¶ Введение в протоколы TCP и UDP
Протоколы TCP (Transmission Control Protocol) и UDP (User Datagram Protocol) являются основными транспортными протоколами, используемыми в сети Интернет и других компьютерных сетях. Их основная функция заключается в обеспечении передачи данных между устройствами, подключенными к сети. Эти протоколы работают на транспортных уровнях моделей OSI и TCP/IP, они играют ключевую роль в обеспечении взаимодействия между различными приложениями и сервисами.
¶ Что такое TCP протокол
Протокол TCP — это технология передачи данных, которая является одним из главных транспортных протоколов. Его также называют протоколом сквозной связи. Эта технология была изобретена еще в далеком 1974 году. С тех пор она несколько усовершенствовалась и стала одним из элементов фундамента современного Интернета. Для передачи данных TCP использует — сегменты.
Протокол передает данные с пользовательского устройства на веб-сервера. TCP обеспечивает надежное, ориентированное на соединение соединение, что позволяет гарантировать доставку данных, их целостность и порядок. Он использует механизмы управления потоком и контроль за перегрузками, что делает его идеальным для приложений, требующих максимальной надежности, таких как веб-серфинг, электронная почта и передачи файлов.
¶ Как работает протокол TCP
Чтобы установить надежное соединение, TCP использует процесс, называемый термином “трехстороннее рукопожатие” (TCP three-way/triple handshake). Этот процесс обеспечивает синхронизацию и подготовку обеих сторон к обмену данными. Установленное соединение будет полнодуплексным, то есть оба канала могут передавать информацию одновременно, а также они синхронизируют (SYN) и подтверждают (ACK) друг друга.
Перед тем как рассматривать алгоритм работы TCP, нужно ознакомиться с этапами “трехстороннего рукопожатия”:
- Клиент отправляет сегмент с установленным флагом SYN. При этом сегменту присваивается произвольный порядковый номер (sequence number) в интервале от 1 до 232 (т.н. initial sequence number), относительно которого будет вестись дальнейший отсчет последовательности сегментов в соединении.
- Сервер получает запрос и отправляет ответный сегмент с одновременно установленными флагами SYN+ACK, при этом записывает в поле «номер подтверждения» (acknowledgement number), полученный порядковый номер, увеличенный на 1 (что подтверждает получение первого сегмента), а также устанавливает свой порядковый номер, который, как и в SYN-сегменте, выбирается произвольно.
- После получения клиентом сегмента с флагами SYN+ACK соединение считается установленным, клиент, в свою очередь, отправляет в ответ сегмент с флагом ACK, обновленными номерами последовательности, и не содержащий полезной нагрузки.
- Начинается передача данных.
Алгоритм работы протокола TCP выглядит следующим образом:
1. Установка стабильного соединения:
Процесс описан выше в трехстороннем рукопожатии.
2. Непосредственно передача данных:
- данные разбиваются на сегменты (пакеты), каждый из которых имеет заголовок с информацией о портах, номерах последовательности и других параметрах;
- происходит обмен пакетами между клиентом и сервером;
- принимающая сторона отправляет подтверждение за каждым принятым сегментом.
3. Обнаружение и коррекция ошибок:
- получатель проверяет целостность принятых данных;
- если обнаружено повреждение пакета, он запрашивает повторную его отправку;
- также протокол предусматривает тайм-аут для повторной передачи пакетов, если подтверждение не было получено.
4. Завершение соединения:
- одна из сторон инициирует завершение соединения – отправляет пакет FIN;
- получатель отправляет подтверждение и отправляет свой пакет FIN;
- после получения подтверждения соединение считается завершенным.
В процессе обмена данными протокол TCP гарантирует отправку и получение сегментов в точном порядке. Каждому пакету присваивается номер, который указывает на позицию данных в потоке.
Отдельно стоит отметить использование Window Size — это параметр, который отображает сколько данных готов принять получатель. Отправитель может передавать данные в пределах этого окна, чтобы избежать перегрузки получателя.
¶ Что такое UDP протокол
Протокол UDP — это более быстрая, но менее надежная технология обмена данными. Она применяется там, где важна непрерывность потока. Протокол был разработан не намного позже TCP — в 1980 году. С его помощью возможен обмен пакетами по IP-сети без необходимости предварительной установки стабильных каналов или путей передачи данных. Он работает используя дейтаграммы — блоки информации, передаваемые напрямую, без создания выделенного виртуального канала.
¶ Принцип работы протокола UDP
Эта технология предлагает более простой алгоритм передачи данных. Он состоит всего из 4 базовых этапов:
- Упаковка данных в дейтаграммы — общий объем информации для передачи разбивается на сегменты (дейтаграммы).
- Отправка дейтаграмм — начинается сразу же после их формирования. Отправитель отсылает дейтаграммы на целевой адрес и порт получателя.
- Передача дейтаграмм — данных передаются по сети разными путями, поэтому могут быть доставлены в разное время и в хаотичном порядке.
- Получение пакетов — получатель принимает дейтаграммы и извлекает данные. Он может проверить целостность полученных данных, но не может запросить повторную отправку поврежденных или потерянных сегментов.
Протокол UDP не предусматривает отправку подтверждений. Поэтому часть дейтаграмм точно будет утеряна. Однако и применяется эта технология там, где такие потери несущественны, а главную роль играет скорость передачи. Например, в онлайн-играх, VoIP или сервисах потокового видео. Для защиты такого вида передачи данных используют дополнительные меры. Например, прокси или туннельное соединение между пользователем и серверами компании.
¶ TCP и UDP разница
Разница между UDP и TCP заключается в скорости и надежности передачи данных. На фото ниже видно, что при использовании TCP, после каждой отправки данных (сегмента), получатель обязан отправить сообщение ACK (Acknowledge), чтобы подтвердить целостность пришедших данных и только после этого будет отправлен еще один сегмент c данными.
В этой таблице представлено наглядное сравнение этих протоколов.
| Характеристика | TCP | UDP |
|---|---|---|
| Установка соединения | Устанавливает устойчивое соединение перед передачей данных | Начинает передачу сразу |
| Гарантированная доставка | Обеспечивает гарантированную доставку данных с подтверждением | Не гарантирует доставку и не подтверждает получение данных |
| Контроль ошибок | Использует механизмы для обнаружения и исправления ошибок | Не имеет механизмов |
| Порядок доставки | Строго правильный | Хаотичный |
| Механизм подтверждения | Имеет механизмы подтверждения доставки и повторной передачи | Не имеет данных механизмов |
| Пропускная способность | Ниже | Выше |
| Применение | Часто используется для передачи данных, где ценится надежность | Применяется там, где небольшая задержка критична |
| Примеры протоколов | HTTP, FTP, SMTP | DNS, VoIP |
Нельзя сказать, что один протокол хуже или лучше другого. Для достижения лучшего качества и скорости передачи данных, а соответственно и работы онлайн-сервисов, протоколы используются в тандеме. Например, для передачи мультимедийных файлов, потокового видео и аудио или стриминга лучше использовать технологию UDP. Тут на первый план выходит его малая скорость задержки. В свою очередь протокол TCP применяют там, где важна гарантия и подтверждение доставки пакетов. Например, для осуществления транзакций.