Принцип работы. Применение

UDP (англ. User Datagram Protocol - протокол пользовательских датаграмм) - это транспортный протокол для передачи данных в сетях IP без установления соединения. Он является одним из самых простых протоколов транспортного уровня модели OSI. Его IP-идентификатор - 0x11.

UDP обычно используется в таких приложениях, как потоковое видео и компьютерные игры, где допускается потеря пакетов, а повторный запрос затруднён или не оправдан, либо в приложениях вида запрос-ответ (например, запросы к DNS), где создание соединения занимает больше ресурсов, чем повторная отправка. Фактически функции UDP сводятся к операциям мультиплексирования и демультиплексирования, а также несложной проверке наличия ошибок в данных. Таким образом, при использовании U DP приложение почти напрямую взаимодействует с протоколом сетевого уровня IP.

UDP получает сообщения от прикладного уровня, добавляет к ним поля номеров портов отправителя и получателя для демультиплексирования приемной стороной, а также два других специальных поля и передает полученный сегмент сетевому уровню. Сетевой уровень заключает сегмент в дейтаграмму и «по возможности» передает ее хосту назначения. Если последний успешно получает сегмент, протокол UDP с помощью поля номера порта получателя направляет данные сегмента нужному процессу. Поэтому говорят, что UDP осуществляет передачу данных без установления соединения.

Примером протокола прикладного уровня, использующего службы протокола UDP, является DNS. Когда DNS-приложение генерирует запрос, оно создает DNS-сообщение и передает его протоколу UDP.

Сравнение протоколов UDP от TCP.

Если приложению требуется подтверждение доставки сообщения, оно использует протокол TCP . TCP разбивает сообщение на фрагменты меньшего размера, именуемые сегментами. Эти сегменты последовательно нумеруются и передаются IP-протоколу, который затем осуществляет сборку пакетов. TCP отслеживает количество сегментов, отправленных на тот или иной узел тем или иным приложением. Если отправитель не получает подтверждения в течение определенного периода времени, то TCP рассматривает эти сегменты как потерянные и повторяет их отправку. Повторно отправляется только потерянная часть сообщения, а не все сообщение целиком.

Протокол TCP на принимающем узле отвечает за повторную сборку сегментов сообщений и их передачу соответствующему приложению.

FTP и HTTP – это примеры приложений, в которых для обеспечения доставки данных применяется протокол TCP.

ПротоколUDP выполняет негарантированную доставку данных и не запрашивает подтверждения от получателя. Протокол UDP более предпочтителен для передачи потокового аудио, видео и голосовой связи на основе протокола IP (VoIP). Подтверждение доставки лишь замедлит процесс передачи данных, и при этом повторная доставка нежелательна. Примером использования протокола UDP является интернет-радио.

Протокол ARP. Применение.

ARP (англ. Address Resolution Protocol - протокол определения адреса) - использующийся в компьютерных сетях протокол низкого уровня, предназначенный для определения адреса канального уровня по известному адресу сетевого уровня. Наибольшее распространение этот протокол получил благодаря повсеместности сетей IP, построенных поверх Ethernet, поскольку практически в 100 % случаев при таком сочетании используется ARP. Описание протокола было опубликовано в ноябре 1982 года в RFC 826. ARP был спроектирован для случая передачи IP-пакетов через сегмент Ethernet. При этом общий принцип, предложенный для ARP, может, и был использован и для сетей других типов.

Существуют следующие типы сообщений ARP: запрос ARP (ARP request) и ответ ARP (ARP reply). Система-отправитель при помощи запроса ARP запрашивает физический адрес системы-получателя. Ответ (физический адрес узла-получателя) приходит в виде ответа ARP.

Перед тем как передать пакет сетевого уровня через сегмент Ethernet, сетевой стек проверяет кэш ARP, чтобы выяснить, не зарегистрирована ли в нём уже нужная информация об узле-получателе. Если такой записи в кэше ARP нет, то выполняется широковещательный запрос ARP. Этот запрос для устройств в сети имеет следующий смысл: «Кто-нибудь знает физический адрес устройства, обладающего следующим IP-адресом?» Когда получатель с этим IP-адресом примет этот пакет, то должен будет ответить: «Да, это мой IP-адрес. Мой физический адрес следующий: …» После этого отправитель обновит свой кэш ARP и будет способен передать информацию получателю.

Записи в кэше ARP могут быть статическими и динамическими. Пример, данный выше, описывает динамическую запись кэша. Можно также создавать статические записи в таблице ARP.

ARP изначально был разработан не только для IP протокола, но в настоящее время в основном используется для сопоставления IP- и MAC-адресов.

Принцип работы

Узел, которому нужно выполнить отображение IP-адреса на локальный адрес, формирует ARP запрос, вкладывает его в кадр протокола канального уровня, указывая в нем известный IP-адрес, и рассылает запрос широковещательно.

Все узлы локальной сети получают ARP запрос и сравнивают указанный там IP-адрес с собственным.

В случае их совпадения узел формирует ARP-ответ, в котором указывает свой IP-адрес и свой локальный адрес и отправляет его уже направленно, так как в ARP запросе отправитель указывает свой локальный адрес.

На канальном и сетевом уровне протоколов TCP / IP пакета , которые касаются основного механизма передачи блоков данных между странами и между сетями, являются основами TCP / IP . Они используют стек протоколов, но они не используются непосредственно в приложениях, которые работают по протоколу TCP / IP . В этой статье мы рассмотрим два протокола, которые используются приложениями: User Datagram Protocol (UDP) и Transmission Control Protocol (TCP).

Протокол дейтаграммы пользователя
User Datagram Protocol очень простой протокол. Как и IP , это надежный протокол без соединений. Вам не нужно устанавливать соединение с хостом для обмена данными с ним, используя UDP , и не существует механизма для обеспечения передаваемых данных.
Блок данных, передаваемых с помощью UDP называется датаграммой. UDP добавляет четыре 16-битных поля заголовка (8 байт) к передаваемым данным. Эти поля: длина поля, поле контрольной суммы, а также источник и номер порта назначения. «Порт», в этом контексте, представляет собой программное обеспечение порта, а не аппаратный порт.
Концепция номера порта является общей для обоих UDP и TCP . Номера портов определяют, какой модуль протокола направляет (или получает) данные. Большинство протоколов имеют стандартные порты, которые обычно используются для этого. Например, протокол Telnet обычно использует порт 23. Simple Mail Transfer Protocol (SMTP), использует порт 25. Использование стандартных номеров портов позволяет клиентам взаимодействовать с сервером без предварительной установки, какой порт использовать.
Номер порта и протокола в поле в заголовка IP дублируют друг друга в какой-то степени, хотя поля протокола не доступны для протоколов более высокого уровня. IP использует поле протокола, чтобы определить, куда должны быть переданы данные на UDP или TCP модули. UDP или TCP используют номер порта, чтобы определить, какой протокол прикладного уровня, должен получать данные.
Несмотря на то, UDP не является надежным, он все еще подходящий выбор для многих приложений. Он используется приложениями в реальном времени, такими как потоковое аудио и видео, где, если данные будут потеряны, то лучше обойтись без него, чем отправить его снова по порядку. Он также используется протоколами, такими как Simple Network Management Protocol (SNMP).
Трансляция
UDP подходит для информационного вещания, поскольку он не требует подключения к открытой связи.Цели широковещательного сообщения определяются отправителем, на указанный в IP-адрес назначения. UDP датаграммы с адресом назначения IP все бинарные 255.255.255.255) и будет получен каждый хост в локальной сети. Обратите внимание на слово местные: дейтаграммы с таким адресом не будут приняты маршрутизатором к Интернету.
Передачи могут быть направлены на конкретные сети. UDP датаграммы с хоста и подсети части IP-адреса, установленные как бинарные транслируются на все узлы на всех подсетях сети, которая соответствует чистой части IP-адреса. Если только принимающая сторона (другими словами, все биты, которые равны нулю в маске подсети) устанавливается в бинарные, то вещание ограничено для всех хостов в подсети, который соответствует остальной части адреса.
Многоадресная рассылка используются для передачи данных в группе хостов, которые выразили желание их получать. Многоадресная UDP датаграмма имеет адрес назначения, в котором первые четыре бита 1110, предоставлены адреса в диапазоне 224.xxx в 239.xxx Остальные биты адреса используются для обозначения группы многоадресной рассылки. Это, скорее, как радио-или телеканал. Так, например, 224.0.1.1 используется для протокола NTP. Если TCP / IP приложения хотят получить многоадресное сообщение, они должны присоединиться к соответствующей группе многоадресной рассылки, что он и делает, передавая адрес группы в стек протоколов.
Широкое вещание, по сути, фильтруют передачу. Multicaster не рассматривает индивидуальные сообщения для каждого хоста, который присоединяется к группе. Вместо этого, сообщения в эфир, и драйвера на каждом хосте решают, следует ли игнорировать их или передать содержимое стеку протоколов.
Это означает, что многоадресные сообщения должны транслироваться по всему Интернету, так как multicaster не знает, какие хосты хотят получать сообщения. К счастью, это не является необходимым. IP использует протокол под названием Internet Group Management Protocol (IGMP), чтобы сообщить маршрутизаторам, какие хосты хотят получать сообщения многоадресной группы, так что сообщения отправляются только туда, где они необходимы.
Протокол управления передачей
Transmission Control Protocol является протоколом транспортного уровня и используется большинством интернет-приложений, такими как Telnet, FTP и HTTP. Это протокол с установлением соединения. Это означает, что два компьютера - один клиент, другой сервер и между ними необходимо установить соединение до того, как данные могут передаваться между ними.
TCP обеспечивает надежность. Приложение, которое использует TCP знает, что он отправляет данные полученные на другом конце, и что он получил их правильно. TCP использует контрольные суммы, как на заголовках,так и на данных. При получении данных, TCP посылает подтверждение обратно к отправителю. Если отправитель не получает подтверждения в течение определенного периода времени, данные отправляются повторно.
TCP включает в себя механизмы обеспечения данных, которые поступают в обратной последовательности, в порядке как они были отправлены. Он также реализует управление потоком, так что отправитель не может подавить приемник данных.
TCP передает данные, используя IP, в блоках, которые называются сегментами. Длина отрезка определяется протоколом. В дополнение к IP-заголовку, каждый сегмент состоит из 20 байт заголовка. Заголовок TCP начинается с 16-битного источника и поля назначения номера порта. Как и UDP , эти поля определяют уровень приложения, которые направлены и на получение данных. IP-адрес и номер порта, вместе взятые однозначно идентифицируют службы, работающие на хозяина, и пары известной как гнездо.
Далее в заголовке идет 32-битный порядковый номер. Это число определяет позицию в потоке данных, что должен занимать первый байт данных в сегменте. Порядковый номер TCP позволяет поддерживать поток данных в правильном порядке, хотя сегменты могут быть получены из последовательности.
Следующее поле представляет собой 32-битное поле, которое используется для передачи обратно отправителю, что данные были получены правильно. Если ACK флаг, которым он обычно и бывает, то это поле содержит положение следующего байта данных, что отправитель сегмента ожидает получить.
В TCP нет необходимости для каждого сегмента данных, которые будут признаны. Значение в поле подтверждения интерпретируется как «все данные до сих пор получены ОК». Это экономит полосу пропускания, когда все данные направляются в одну сторону, уменьшая потребность в признании сегментов. Если данные одновременно отправляються в обоих направлениях, как в полной дуплексной связи, то марки не связаны с расходами,так как сегмент передачи данных в одну сторону может содержать подтверждение для данных, передаваемых по-другому.
Далее в заголовке представляется 16-битное поле, содержащее длину заголовка и флаги. TCP заголовки могут содержать дополнительные поля, так что длина может варьироваться от 20 до 60 байт. Флаги: URG, ACK (который мы уже упоминали), PSH, RST, SYN и FIN. Позже,мы рассмотрим некоторые другие флаги.
Заголовок содержит поле, называемое размером окна, что дает количество байт, которые приемник может принять. Также существует 16-битная контрольная сумма, охватывающая как заголовок,так и данные. Наконец (до дополнительных данных) есть поле называемое «указатель срочности». Когда флаг URG установлен, это значение интерпретируется как смещение порядкового номера. Он определяет начало данных в потоке, которые должны быть обработаны в срочном порядке. Эти данные часто называют данными «вне группы». Пример её использования, когда пользователь нажимает клавишу перерыв, чтобы прервать выход из программы во время Telnet сессии.

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.

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 неизбирательности 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.

TheDifference.ru определил, что отличие TCP от UDP заключается в следующем:

TCP гарантирует доставку пакетов данных в неизменных виде, последовательности и без потерь, UDP ничего не гарантирует.
TCP требует заранее установленного соединения, UDP соединения не требует.
UDP обеспечивает более высокую скорость передачи данных.
TCP надежнее и осуществляет контроль над процессом обмена данными.
UDP предпочтительнее для программ, воспроизводящих потоковое видео, видеофонии и телефонии, сетевых игр.

UDP использует простую модель передачи, без неявных "рукопожатий" для обеспечения надежности, упорядочивания или целостности данных. Таким образом, UDP предоставляет ненадежный сервис, и датаграммы могут прийти не по порядку, дублироваться или вовсе исчезнуть без следа. UDP подразумевает, что проверка ошибок и исправление либо не необходимы, либо должны исполняться в приложении. Чувствительные ко времени приложения часто используют UDP, так как предпочтительнее сбросить пакеты, чем ждать задержавшиеся пакеты, что может оказаться невозможным в системах реального времени . При необходимости исправления ошибок на сетевом уровне интерфейса приложение может задействовать TCP или SCTP , разработанные для этой цели.

Природа UDP как протокола без сохранения состояния также полезна для серверов, отвечающих на небольшие запросы от огромного числа клиентов, например DNS и потоковые мультимедийные приложения вроде IPTV , Voice over IP , протоколы туннелирования IP и многие онлайн-игры .

Служебные порты

UDP не предоставляет никаких гарантий доставки сообщения для протокола верхнего уровня и не сохраняет состояния отправленных сообщений. По этой причине UDP иногда называют Unreliable Datagram Protocol (англ. - Ненадежный протокол датаграмм).

Перед расчетом контрольной суммы UDP-сообщение дополняется в конце нулевыми битами до длины, кратной 16 битам (псевдозаголовок и добавочные нулевые биты не отправляются вместе с сообщением). Поле контрольной суммы в UDP-заголовке во время расчета контрольной суммы отправляемого сообщения принимается нулевым.

Для расчета контрольной суммы псевдозаголовок и UDP-сообщение разбивается на слова (1 слово = 2 байта (октета) = 16 бит). Затем рассчитывается поразрядное дополнение до единицы суммы всех слов с поразрядным дополнением. Результат записывается в соответствующее поле в UDP-заголовке.

Нулевое значение контрольной суммы зарезервировано, и означает что датаграмма не имеет контрольной суммы. В случае, если вычисленная контрольная сумма получилась равной нулю, поле заполняют двоичнымим единицами.

При получении сообщения получатель считает контрольную сумму заново (уже учитывая поле контрольной суммы), и, если в результате получится двоичное число из шестнадцати единиц (то есть 0xffff), то контрольная сумма считается сошедшейся. Если сумма не сходится (данные были повреждены при передаче), датаграмма уничтожается.

Пример расчёта контрольной суммы

Для примера рассчитаем контрольную сумму нескольких 16-битных слов: 0x398a, 0xf802, 0x14b2, 0xc281 . Находим их сумму с поразрядным дополнением.
0x398a + 0xf802 = 0x1318c → 0x318d
0x318d + 0x14b2 = 0x0463f → 0x463f
0x463f + 0xc281 = 0x108c0 → 0x08c1
Теперь находим поразрядное дополнение до единицы полученного результата:

0x08c1 = 0000 1000 1100 0001 → 1111 0111 0011 1110 = 0xf73e или, иначе - 0xffff − 0x08c1 = 0xf73e . Это и есть искомая контрольная сумма.

При вычислении контрольной суммы опять используется псевдозаголовок, имитирующий реальный IPv6-заголовок:

Адрес источника такой же, как и в IPv6-заголовке. Адрес получателя - финальный получатель; если в IPv6-пакете не содержится заголовка маршрутизации (Routing), то это будет адрес получателя из IPv6-заголовка, в противном случае, на начальном узле, это будет адрес последнего элемента заголовка маршрутизации, а на узле-получателе - адрес получателя из IPv6-заголовка. Значение "Следующий заголовок" равно значению протокола - 17 для UDP. Длина UDP - длина UDP-заголовка и данных.

Надежность и решения проблемы перегрузок

Из-за недостатка надежности, приложения UDP должны быть готовыми к некоторым потерям, ошибкам и дублированиям. Некоторые из них (например, TFTP) могут при необходимости добавить элементарные механизмы обеспечения надежности на прикладном уровне.

Но чаще такие механизмы не используются UDP-приложениями и даже мешают им. Потоковые медиа , многопользовательские игры в реальном времени и VoIP - примеры приложений, часто использующих протокол UDP. В этих конкретных приложениях потеря пакетов обычно не является большой проблемой. Если приложению необходим высокий уровень надежности, то можно использовать другой протокол (TCP) или erasure codes.

Более серьезной потенциальной проблемой является то, что в отличие от TCP, основанные на UDP приложения не обязательно имеют хорошие механизмы контроля и избежания перегрузок. Чувствительные к перегрузкам UDP-приложения, которые потребляют значительную часть доступной пропускной способности, могут поставить под угрозу стабильность в Интернете.

Сетевые механизмы были предназначены для того, чтобы свести к минимуму возможные эффекты от перегрузок при неконтролируемых, высокоскоростных нагрузках. Такие сетевые элементы, как маршрутизаторы, использующие пакетные очереди и техники сброса, часто являются единственным доступным инструментом для замедления избыточного UDP-трафика. DCCP (англ. Datagram Congestion Control Protocol - протокол контроля за перегрузками датаграмм) разработан как частичное решение этой потенциальной проблемы с помощью добавления конечному хосту механизмов для отслеживания перегрузок для высокоскоростных UDP-потоков вроде потоковых медиа.

Приложения

Многочисленные ключевые Интернет-приложения используют UDP, в их числе - DNS (где запросы должны быть быстрыми и состоять только из одного запроса, за которым следует один пакет ответа), Простой Протокол Управления Сетями (SNMP), Протокол Маршрутной Информации (RIP), Протокол Динамической Конфигурации Узла (DHCP).

Голосовой и видеотрафик обычно передается с помощью UDP. Протоколы потокового видео в реальном времени и аудио разработаны для обработки случайных потерь пакетов так, что качество лишь незначительно уменьшается вместо больших задержек при повторной передаче потерянных пакетов. Поскольку и TCP, и UDP работают с одной и той же сетью, многие компании замечают, что недавнее увеличение UDP-трафика из-за этих приложений реального времени мешает производительности TCP-приложений вроде систем баз данных или бухгалтерского учета . Так как и бизнес-приложения, и приложения в реальном времени важны для компаний, развитие качества решений проблемы некоторыми рассматривается в качестве важнейшего приоритета.

Сравнение UDP и TCP

TCP - ориентированный на соединение протокол, что означает необходимость "рукопожатия" для установки соединения между двумя хостами. Как только соединение установлено, пользователи могут отправлять данные в обоих направлениях.

• Надежность - TCP управляет подтверждением, повторной передачей и тайм-аутом сообщений. Производятся многочисленные попытки доставить сообщение. Если оно потеряется на пути, сервер вновь запросит потерянную часть. В TCP нет ни пропавших данных, ни (в случае многочисленных тайм-аутов) разорванных соединений.

• Упорядоченность - если два сообщения последовательно отправлены, первое сообщение достигнет приложения-получателя первым. Если участки данных прибывают в неверном порядке, TCP отправляет неупорядоченные данные в буфер до тех пор, пока все данные не могут быть упорядочены и переданы приложению.

• Тяжеловесность - TCP необходимо три пакета для установки сокет-соединения перед тем, как отправить данные. TCP следит за надежностью и перегрузками.

• Потоковость - данные читаются как поток байтов , не передается никаких особых обозначений для границ сообщения или сегментов.

UDP - более простой, основанный на сообщениях протокол без установления соединения. Протоколы такого типа не устанавливают выделенного соединения между двумя хостами. Связь достигается путем передачи информации в одном направлении от источника к получателю без проверки готовности или состояния получателя. Однако, основным преимуществом UDP над TCP являются приложения для голосовой связи через интернет-протокол (Voice over IP, VoIP), в котором любое "рукопожатие" помешало бы хорошей голосовой связи. В VoIP считается, что конечные пользователи в реальном времени предоставят любое необходимое подтверждение о получении сообщения.

• Ненадежный - когда сообщение посылается, неизвестно достигнет ли оно своего назначения - оно может потеряться по пути. Нет таких понятий, как подтверждение, повторная передача, тайм-аут.

• Неупорядоченность - если два сообщения отправлены одному получателю, то порядок их достижения цели не может быть предугадан.

• Легковесность - никакого упорядочивания сообщений, никакого отслеживания соединений и т.д. Это небольшой транспортный уровень, разработанный на IP.

• Датаграммы - пакеты посылаются по отдельности и проверяются на целостность только если они прибыли. Пакеты имеют определенные границы, которые соблюдаются после получения, то есть операция чтения на сокете-получателе выдаст сообщение таким, каким оно было изначально послано.

• Нет контроля перегрузок - UDP сам по себе не избегает перегрузок. Для приложений с большой пропускной способностью возможно вызвать коллапс перегрузок, если только они не реализуют меры контроля на прикладном уровне.

Ссылки на RFC

• RFC 768 – Протокол Пользовательских Датаграмм
• RFC 2460 – Интернет протокол, спецификация версии 6 (IPv6)
• RFC 2675 - IPv6 Jumbograms
• RFC 4113 – Management Information Base for the UDP
• RFC 5405 – Unicast UDP Usage Guidelines for Application Designers

См. также

Ссылки

• Kurose, J. F.; Ross, K. W. (2010). Computer Networking: A Top-Down Approach (5th ed.). Boston, MA: Pearson Education. ISBN 978-0-13-136548-3 .
• Forouzan, B.A. (2000). TCP/IP: Protocol Suite, 1st ed. New Delhi, India: Tata McGraw-Hill Publishing Company Limited.
• [email protected]. "UDP Protocol Overview". Ipv6.com. Retrieved 17 August 2011.
• Clark, M.P. (2003). Data Networks IP and the Internet, 1st ed. West Sussex, England: John Wiley & Sons Ltd.
• Postel, J. (August 1980). RFC 768 : User Datagram Protocol. Internet Engineering Task Force. Retrieved from http://tools.ietf.org/html/rfc768
• Deering S. & Hinden R. (December 1998). RFC 2460 : Internet Protocol, Version 6 (IPv6) Specification. Internet Engineering Task Force. Retrieved from http://tools.ietf.org/html/rfc2460
• "The impact of UDP on Data Applications". Networkperformancedaily.com. Retrieved 17 August 2011.
• Д. Комер. Межсетевой обмен с помощью TCP/IP. Глава 11. Протокол UDP.

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

• 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

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

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

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

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