Протокол UDP. Принцип работы. Применение. Транспортные протоколы - UDP

User Datagram Protocol (UDP) (протокол пользовательских дейтаграмм) - является протоколом стандарта TCP/IP , определенный в стандарте RFC 768, "User Datagram Protocol (UDP)". UDP используется вместо TCP для быстрой и ненадежной транспортировки данных между TCP/IP хостами.

UDP протокол обеспечивает обслуживание без установления соединения, таким образом UDP не гарантирует доставку или проверки последовательности для любой дейтаграммы. Хост, который нуждается в надежной связи должен использовать либо протокол TCP либо программу, которая будет сама следить за последовательностью дейтаграмм и подтверждать прием каждого пакета.

Чувствительные ко времени приложения часто используют UDP (видеоданные), так как предпочтительнее сбросить пакеты, чем ждать задержавшиеся пакеты, что может оказаться невозможным в системах реального времени. Также потеря одного или нескольких кадров, при передаче видеоданных по UDP, не так критична, в отличии от передачи бинарных файлов, где потеря одно пакета может привести к искажению всего файла. Еще одним преимуществом протокола UDP является то, что длина заголовка UDP составляет 4 байта, а у TCP протокола - 20 байт.

UDP сообщения инкапсулируются и передаются в IP дейтаграммы.

UDP заголовок

На рисунке показаны поля, присутствующие в UDP заголовке.

• Порт отправителя - в этом поле указывается номер порта отправителя. Предполагается, что это значение задает порт, на который при необходимости будет посылаться ответ. В противном же случае, значение должно быть равным 0. Если хостом-источником является клиент, то номер порта будет, скорее всего, эфемерным. Если источником является сервер, то его порт будет одним из "хорошо известных".
• Порт получателя - это поле обязательно и содержит порт получателя. Аналогично порту отправителя, если клиент - хост-получатель, то номер порта эфемерный, иначе (сервер - получатель) это "хорошо известный порт".
• Длина дейтаграммы - поле, задающее длину всей дейтаграммы (заголовка и данных) в байтах. Минимальная длина равна длине заголовка - 8 байт. Теоретически, максимальный размер поля - 65535 байт для UDP-дейтаграммы (8 байт на заголовок и 65527 на данные). Фактический предел для длины данных при использовании IPv4 - 65507 (помимо 8 байт на UDP-заголовок требуется еще 20 на IP-заголовок).
• Контрольная сумма - поле контрольной суммы используется для проверки заголовка и данных на ошибки. Если сумма не сгенерирована передатчиком, то поле заполняется нулями.

Рассмотрим структуру заголовка UDP с помощью сетевого анализатора Wireshark:

UDP порты

Так как на одном и том же компьютере могут быть запущены несколько программ, то для доставки UDP-пакета конкретной программе, используется уникальный идентификатор каждой программы или номер порта.

Номер порта - это условное 16-битное число от 1 до 65535, указывающее, какой программе предназначается пакет.

UDP порты обеспечивают возможность для отправки и получения сообщений UDP. UDP порт функционирует как одиночная очередь сообщений для получения всех дейтаграмм, предназначенных для программы, указанной номером порта протокола. Это означает, что UDP-программы могут получать более одного сообщения за раз.

Все номера портов UDP, которые меньше чем 1024 - зарезервированы и зарегистрированы в Internet Assigned Numbers Authority (IANA).
Номера портов UDP и TCP не пересекаются.

Каждый порт UDP идентифицируется под зарезервированным или известным номером порта. В следующей таблице показан частичный список известных номеров портов UDP, которые используются стандартные UDP-программы.

Протоколы TCP и UDP

TCP- Transmission Control Protocol

Обмен данными, ориентированный на соединения, может использовать надежную связь, для обеспечения которой протокол уровня 4 посылает подтверждения о получении данных и запрашивает повторную передачу, если данные не получены или искажены. Протокол TCP использует именно такую надежную связь. TCP используется в таких прикладных протоколах, как HTTP, FTP, SMTP и Telnet.

Протокол TCP требует, чтобы перед отправкой сообщения было открыто соединение. Серверное приложение должно выполнить так называемое пассивное открытие (passive open) , чтобы создать соединение с известным номером порта, и, вместо того чтобы отправлять вызов в сеть, сервер переходит в ожидание поступления входящих запросов. Клиентское приложение должно выполнить активное открытие (active open) , отправив серверному приложению синхронизирующий порядковый номер (SYN), идентифицирующий соединение. Клиентское приложение может использовать динамический номер порта в качестве локального порта.

Сервер должен отправить клиенту подтверждение (ACK) вместе с порядковым номером (SYN) сервера. В свою очередь клиент отвечает АСК, и соединение устанавливается.

После этого может начаться процесс отправки и получения сообщений. При получении сообщения в ответ всегда отправляется сообщение АСК. Если до получения АСК отправителем истекает тайм-аут, сообщение помещается в очередь на повторную передачу.

Поля заголовка TCP перечислены в следующей таблице:

TCP - это сложный, требующий больших затрат времени протокол, что объясняется его механизмом установления соединения, но он берет на себя заботу о гарантированной доставке пакетов, избавляя нас от необходимости включать эту функциональную возможность в прикладной протокол.

Протокол TCP имеет встроенную возможность надежной доставки. Если сообщение не отправлено корректно, мы получим сообщение об ошибке. Протокол TCP определен в RFC 793.

UDP - User Datagram Protocol

В отличие от TCP UDP - очень быстрый протокол, поскольку в нем определен самый минимальный механизм, необходимый для передачи данных. Конечно, он имеет некоторые недостатки. Сообщения поступают в любом порядке, и то, которое отправлено первым, может быть получено последним. Доставка сообщений UDP вовсе не гарантируется, сообщение может потеряться, и могут быть получены две копии одного и того же сообщения. Последний случай возникает, если для отправки сообщений в один адрес использовать два разных маршрута.

UDP не требует открывать соединение, и данные могут быть отправлены сразу же, как только они подготовлены. UDP не отправляет подтверждающие сообщения, поэтому данные могут быть получены или потеряны. Если при использовании UDP требуется надежная передача данных, ее следует реализовать в протоколе более высокого уровня.

Так в чем же преимущества UDP, зачем может понадобиться такой ненадежный протокол? Чтобы понять причину использования UDP, нужно различать однонаправленную передачу, широковещательную передачу и групповую рассылку.

Однонаправленное (unicast) сообщение отправляется из одного узла только в один другой узел. Это также называется связью "точка-точка". Протокол TCP поддерживает лишь однонаправленную связь. Если серверу нужно с помощью TCP взаимодействовать с несколькими клиентами, каждый клиент должен установить соединение, поскольку сообщения могут отправляться только одиночным узлам.

Широковещательная передача (broadcast) означает, что сообщение отправляется всем узлам сети. Групповая рассылка (multicast) - это промежуточный механизм: сообщения отправляются выбранным группам узлов.

UDP может использоваться для однонаправленной связи, если требуется быстрая передача, например для доставки мультимедийных данных, но главные преимущества UDP касаются широковещательной передачи и групповой рассылки.

ПРИЛОЖЕНИЯ UDP

Протокол UDP, кроме многих других приложений, также поддерживает работу Trivial File Transfer Protocol (TFTP), Simple Network Management Protocol (SNMP) и Routing Information Protocol (RIP).
TFTP (Простой протокол передачи файлов). В основном он применяется для копирования и инсталляции операционной системы на компьютер из файл-сервера,

TFTP. Протокол TFTP является меньшим приложением, чем протокол передачи файлов (File Transfer Protocol — FTP). Как правило, TFTP используется в сетях для простой передачи файлов. В TFTP включён свой собственный механизм контроля ошибок и порядковой нумерации и, следовательно, этот протокол не нуждается в дополнительных сервисах на транспортном уровне.

SNMP (Простой протокол управления сетью) отслеживает и управляет сетями и устройствами, присоединенными к ним, а также собирает информацию о производительности сети. SNMP посылает сообщения протокольных блоков данных, которые позволяют программному обеспечению управления сетью контролировать устройства в сети.

RIP (Протокол маршрутной информации) — протокол внутренней маршрутизации, что означает его использование в пределах организации, но не в Интернете.

ПРИЛОЖЕНИЯ TCP

Протокол TCP, кроме многих других приложений, также поддерживает работу FTP, Telnet и Simple Mail Transfer Protocol (SMTP).

FTP (Протокол передачи файлов) — полнофункциональное приложение, которое используется для копирования файлов с помощью запущенного клиентского приложения на одном компьютере, связанного с приложением FTP-сервера на другом удалённом компьютере. При помощи этого приложения файлы могут быть приняты и отправлены.

Telnet позволяет устанавливать терминальные сеансы с удалённым устройством, как правило с узлом UNIX, маршрутизатором или коммутатором. Это даёт сетевому администратору возможность управлять сетевым устройством, как если бы оно было в непосредственной близости, а для управления использовался последовательный порт компьютера. Полезность Telnet ограничивается системами, которые используют символьный режим командного синтаксиса. Telnet не поддерживает управление графическим окружением пользователя.

SMTP (Простой протокол передачи электронной почты) — это протокол передачи почты для Интернет. Он поддерживает передачу сообщений электронной почты между почтовыми клиентами и почтовыми серверами.

ХОРОШО ИЗВЕСТНЫЕ ПОРТЫ
Хорошо известные порты назначаются IANA и лежат в диапазоне от 1023 и ниже. Они назначены приложениям, которые являются основными для сети Интернет.

ЗАРЕГИСТРИРОВАННЫЕ ПОРТЫ
Зарегистрированные порты каталогизированы IANA и расположены в диапазоне от 1024 до 49151. Эти порты используются лицензированными приложениями, такими как Lotus Mail.

ДИНАМИЧЕСКИ НАЗНАЧАЕМЫЕ ПОРТЫ
Динамически назначаемые порты получают номера от 49152 до 65535. Номера для этих портов назначаются динамически на время длительности определённого сеанса.

В компьютерных сетях порт является конечной точкой связи в операционной системе. Этот термин используется также для аппаратных устройств, но в программном обеспечении это логическая конструкция, которая идентифицирует конкретный процесс или вид услуг.

Порт всегда связан с IP-адресом хоста и типом и, таким образом, завершает назначение адреса сеанса связи. Он идентифицируется для каждого адреса и протокола с помощью 16-битного числа, широко известного как номер порта. Конкретные номера портов часто используются для определения конкретных услуг. Из тысяч перечисленных 1024 хорошо известных номера портов защищены в соответствии с соглашением, чтобы определить конкретные типы услуг на хосте. Протоколы, которые в основном используют порты, служат для управления процессами (например, протокол управления передачей (TCP) и User Datagram Protocol (UDP) из комплекта протоколов Internet).

Значение

TCP-порты не нужны по прямым ссылкам типа «точка-точка», когда компьютеры на каждом конце могут работать только с одной программой одновременно. Они стали необходимы после того, как машины оказались способны выполнять более одной программы в одно время, и оказались подключены к современным сетям с пакетной коммутацией. В модели клиент-серверной архитектуры приложения, порты и сетевые клиенты подключаются к инициации обслуживания, предоставляют услуги мультиплексирования, после того как первоначальный обмен данными связывается с известным номером порта, и он освобождается путем переключения каждого экземпляра обслуживания запросов к выделенной линии. Происходит подключение к конкретному номеру, и благодаря этому дополнительные клиенты могут обслуживаться без ожидания.

Детали

Протоколы передачи данных - Transmission Control Protocol (TCP) и User Datagram Protocol (UDP) - применяются для того, чтобы указать номер порта назначения и источник в своих заголовках сегментов. Номер порта представляет собой 16-разрядное целое число без знака. Таким образом, он может быть в диапазоне от 0 до 65535.

Тем не менее TCP-порты не могут использовать номер 0. Порт источника для UDP не обязателен, и значение, равное нулю, означает его отсутствие.

Процесс связывает свои входные или выходные каналы через интернет-сокет (тип дескриптора файла) посредством транспортного протокола, номера порта и IP-адреса. Этот процесс известен как связывание, и он дает возможность передачи и приема данных через сеть.

Операционной системы отвечает за передачу исходящих данных из всех портов приложений в сеть, а также переадресацию прибывающих сетевых пакетов (путем сопоставления IP-адреса и номера). Только один процесс можно привязать к определенному IP-адресу и комбинации портов, используя один и тот же транспортный протокол. Общие сбои приложений, которые иногда называют порт-конфликтами, возникают, когда несколько программ пытаются связаться с одними и теми же номерами портов на том же IP-адресе, используя тот же протокол.

Как они используются

Приложения, реализующие общие службы, часто используют специально зарезервированный и хорошо известный список портов TCP и UDP для приема запросов на обслуживание от клиентов. Этот процесс известен как прослушивание, и он включает в себя получение запроса с хорошо известного порта и установления диалога между сервером и клиентом «один-к-одному», с использованием одного и того же номера локального порта. Другие клиенты могут продолжать подключаться - это возможно, так как соединение TCP идентифицируется как цепочка, состоящая из локального и удаленного адресов и портов. Стандартные порты TCP и UDP определяются по соглашению под контролем Internet Assigned Numbers Authority (IANA).

Ядро сетевых сервисов (в первую очередь, WorldWideWeb), как правило, использует небольшие номера портов - меньше, чем 1024. Во многих операционных системах требуются специальные привилегии для приложений для привязки к ним, потому что они часто считаются критическими для функционирования IP-сетей. С другой стороны, конечный клиент соединения, как правило, применяет большое их количество, выделенных для краткосрочного использования, поэтому существуют так называемые эфемерные порты.

Структура

TCP-порты закодированы в заголовке пакета транспортного протокола, и они легко могут быть интерпретированы не только передающим и принимающим компьютерами, но и другими компонентами сетевой инфраструктуры. В частности межсетевые экраны, как правило, настроены различать пакеты в зависимости от их источника или номеров порта назначения. Перенаправление является классическим примером этому.

Практика попыток подключения к диапазону портов последовательно на одном компьютере известна как их сканирование. Это, как правило, связано либо с попытками злонамеренного сбоя, либо же сетевые администраторы ищут возможные уязвимости, чтобы помочь предотвратить такие нападения.

Действия, направленные на то, как часто контролируются и регистрируются с помощью компьютеров. Такая техника использует ряд запасных соединений, для того чтобы обеспечить бесперебойное соединение с сервером.

Примеры использования

Самым главным примером, где активно используются порты TCP/UDP, является почтовая система Интернет. Сервер применяется для работы с электронной почтой (отправкой и получением), и в целом нуждается в двух услугах. Первый сервис используется для транспортировки по электронной почте и с других серверов. Это достигается с помощью Как правило, приложение-служба SMTP прослушивает TCP-порт номер 25 с целью обработки входящих запросов. Другая услуга представляет собой POP (полностью - Post Office Protocol) либо IMAP (или Internet Message Access Protocol) который необходимы для клиентских приложений в электронной почте на машинах пользователей, чтобы получать с сервера сообщения электронной почты. Службами POP прослушиваются номера с TCP-порта 110. Вышеуказанные службы обе могут запускаться на одном и том же хост-компьютере. Когда это происходит, номер порта отличает сервис, запрошенный удаленным устройством - ПК пользователя либо каким-либо иным почтовым сервером.

В то время как номер порта прослушивания сервера корректно определен (IANA называет их хорошо известными портами), данный параметр клиента часто выбирается из динамического диапазона. В некоторых случаях клиенты и сервер по отдельности используют определенные TCP-порты, назначенные в IANA. Наглядным примером может служить DHCP, где клиентом во всех случаях используется UDP 68, а сервером - UDP 67.

Применение в URL-адресах

Номера портов иногда хорошо видны в Интернете или других унифицированных указателях информационных ресурсов (URL). По умолчанию HTTP использует а HTTPS - 443. Вместе с тем существуют и другие вариации. Например, URL-адрес http://www.example.com:8080/path/ указывает, что веб-браузер подключается к 8080 вместо сервера HTTP.

Список портов TCP и UDP

Как уже было отмечено, Internet Assigned Numbers Authority (IANA) несет ответственность за глобальную координацию DNS-Root, IP-адресации и других ресурсов Интернет-протокола. Это включает в себя регистрацию часто используемых номеров портов для известных интернет-сервисов.

Номера портов разделены на три диапазона: хорошо известные, зарегистрированные и динамические или частные. Хорошо известные (также известные как системные) - это имеющие номера от 0 до 1023. Требования, предъявляемые к новым назначениям в этом диапазоне, являются более строгими, чем для других регистраций.

Широко известные примеры

Примеры, находящиеся в данном списке, включают в себя:

• TCP 443 порт: HTTP Secure (HTTPS).
• 22: Secure Shell (SSH).
• 25: Простой протокол передачи почты (SMTP).
• 53: Система доменных имен (DNS).
• 80: Протокол передачи гипертекста (HTTP).
• 119: Протокол передачи сетевых новостей (NNTP).
• 123: Протокол сетевого времени (NTP)..
• 143: Internet Message Access Protocol (IMAP)
• 161: Простой протокол управления сетью (SNMP)1.
• 94: Internet Relay Chat (IRC).

Зарегистрированные порты содержат номера от 1024 до 49151. IANA поддерживает официальный список известных и зарегистрированных диапазонов. Динамические или частные - от 49152 до 65535. Один из вариантов использования этого диапазона предназначен для временных портов.

История создания

Концепция номера порта была создана ранними разработчиками ARPANET в условиях неформального сотрудничества авторов программного обеспечения и системных администраторов.

Термин «номер порта» еще не использовался в то время. Номерной ряд для удаленного хоста был 40-битным числом. Первые 32 бита были похожи на сегодняшний IPv4-адрес, но при этом наиболее значимыми были первые 8 бит. Наименее значительная часть числа (биты с 33 по 40) обозначали другой объект, который назывался AEN. Это и есть прототип современного номера порта.

26 марта 1972 года было впервые предложено создание каталога номеров сокета в RFC 322. призвали описать каждый постоянный номер на предмет его функций и сетевых услуг. Этот каталог был впоследствии опубликован в RFC 433 в декабре 1972 года и включал в себя список хостов, их номера портов и соответствующую функцию, используемую на каждом узле в сети. В мае 1972 года впервые были задокументированы официальные назначения номеров портов, сетевых служб, а также предложена специальная административная функция для ведения этого реестра.

Первый список TCP-портов имел 256 значений AEN, которые были разделены на следующие диапазоны:

• От 0 до 63: стандартные функции всей сети
• От 64 до 127: хост-специфичные функции
• От 128 до 239: зарезервированные для будущего использования
• От 240 до 255: любая экспериментальная функция.

Служба Telnet получила первое официальное присвоение значения 1. В начале существования ARPANET термином AEN также называли имя сокета, которое использовалось с первоначальным протоколом соединения (MSP) и компонентом программы управления сетью (NCP). При этом NCP был предшественником современных Интернет-протоколов, использующих порты TCP/IP.