Отличия TCP- и UDP-протоколов — определяем разницу на примерах

Современный мир завязан на системах связи, когда различные устройства «общаются» между собой посредством «правил», или протоколов модели OSI (Open Systems Interconnection model), определяющей методы взаимодействия. В тексте рассмотрим два самых популярных протокола транспортного уровня — TCP и UDP — и сравним их.

Прежде всего напомним, что такое сетевые протоколы. Сетевые протоколы — это правила взаимодействия устройств в сети, благодаря которым различные девайсы могут работать друг с другом, несмотря на конструктивные различия. На транспортном уровне происходит прием данных с сетевого уровня и передача их на сеансовый уровень.

TCP — протокол транспортного уровня

Первым из рассматриваемых протоколов будет TCP, или Transmission Control Protocol, который используется для транспортировки сообщений между устройствами в сети.

В сети файлы не передаются целиком, а дробятся и передаются в виде относительно небольших сообщений. Далее они передаются другому устройству — получателю, где повторно собираются в файл.

Например, человек хочет скачать картинку. Сервер обрабатывает запрос и высылает в ответ требуемое изображение. Ему, в свою очередь, необходим путь или канал, по которому он будет передавать информацию. Поэтому сервер обращается к сетевому сокету для установки требуемого соединения и отправки картинки. Сервер дробит данные, инкапсулирует их в блоки, которые передаются на уровень TCP получателя при помощи IP-протокола. Далее получатель подтверждает факт передачи.

У протокола TCP есть несколько особенностей:

• Система нумерации сегментов. TCP отслеживает передаваемые и принимаемые сегменты, присваивая номера каждому из них. Байтам данных, которые должны быть переданы, присваивается определенный номер байта, в то время как сегментам присваиваются порядковые номера.
• Управление потоком. Функция ограничивает скорость, с которой отправитель передает данные. Это делается для обеспечения надежности доставки, в том числе чтобы компьютер не генерировал пакетов больше, чем может принять другое устройство. Если говорить простым языком, то получатель постоянно сообщает отправителю о том, какой объем данных может быть получен.
• Контроль ошибок. Функция реализуется для повышения надежности путем проверки байтов на целостность.
• Контроль перегрузки сети. Протокол TCP учитывает уровень перегрузки в сети, определяемый объемом данных, отправленных узлом.

Примеры применения сетевого протокола TCP

Протокол TCP гарантирует доставку, а также обеспечивает целостность данных, передаваемых в сети. Поэтому он применяется для передачи данных, которые чувствительны к нарушению целостности, — например, текстов, файлов и т.п. Вот несколько протоколов, которые работают по TCP: 

• SSH, FTP, Telnet: в данных протоколах TCP используется для обмена файлами.
• SMTP, POP, IMAP: протоколы, где TCP отвечает за передачу сообщений электронной почты.
• HTTP/HTTPS: протоколы, где TCP отвечает за загрузку страниц из интернета.

Эти примеры работают на уровне приложений стека TCP/IP и передают данные вниз к TCP, на транспортный уровень.

Строение протокола TCP

В каждый пакет данных TCP добавляет заголовок общим объемом в 20 байт (или октетов), в котором содержатся 10 обязательных полей:

• Порт источника — порт устройства-отправителя.
• Порт назначения — порт принимающего устройства.
• Порядковый номер. Устройство, инициирующее TCP-соединение, должно выбрать случайный начальный порядковый номер, который затем увеличивается в соответствии с количеством переданных байтов.
• Номер подтверждения. Принимающее устройство увеличивает этот номер с нуля в соответствии с количеством полученных байтов.
• Сдвиг данных TCP. Данный параметр определяет размер заголовка, чтобы система могла понять, где начинаются данные.
• Зарезервированные данные — зарезервированное поле, значение которого всегда равно нулю.
• Флаги управления. TCP использует девять флагов для управления потоком данных в определенных ситуациях — например, при инициировании сброса сессии.
• Размер окна — самая важная часть заголовка TCP. Это поле используется получателем для указания отправителю объема данных, которые он может принять.
• Контрольная сумма. Отправитель генерирует контрольную сумму и передает ее в заголовке каждого пакета. Принимающее устройство может использовать контрольную сумму для проверки ошибок в полученном файле.
• Срочный указатель — это предлагаемая протоколом возможность помечать некоторые байты данных тегом «Срочно» для их пересылки и обработки вне очереди.
• Поле опции. Может использоваться для расширения протокола или его тестирования.

Ускоряем работу протокола TCP при хорошем соединении или выжимаем максимум

TCP используется при передаче данных в таких протоколах, как HTTP, Telnet, FTP, SMTP. При использовании протокола нужно учесть, что при увеличении потери пакетов время, затрачиваемое на доставку файла, увеличивается.

Чтобы достичь максимальной пропускной способности TCP-соединения, можно выполнить следующие шаги:

Увеличить размер окна. Размер окна, или TCP Window Size, — это количество данных, которое может быть передано в данный момент без подтверждения. Это значение устанавливается в начале соединения между устройствами. Однако это значение можно изменить заранее, введя команду regedit в поиске и перейдя по следующему пути: 

HKEY_LOCAL_MACHINE\SYSTEM\CurrentControlSet\Services\AFD\Parameters\DefaultSendWindow

Увеличение параметра приведет к тому, что уменьшится количество проверок полученных данных и увеличится эффективность использования полосы пропускания. Также, перейдя по пути:

HKEY_LOCAL_MACHINE\System\CurrentControlSet\Services\Tcpip\Parameters

, можно добавить значение Tcp1323Opts, которое отвечает за изменение размера окна и управление временной меткой.

Изменение значения SackOpts. SACK, или селективное подтверждение, крайне важно для подключений с большим размером окна. Без этой функции проверка полученных данных выполняется только по последнему номеру последовательности полученных данных. Но с включением этой функции появляется возможность подтверждать получение отдельных блоков. Чтобы изменить данный параметр, можно перейти по пути:

HKEY_LOCAL_MACHINE\SYSTEM\CurrentControlSet\Services\Tcpip\Parameters

и выбрать параметр SackOpts. 

Изменение значения TcpMaxDupAcks. Данный параметр отвечает за количество полученных подтверждений о передаче. Стандартное значение состоит из одного подтверждения и двух дубликатов. Параметр можно изменить, перейдя по пути:

HKEY_LOCAL_MACHINE\SYSTEM\CurrentControlSet\Services\Tcpip\Parameters

и выбрав TcpMaxDupAcks. Это позволит вам назначать количество требуемых подтверждений для запуска быстрой повторной передачи, что в результате скажется на скорости передачи данных.

Стоит отметить, что данными манипуляциями выигрываются доли секунд, поэтому сильно прироста скорости вы не увидите.

UDP — протокол транспортного уровня

Если нам очень важна скорость передачи, а вот потеря пакетов не так критична (как, например, в голосовом или видеотрафике), то лучше использовать UDP, или User Datagram Protocol. В отличие от TCP он обеспечивает передачу данных без получения подтверждения от пользователя. Проще говоря, просто отправляет пакеты и не ждет ничего в ответ. Из-за этого достигается высокая скорость в ущерб надежности.

Чаще всего UDP применяется в чувствительных ко времени службах, где потерять пакеты лучше, чем ждать. Звонки в Skype или Google Meet, стриминг видео, онлайн-трансляции используют этот протокол из-за того, что они чувствительны ко времени и рассчитаны на определенный уровень потерь. Вся голосовая связь через интернет работает по протоколу UDP. Также UDP очень часто используется в онлайн-играх. Аналогичная история с DNS-серверами, поскольку они должны быть быстрыми и эффективными.

Примеры использования протокола UDP

Примерами протоколов, использующих UDP-протокол, являются:

• DNS — протокол, преобразующий домены в IP-адреса, чтобы сделать возможной загрузку интернет-ресурса через браузер.
• SNMP — протокол, позволяющий системному администратору проводить мониторинг, контролировать производительность сети и изменять конфигурацию подключенных устройств.
• DHCP — протокол, отвечающий за автоматическое назначение IP-адреса клиенту.

Разница между TCP и UDP

Ключевым различием между TCP и UDP является скорость, поскольку TCP сравнительно медленнее UDP. В целом, UDP является быстрым, простым и эффективным протоколом, однако повторная передача потерянных пакетов данных возможна только в TCP. 

Еще одно заметное различие между TCP и UDP заключается в том, что первый обеспечивает упорядоченную доставку данных от пользователя к серверу (и наоборот). UDP, в свою очередь, не проверяет готовность получателя и может доставлять пакеты вразнобой.

TCP vs UDP

Рассмотрим разницу характеристик протоколов TCP и UDP.

Отличия TCP и UDP при использовании в VPN

Также нередко возникает вопрос, касающийся использования данных протоколов при VPN-соединениях. К примеру, в OpenVPN существует возможность выбора между TCP- и UDP-протоколами. 

Условимся, что VPN заворачивает передаваемые данные в еще один протокол (на самом деле все намного сложнее). Если ваш VPN-туннель использует в качестве транспортного протокола TCP, то передача данных по UDP-протоколу теряет свои преимущества. Как минимум на определенном участке пути. Поэтому для VPN-туннеля советуют использовать UDP-протокол, ведь TCP будет штатно работать внутри UDP-туннеля.

Итог сравнения протоколов TCP и  UDP 

Каждый протокол хорош под свои задачи, недаром они являются одними из самых распространенных в интернете. В завершение сравнения TCP и UDP можно выделить, что TCP применяется там, где важно доставить все данные в определенном порядке. Зона применения UDP, в свою очередь, — это голосовой и видеотрафик, где доставка всех пакетов не является обязательной. 

Также серьезным отличием TCP от UDP является размер заголовков. У TCP он составляет 20-60 байт, а у UDP — всего 8 байт. Это показывает, насколько сложнее устроен протокол TCP, ведь он приоритизирует трафик и проверяет блоки данных на наличие ошибок.