Компьютерные сети в своей работе используют разнообразные протоколы на тех или иных уровнях обработки данных. Самыми популярными и одними из наиболее важных являются TCP и UDP. Они располагаются на транспортном уровне модели взаимодействия открытых систем, а также стека протоколов TCP/IP.
Далее предстоит изучить соответствующие компоненты более подробно, обращая внимание на их особенности функционирования. Связано это с тем, что TCP и UDP по принципам работы и ключевым задачам очень похожи между собой. Необходимо не только научиться видеть разницу между этими элементами, но и изучить плюсы и минусы каждого. А еще – разобраться в особенностях функционирования компьютерных сетей. Соответствующая информация пригодится как IT-специалистам, так и обычным ПК-пользователям.
Основы работы сетей
Компьютерная сеть представляет собой единый комплекс, в котором ПК и ноутбуки, серверы и иная техника будет взаимодействовать друг с другом за счет специальных каналов связи. Назначение такого «объединения» заключается в том, чтобы упростить и облегчить IT-процессы, ускорить работу клиентов внутри сети, а также сделать более удобным обмен данными. Каждый пользователь получит доступ к аппаратному и программному обеспечению, а также информационным ресурсам на оборудовании в сети.
Компьютерные сети могут быть организованы несколькими способами. В зависимости от этого будут меняться ключевые характеристики выстроенной «связи»:
- Линия. Все абоненты будут располагаться на одной линии. При ее повреждении вся цепочка перестает работать. То же самое касается выключения одного из компьютеров. Соответствующая модель почти не используется.
- Шина. В этом подходе используется единый кабель. К нему при помощи специальных соединительных элементов подключаются устройства в сети. Если один из компьютеров ломается или выключается, соединение сохраняется. Также стоит помнить, что чем больше рабочих станций находится на шине, тем сильнее снижается скорость работы сети и обмена данными.
- Многосвязная. Преимуществом этой модели является высокая скорость обмена данными. При поломке одного устройства в сети другие участники процесса смогут беспрепятственно пользоваться соединением. Многосвязная модель подключения дорогая. Из-за этого она используется редко и лишь там, где необходима повышенная надежность функционирования.
- Звезда. Такой подход позволяет избавиться от огромного количества кабелей и дополнительных средств. Все абоненты могут быть удалены от хаба (концентратора) не более, чем на 100 метров. Если хаб выходит из строя, вся сеть перестает работать. При выключении или повреждении одного компьютера в сети или отдельного канала связи система продолжит нормальное функционирование.
В зависимости от выбранной модели подключения будет менять скорость передачи данных. Каждый специалист, работающий с сетями, должен познакомиться не только со способами их организации, но и с OSI-моделями, а также разобраться с TCP и UDP.
Модель OSI
OSI расшифровывается как Open Systems Interconnection. Модель представляет собой базовую иерархическую модель взаимодействия открытых систем. Она описывает структуру передачи данных от одного приложения к другому. Это стандартный метод организации разнообразных аспектов коммуникаций в рамках обмена данными в пределах имеющейся сети. За счет OSI они смогут исправно функционировать.
Соответствующая модель появилась в 1984 году. Она разбивает все сетевое взаимодействие на 7 уровней. Каждый из них будет выполнять определенные функции и иметь значение для коммуникаций.
OSI представляет собой структуры и общий язык, необходимый для понимания работы компьютерных сетей и компьютерного взаимодействия в них. С помощью этой модели получится разработать и внедрить новые совместимые сетевые решения.
Уровни OSI
Чтобы разобраться с протоколами TCP и UDP, сначала необходимо изучить OSI и ее уровни. Всего модель предусматривает 7 «ступеней». На каждой из них осуществляются определенные операции с данными:
- Физический. Сюда можно отнести физические аспекты, связанные с передачей данных. А именно – среду передачи, электрические сигналы, кабели и так далее.
- Канальный. Предусматривает надежную передачу данных и их прием между сетевым оборудованием в локальной сети (LAN). Этот уровень отвечает за контроль доступа к сетевым ресурсам и разграничивает его по заданным заранее принципам (правилам).
- Сетевой. Здесь осуществляется маршрутизация данных, а также поиск оптимального пути доставки информации до получателя.
- Транспортный. Именно здесь поддерживается протокол TCP. Он отвечает за точность данных, передаваемых в рамках имеющейся сети. Обеспечивает управление информационными потоками и отслеживает ошибки.
- Сеансовый. Отвечает за контроль за сеансами связи. Обеспечивает начало, поддержку и завершение подключений.
- Представительский. Этот уровень шифрует, сжимает и преобразовывает данные. За счет соответствующих манипуляций удается обеспечивать информационную точность и читаемость для устройств на другой стороне сети.
- Прикладной. Он предоставляет пользовательский интерфейс, необходимый для взаимодействия с сетевыми элементами. Включает в себя специальные протоколы и сервисы: HTTP, FTP, SMTP и так далее.
Далее более подробно будет рассмотрен транспортный уровень, а также протоколы TCP и UDP. Каждый IT-специалист должен понимать разницу между ними. Это поможет выбрать оптимальный вариант передачи данных.
Ключевые понятия и определения
Перед более углубленным изучением транспортных протоколов TCP и UDP требуется обратить внимание на несколько базовых ключевых определений. Они пригодятся не только IT-специалистам, но и обычным ПК-пользователям для лучшего понимания сетей и их компонентов:
- Протокол – правила в Интернете. С их помощью устройства с различными операционными системами и приложениями смогут наладить обмен данными. Для пересылки информации чаще всего используются клиент-серверные модели. В них клиент отправит запрос, а сервер примет его и вернет тот или иной ответ.
- Сервер – приложение или мощное компьютерное устройство (хост-система).
- Клиент – любое устройство для работы с сайтом или веб-сервисом.
- Веб-приложение – клиент-серверная программа. В ней в качестве клиента выступает браузер.
Теперь можно более подробно изучить подключения TCP и транспортный уровень работы сети.
Транспортный уровень – задачи и функционирование
Транспортный протокол используется для передачи данных. Одноименный уровень позволяет организовать соответствующий процесс. Он отвечает не просто за передачу данных, но и за надежность, точность и эффективность этой операции.
Ключевые функции транспортного уровня:
- Сегментация и сбор данных. Транспортный уровень разбивает поток данных от верхних «слоев» в OSI-модели на небольшие сегменты (пакеты) для дальнейшей передачи. Такой подход дает возможность максимально эффективно использовать сетевые ресурсы, а также обеспечивает возможность передачи больших информационных объемов.
- Потоковое управление. Контроль скорости передачи данных и управление потоками требуется для того, чтобы избежать перегрузок и потери информации. Все это имеет особую значимость для передачи данных через сети с разной пропускной способностью.
- Установка, управление, завершение соединений. Транспортный уровень поддерживает и завершает соединения между устройствами внутри сетей. Пример протокола, выполняющего эту функцию – Transmission Control Protocol (TCP).
- Мультиплексирование и демультиплексирование. Рассматриваемый уровень позволяет одновременно передавать информацию для разных приложений (мультиплексирование), а также их правильную доставку и разделение на стороне получателя (демультиплексирование). Такой результат достигается при помощи сеансов и портов.
- Обнаружение ошибок и восстановление информационной передачи. Транспортный уровень способен выявлять и восстанавливать потерянные, а также поврежденные пакеты информации. Это необходимо для того чтобы обеспечить их надежную и полноценную доставку до получателя.
Транспортный уровень имеет значение для обеспечения надежности и эффективности коммуникации между устройствами и приложениями в рамках сформированной сети. Он работает с двумя протоколами – UDP и TCP. Эти компоненты будут более подробно изучены далее.
UDP – это…
UDP (User Datagram Protocol или «протокол пользовательских датаграмм») – один из немногих ключевых компонентов сетевых протоколов для Интернета. С помощью этого элемента приложения смогут посылать сообщения (датаграммы) другим хостам по IP-сетям без предварительного сообщения для установки специальных каналов передачи или информационных путей. Этот протокол появился благодаря трудам Дэвида Рида в 1980 году.
UDP пользуется простой моделью передачи. Датаграммы тут могут прийти не по порядку, продублироваться или вовсе исчезнуть. Этот протокол подразумевает, что проверка ошибок и их дальнейшее исправление или не требуется, или должны выполняться в программном обеспечении.
UDP может быть полезен для серверов, отвечающих за мелкие запросы от большого количества клиентов. примеры:
- DNS;
- потоковые мультимедийные приложения;
- протоколы туннелирования IP;
- онлайн-игры.
UDP работает быстро, но не слишком надежно. Гарантии доставки информации до получателя тут отсутствуют. То же самое касается контроля потока.
Принцип работы
UDP-технологии подразумевают простейший алгоритм передачи информации. Он включает в себя всего 4 базовых этапа:
- Упаковка информации в датаграммы. На этом этапе общий объем данных для дальнейшей передачи будет разбиваться на пакеты (сегменты).
- Отправка датаграмм. Этап начинается сразу после их формирования. Отправитель отсылает получившиеся пакеты на целевой адрес, а также порт получателя.
- Передача пакетов. Информация передается по сети разнообразными путями. Это приводит к тому, что «фрагменты» могут быть доставлены в хаотичном порядке, а также в разное время.
- Получение пакетов. Клиент (получатель) будет принимать датаграммы и извлекать из них информацию. Он способен организовать проверку целостности полученной информации, но не может запросить повторную отправку поврежденных или потерянных пакетов (сегментов).
У UDP отсутствует отправка повреждений. Из-за этого часть пакетов точно будет утеряна. Соответствующая технология часто используется там, где подобные утраты являются несущественными, а на первое место выходит скорость передачи. Пример – онлайн-игры или сервисы потокового видео.
Чтобы защитить соответствующий тип информационной передачи обычно используются дополнительные меры. К ним относят прокси и туннельное соединение между пользователями, а также серверами организации.
TCP – это…
Протокол TCP – один из основных протоколов обмена информацией в Интернете. Он предназначается для управления передачей данных. Пакеты в TCP носят название сегментов. В стеке TCP/IP выполняет функции транспортного уровня OSI-модели.
Механизм TCP предоставляет информационный поток с предварительной установкой соединения, а также производит повторный запрос при потере данных. TCP умеет устранять дублирование при получении двух копий одного пакета. Такая концепция гарантирует целостность передаваемой информации, а также уведомление пользователя о результатах выполненной операции.
Реализации протокола управления передачей чаще всего встроены в ядра операционных систем. Существуют также TCP, функционирующие в пользовательском пространстве. При передаче данных от компьютера к компьютеру через Интернет, рассматриваемый протокол работает на верхнем уровне – между конечными системами. Пример – браузер и веб-сервер. Протокол TCP осуществляет надежную передачу потока байтов от одной операции к другой.
Соответствующая технология появилась в 1974 году. С момента образования она несколько раз совершенствовалась, а в конечном итоге стала одним из ключевых элементов современного Интернета.
Функционирование технологии
У протокола управления передачей данных следующий алгоритм работы:
- Установка соединения. Клиент на данном этапе отправит серверу SYN (пакет установки соединения), а сервер его примет и создаст собственный. Далее – отправит его вместе с подтверждением клиенту. Клиентская сторона отправит подтверждение серверной.
- Передача данных. Информация будет разбита на сегменты (пакеты), каждый из которых предусматривает заголовок с данными о портах, номерах последовательностей и других параметров. Клиент и сервер на этом этапе осуществляют обмен пакетами. Принимающая сторона отправляет подтверждение за каждый поступивший и принятый сегмент.
- Обнаружение и исправление ошибок. На стороне получателя осуществляется проверка целостности данных. При обнаружении повреждений пакетов производится запрос о повторной его отправке. Протокол поддерживает тайм-аут для повторной передачи пакетов, если подтверждение не было получено.
- Завершение подключения (соединения). Одна из сторон инициирует прекращение соединения при помощи отправки FIN-пакета. Получатель должен отправить подтверждение и свой FIN-пакет. После подтверждения соединение будет рассматриваться как завершенное.
Transmission-Control Protocol в процессе реализации перечисленных этапов гарантирует отправку и получение сегментов в точном порядке. Каждый пакет получает свой номер, указывающий на позицию информации в имеющемся потоке.
Также стоит обратить внимание на применение Window Size – параметра, отображающего, сколько данных готов принять клиент. Отправитель сможет передавать информацию в пределах соответствующего окна. Этот прием поможет избежать перегрузки на стороне получателя.
Особенности
У протокола TCP предусматривается ряд особенностей. Ключевой среди них выступает гарантированная доставка сегментов с соблюдением порядка и целостности. Если пакет потеряется или будет испорчен, получатель сможет запросить соответствующие элементы у отправителя повторно. При неправильном порядке получения сегментов на принимающей стороне все равно информация обработает так, как было задумано изначально. Такой механизм контроля доставки накладывает дополнительную нагрузку в виде увеличения служебных данных, необходимых для передачи вместе с полезной информацией.
Некоторые отмечают среди особенностей протокола TCP деление данных на сегменты. В них могут содержаться несколько пакетов. Каждый сегмент будет проверяться на факт целостности, после чего отправляться на подтверждение передающей стороне (если все хорошо). Каждый пакет подтверждать не придется.
Поверх TCP предусматривается функционирование разнообразных прикладных протоколов:
- сайтов (HTTP/HTTPS);
- электронной почты (imap, pop, smtp);
- передачи файлов (cifs, ftp, nfs);
- удаленных подключений (ssh, rdp).
TCP-пакеты могут быть переданы не просто так, а только в рамках установленного соединения. Оно носит название TCP-сессии. Подключение допустимо только тогда, когда вторая сторона прослушивает порт установки соединения.
Почему TCP надежен
Что означает TCP, понятно. Это надежная и стабильная технология. Соответствующие особенности обеспечиваются за счет следующего:
- Данные от приложения будут разбиваться на блоки определенного размера. Только после этого информация начнет передаваться получателю.
- При отправке TCP-сегмента осуществляется установка таймера. Это делается при ожидании того, что с удаленного конца придет подтверждение. Если оно не получено, по истечении времени таймера сегмент будет передан повторно.
- При принятии TCP информации от удаленной стороны соединения осуществляется отправка подтверждения. Оно не отправляется немедленно, обычно имеет задержку в долю секунды.
- TCP производит расчет контрольной суммы для собственного заголовка, а также информации. Это – контрольная сумма, рассчитываемая на концах соединения и используемая для выявления изменений данных в процессе обмена. Когда сегмент приходит с неверной контрольной суммой, TCP отбрасывает его. Это приводит к тому, что подтверждение сгенерировано не будет. Ожидается, что отправитель отработает тайм-аут, а затем произведет повторную передачу.
- Protocol TCP предусматривает передачу сегментов в виде IP-датаграмм, а они могут приходить хаотично, как сегменты технологии. После того как TCP получит информацию, он может по мере необходимости изменять последовательность пакетов/сегментов. Именно благодаря этой особенности приложение получит данные в правильном порядке.
- IP-датаграмма предусматривает возможность дублирования. TCP должен отбрасывать продублированные сведения. Происходит это на принимающей стороне.
- Protocol TCP контролирует информационный поток. Каждая сторона рассматриваемого соединения поддерживает определенное буферное пространство. При установке TCP-соединения удаленной стороне позволительно посылать информацию только тогда, когда получатель сможет разместить их непосредственно в буфере. За счет такого подхода удается предотвратить буферное переполнение медленных хостов быстрыми.
Все это поможет лучше понять, как работает protocol TCP, а также почему многие специалисты предпочитают применять соответствующую технологию. Но кроме нее есть еще и UDP, которая все равно активно встречается на практике. Чтобы быстрее подобрать оптимальное решение для своего сервиса или приложения/сайта, рекомендуется рассмотреть преимущества и недостатки упомянутых концепций, а также разницу между ними.
Разница между UDP и TCP
UDP и TCP – это два протокола, обеспечивающие на транспортном уровне OSI-модели передачу информации. Они схожи между собой, но имеют определенную разницу. Ниже представлена таблица, которая поможет понять, чем отличаются эти две технологии информационного обмена в OSI-модели:
| Параметр | TCP | UDP |
| Установка соединения | Устойчивое соединение перед началом передачи данных. | Передача информации осуществляется сразу. |
| Гарантии доставки | Предоставляются. Технология гарантирует, что все данные с подтверждениями будут доставлены до получателя. | Отсутствуют. Получение информации соответствующая технология тоже не предусматривает. |
| Контроль за ошибками | Технология задействует в процессе функционирования механизмы, помогающие найти и исправить ошибки. | Механизмы контроля ошибок отсутствуют. |
| Порядок доставки | Строго правильный | Хаотичный |
| Подтверждение | Поддерживаются механизмы подтверждения доставки, а также повторной передачи. | Механизмы подтверждения отсутствуют. |
| Пропускная способность | Не очень большая | Высокая |
| Где используется | Применяется там, где на первом месте находится надежность информационного обмена, а скорость является второстепенным и неважным параметром. | Технология используется там, где даже небольшая задержка является критичной. Также встречается там, где целостность доставки уходит на «второй план». |
| Примеры используемых протоколов | FTP, HTTP, SMTP, HTTPS | VoIP, DNS |
Изучая транспортный протокол TCP и сравнивая его с UDP, необходимо просто запомнить, что первая технология – это гарантии и безопасность, но с небольшой скоростью, а вторая – это быстрый информационный обмен, но с возможными потерями части информации.
Преимущества
TCP и UDP – технологии, активно используемые в Интернете и клиент-серверных моделях. Они предусматривают как преимущества, так и недостатки. Зная соответствующую информацию, можно понять, когда целесообразно применять TCP, а когда – UDP.
| TCP | UDP |
| Можно устанавливать связь между различными типами устройств. Это значит, что допускается работа одновременно с компьютером и смартфоном. | Небольшая задержка и минимальные сетевые нагрузки. |
| Работа технологии осуществляется независимо от установленной на оборудовании операционной системы. | Можно пользоваться трансляцией, а также многоадресным информационным обменом. |
| Поддержка разнообразных протоколов маршрутизации. | Возможность управления информационным потоком. Это необходимо для определения степени важности пакетов для дальнейшей доставки. |
| Возможность сетевого взаимодействия между компаниями. | Осуществляет более точный контроль над возникающими ошибками. |
| Поддержка архитектуры, которая пригодна к дальнейшему активному масштабированию. | Не требует никакого подтверждения доставки. |
| Возможность самостоятельного управления технологией и информационным обменом. | В заголовках технология предусматривает меньше символов (имеет более компактный формат). |
Зная эти особенности UDP и протокола TCP, каждый IT-специалист сможет выбрать для той или иной ситуации оптимальное решение. Несмотря на то, что первая технология не гарантирует целостность доставки, она все равно активно используется на практике.
Недостатки
Преимущества UDP и Transmission Control Protocol уже известны. Но каждая технология предусматривает не только плюсы, но и минусы. К недостаткам TCP и UDP относят следующие особенности:
| TCP | UDP |
| В заголовке предусматривается большее количество символов. | Нельзя повторно запросить отправку, если в процессе обмена информацией часть данных была утрачена или повреждена. |
| Отсутствие многоадресной информационной передачи, а также трансляции данных. | Сложности с контролем ошибок. Это вызвано тем, что технология не предусматривает механизмы подтверждения и повторной отправки. |
| Сложная замена процедуры протокола. | Нет уведомлений, которые бы сигнализировали о состоянии установленного соединения. |
| Необходимость подтверждения каждого отправленного пакета. | Высокие риски потери данных в процессе информационного обмена. |
| Пакеты с ошибками в рассматриваемой технологии блокируются. | |
| При высокой нагрузке на сеть эффективность TCP снижается. |
Нельзя точно сказать, что protocol TCP лучше или хуже UDP. Обе технологии встречаются при работе с Интернетом и информационным обменом. Иногда они используются совместно. Этот прием позволяет достичь лучшего качества и скорости обмена данными. А для некоторых виртуальных сервисов и площадок используется только одна из рассматриваемых технологий. Пример – видео-сервисы и стримминг. Здесь рекомендуется пользоваться UDP. Связано это с тем, что на передовую выходит небольшая скорость задержки. Для разнообразных транзакций и переводов обычно используется TCP. Такой подход обуславливается гарантиями и подтверждением пакетной доставки.
Теперь понятно, что собой представляет протокол управления передачей. Его аналог (UDP) тоже изучен. Узнать больше об упомянутых технологиях, а также научиться их эффективному применению помогут дистанционные компьютерные курсы. На них в срок до 12 месяцев обучат выбранному IT-направлению, а в конце помогут сформировать портфолио и выдадут электронный сертификат установленного образца.
P. S. Интересуют компьютерные сети, сетевые технологии, протоколы передачи данных? Обратите внимание на следующие курсы в Otus:
