и тот же номер порта для всех подключений. Например, 100 веб-браузеров на одном и том же хост-компьютере могут подключаться к веб-серверу, но веб-сервер со 100 подключенными к нему клиентами будет иметь только один сокет и, следовательно, только один номер порта (в данном случае порт 80). Сервер может определить, какие пакеты отправлены от какого из 100 клиентов, посмотрев на порт источника полученных сегментов TCP. Сервер может отправлять данные правильному веб-клиенту (браузеру), отправляя данные на тот же номер порта, который указан в качестве порта назначения. Комбинация сокетов источника и назначения позволяет всем участвующим хостам различать источник и назначение данных. Хотя в примере объясняется концепция использования 100 TCP-соединений, та же концепция нумерации портов применяется к сеансам UDP таким же образом.