2.1.5. Протокол UDP

2.1.5. Протокол UDP

Протокол UDP (User Datagram Protocol — протокол пользовательских дейтаграмм) встречается реже, чем его "одноклассник" TCP, но он проще для понимания, поэтому мы начнем изучение транспортных протоколов с него. Коротко UDP можно описать как ненадежный протокол без соединения, основанный на дейтаграммах. Теперь рассмотрим каждую из этих характеристик подробнее.

UDP не имеет никаких исполнительных средств управления пакетами по сравнению с IP. Это значит, что пакеты, отправленные с помощью UDP, могут теряться, дублироваться и менять порядок следования. В сети без маршрутизаторов ничего этого с пакетами почти никогда не происходит, и UDP может условно считаться надежным протоколом. Сети с маршрутизаторами строятся, конечно же, таким образом, чтобы подобные случаи происходили как можно реже, но полностью исключить их, тем не менее, нельзя. Происходит это из-за того, что передача данных может идти несколькими путями через разные маршрутизаторы. Например, пакет может пропасть, если короткий путь к удаленному узлу временно недоступен, а в длинном приходится пройти больше маршрутизаторов, чем это разрешено. Дублироваться пакеты могут, если они ошибочно передаются двумя путями, а порядок следования может изменяться, если пакет, посланный первым, идет по более длинному пути, чем пакет, посланный вторым.

Все сказанное отнюдь не означает, что на основе UDP нельзя построить надежный обмен данными, просто заботу об этом должно взять на себя само приложение. Каждый исходящий пакет должен содержать порядковый номер, и в ответ на него должен приходить специальный пакет — квитанция, которая уведомляет отправителя, что пакет доставлен. При отсутствии квитанции пакет высылается повторно (для этого необходимо ввести тайм-ауты на получение квитанции). Принимающая сторона по номерам пакетов восстанавливает их исходный порядок.

UDP не поддерживает соединение. Это означает, что при использовании этого протокола можно в любой момент отправить данные по любому адресу без необходимости каких-либо предварительных действий, направленных на установление связи с адресатом. Это напоминает процесс отправки обычного письма: на нем пишется адрес, и оно опускается в почтовый ящик без каких-либо предварительных действий. Такой подход обеспечивает большую гибкость, но лишает систему возможности автоматической проверки исправности канала связи.

Дейтаграммами называются пакеты, которые передаются как единое целое. Каждый пакет, отправленный с помощью UDP, составляет одну дейтаграмму. Принятые дейтаграммы складываются в буфер принимающего сокета и могут быть получены только раздельно: за одну операцию чтения из буфера программа, использующая сокет, может получить только одну дейтаграмму. Если в буфере лежит несколько дейтаграмм, потребуется несколько операций чтения, чтобы прочитать все. Кроме того, одну дейтаграмму нельзя получить из буфера по частям: она должна быть прочитана целиком за одну операцию. Чтобы данные, передаваемые разным сокетам, не перемешивались, каждый сокет должен получить уникальный в пределах узла номер от 0 до 65 535, называемый номером порта. При отправке дейтаграммы отправитель указывает IP-адрес и порт получателя, и система принимающей стороны находит сокет, привязанный к указанному порту, и помещает данные в его буфер. По сути дела, UDP является очень простой надстройкой над IP, все функции которой заключаются в том, что физический поток разделяется на несколько логических с помощью портов, и добавляется проверка целостности данных с помощью контрольной суммы (сам по себе протокол IP не гарантирует отсутствия искажений данных при передаче).

Максимальный размер одной дейтаграммы IP равен 65 535 байтам. Из них не менее 20 байтов занимает заголовок IP. Заголовок UDP имеет размер 8 байтов. Таким образом, максимальный размер одной дейтаграммы UDP составляет 65 507 байтов.

Типичная область применения UDP — программы, для которых потеря пакетов некритична. Например, некоторые сетевые 3D-игры в локальной сети используют UDP, т. к. очень часто посылают пакеты, информирующие о действиях игрока, и потеря одного пакета не приведет к существенным проблемам: следующий пакет доставит необходимые данные. Достоинства UDP — простота установления связи, возможность обмена данными с несколькими адресами через один сокет и отсутствие необходимости возобновлять соединение после разрыва связи. В некоторых задачах также очень удобно то, что дейтаграммы не смешиваются, и получатель всегда знает, какие данные были отправлены одной дейтаграммой, а какие — разными.

Еще одно преимущество UDP — возможность отправки широковещательных дейтаграмм. Для этого нужно указать широковещательный IP-адрес (обычно 255.255.255.255, но в некоторых случаях допустимы адреса типа 192.168.100.225 для вещания в пределах сети 192.168.100.XX и т. п.), и такую дейтаграмму получат все сокеты в локальной сети, привязанные к заданному порту. Эту возможность нередко используют программы, которые заранее не знают, с какими компьютерами они должны связываться. Они посылают широковещательное сообщение и связываются со всеми узлами, которые распознали это сообщение и прислали на него соответствующий ответ. По умолчанию для широковещательных пакетов число маршрутизаторов, через которые они могут пройти (TTL), устанавливается равным нулю, поэтому такие пакеты не выходят за пределы подсети.