Транспортные протоколы - UDP. Протоколы передачи данных TCP и UDP

Два наиболее распространенных протокола Транспортного уровня в стеке TCP/IP это Протокол Управления Передачей - TCP (сокр.от Transmission Control Protocol) и Протокол Датаграммы Пользователя - UDP (сокр.от User Datagram Protocol). Оба протокола управляют коммуникацией нескольких приложений. Различия между двумя этими протоколами в специфической функциональности, которую они реализуют.

Протокол Датаграммы Пользователя (UDP)

UDP является простым протоколом без установки соединения, описанным в RFC 768. Он имеет плюс в том, что обеспечивает доставку данных без лишних накладных расходов. Фрагменты коммуникации в UDP называются датаграммами . Эти датаграммы посылаются максимально быстро данным протоколом Транспортного уровня.

Примеры приложений, которые используют UDP:

• Систему Доменных Имен (DNS - сокр. от Domain Name System)
• Потоковое Видео
• IP Телефония (VoIP - сокр. от Voice IP)

Протокол Управления Передачей (TCP)

TCP является протоколом с установкой соединения, описанным в RFC 793. TCP добавляет дополнительную нагрузку на сеть для выполнения своих функций. Дополнительные функции протокола TCP включают одинаковый порядок доставки, ее надежность и контроль потока . Каждый TCP сегмент имеет 20 дополнительных байт в заголовке, инкапсулирующем данные Прикладного уровня, тогда как UDP сегмент - только 8 байт. Смотрите рисунок для сравнения.

Доброго времени суток, дорогие читатели.
По многочисленным просьбам сегодня я публикую для Вас статью, которая познакомит Вас с основами основ терминов компьютерной сети, а именно:

• Сетевые протоколы - что это за страшные названия и с чем их едят
• UDP, TCP, ICMP , - что, зачем и в чем разница
• IP -адрес, - у всех есть, но не все знают нафига эта штука:-)
• Маска адреса (подсеть)
• Шлюз (gateway)
• Несколько слов о таблицах маршрутизации
• Порты, - что это на самом деле
• MAC -адрес

Примерно так.

Статья, думаю, будет полезна всем от мала до велика, ибо содержит не столько набор странных непонятных действий или слов, сколько блок доступным языком изложенной информации, которая, как минимум, даст Вам понимание как вообще это всё работает и зачем это нужно. Поехали.

Сетевые протоколы TCP/IP, NWLink IPX/SPX, NetBEUI

Давайте начнем с того, что вообще такое сетевой протокол и с чем его едят.
Сетевой протокол - это набор программно реализованных правил общения между компьютерами. Этакий язык, на котором компьютеры разговаривают друг с другом и передают информацию. Ранее компьютеры были, так сказать, многоязычны и в старых версиях Windows использовался целый набор протоколов, - TCP/IP, NWLink IPX/SPX, NetBEUI . Ныне же пришли к общей договоренности, и стандартом стало использование исключительно протокола TCP/IP , а посему речь далее пойдет именно о нем.

Когда говорят о TCP/IP , то обычно подразумевают под этим именем множество различных.. правил или, скажем, стандартов, которые прописаны с использованием (или под использование) этого протокола. Так, например, есть правила, по которым осуществляется обмен сообщениями между почтовыми серверами и есть правила, по которым конечный пользователь получает в свой ящик письма. Имеются правила для проведения видео-конференций и правила для организации "телефонных" переговоров по Интернету. Фактически, это даже не то чтобы правила.. Скорее этакая грамматика, что ли. Ну знаете, в английском одна структура построения диалогов, в французском другая.. Вот и в TCP/IP нечто подобное, т.е. некая связка различных грамматических правил представляет собой как раз цельный протокол TCP/IP или, точнее говоря, стек протоколов TCP/IP .

Сетевые протоколы UDP, TCP, ICMP

В рамках протокола TCP/IP для передачи данных используются протоколы - TCP и UDP . Многие наверняка слышали, что есть порты как TCP , так и UDP , но не все знают в чем разница и что это вообще. И так..

Передача данных по протоколу TCP (Transmission Control Protocol - Протокол Управления Передачей) предусматривает наличие подтверждений получения информации. "-Ну, мол, - получил? -Получил!" Если же передающая сторона не получит в установленные сроки необходимого подтверждения, то данные будут переданы повторно. Поэтому протокол TCP относят к протоколам, предусматривающим соединение, а UDP (User Datagram Protocol - Протокол Пользовательских Датаграмм) - нет. UDP применяется в тех случаях, когда не требуется подтверждения приема (например, DNS-запросы или IP-телефония (яркий представитель которой, - Skype)). То есть разница заключается в наличии подтверждения приема. Казалось бы "Всего то!", но на практике это играет важную роль.

Есть еще так же протокол ICMP (Internet Control Message Protocol - межсетевой протокол управляющих сообщений), который используется для передачи данных о параметрах сети. Он включает в себя служебные типы пакетов, таки как ping, distination unreachable, TTL и пр.

Что такое IP-адрес

У всех он есть, но не все имеют представление что за адрес такой и почему вообще без него нельзя. Рассказываю.

IP -адрес - 32 -х битное число, используемое для идентификации компьютера в сети. Адрес принято записывать десятичными значениями каждого октета этого числа с разделением полученных значений точками. Например, 192.168.101.36

IP- адреса уникальны, - это значит, что каждый компьютер имеет свое собственное сочетание цифр, и в сети не может быть двух компьютеров с одинаковыми адресами. IP -адреса распределяются централизованно, интернет-провайдеры делают заявки в национальные центры в соответствии со своими потребностями. Полученные провайдерами диапазоны адресов распределяются дальше между клиентами. Клиенты, в свою очередь, сами могут выступать в роли провайдера и распределять полученные IP -адреса между субклиентами и т.д. При таком способе распределения IP -адресов компьютерная система точно знает "расположение" компьютера, имеющего уникальный IP -адрес; - ей достаточно переслать данные в сеть "владельца", а провайдер в свою очередь проанализирует пункт назначения и, зная, кому отдана эта часть адресов, отправит информацию следующему владельцу поддиапазона IP -адресов, пока данные не поступят на компьютер назначения.

Для построения же локальных сетей выделены спец.диапазоны адресов. Это адреса 10.x.x.x , 192.168.x.x , 10.x.x.x , c 172.16.x.x по 172.31.x.x , 169.254.x.x , где под x - имеется ввиду любое число это от 0 до 254 . Пакеты, передаваемые с указанных адресов, не маршрутизируется, иными словами, попросту не пересылаются через Интернет, а поэтому в различных локальных сетях компьютеры могут иметь совпадающие адреса из указанных диапазонов. Т.е., в компании ООО "Рога и копыта " и ООО "Вася и компания " могут находится два компьютера с адресами 192.168.0.244 , но не могут, скажем, с адресами 85.144.213.122 , полученными от провайдера интернета, т.к. в интернете не может быть два одинаковых IP -адреса. Для пересылки информации с таких компьютеров в Интернет и обратно используются спец.программы и устройства, которые заменяют локальные адреса реальными при работе с интернетом. Иными словами, данные в Сеть пересылаются с реального IP -адреса, а не с локального. Этот процесс происходит не заметно для пользователя и называется трансляцией адресов. Хочется так же упомянуть, что в рамках одной сети, скажем, компании, ООО "Рога и копыта ", не может быть два компьютера с одним локальным IP-адресом, т.е., в указанном выше примере имелось ввиду, что один компьютер с адресом 192.168.0.244 в одной компании, второй с таким же адресом - в другой. В одной же компании два компьютера с адресом 192.168.0.244 попросту не уживутся.

Хотите знать и уметь, больше и сами?

Мы предлагаем Вам обучение по направлениям: компьютеры, программы, администрирование, сервера, сети, сайтостроение, SEO и другое. Узнайте подробности сейчас!

Вы наверняка слышали такие термины как внешний IP и внутренний IP , постоянный (статический IP) и переменный (динамический) IP . В двух словах о них:

• внешний IP - это как раз тот самый IP , который выдает Вам провайдер, т.е. Ваш уникальный адрес в интернете, например, - 85.144.24.122
• внутренний IP , - это локальный IP , т.е. Ваш IP в локальной сети, например, - 192.168.1.3
• статический IP - это IP , который не меняется с каждым подключением, т.е. закреплен за Вами твердо и навсегда
• динамический IP , - это плавающий IP -адрес, который меняется с каждым подключением

Тип Вашего IP (статический или динамический) зависит от настроек провайдера.

Что такое маска адреса (подсеть)

Понятие подсети введено, чтобы можно было выделить часть IP -адресов одной организации, часть другой и тд. Подсеть представляет собой диапазон IP-адресов, которые считаются принадлежащими одной локальной сети. При работе в локальной сети информация пересылается непосредственно получателю. Если данные предназначены компьютеры с IP-адресом, не принадлежащим локальной сети, то к ним применяются специальные правила для вычисления маршрута для пересылки из одной сети в другую.

Маска - это параметр, который сообщает программному обеспечению о том, сколько компьютеров объединено в данную группу (подсеть). Маска адреса имеет такую же структуру как и сам IP-адрес: это набор из четырех групп чисел, каждое из которых может быть в диапазоне от 0 до 255 . При этом, чем меньше значение маски, тем больше компьютеров объединено в данную подсеть. Для сетей небольших компаний маска обычно имеет вид 255.255.255.x (например, 255.255.255.224). Маска сети присваивается компьютеру одновременно с IP-адресом. Так, например, сеть 192.168.0.0 с маской 255.255.255.0 может содержать в себе компьютеры с адресами от 192.168.0.1 до 192.168.254 192.168.0.0 с маской 255.255.255.128 допускает адреса от 192.168.0.1 до 192.168.0.127 . Думаю, смысл понятен. Как правило сети с небольшим возможным числом компьютеров используются провайдерами с целью экономии IP-адресов. Например, клиенту, может быть назначен адрес с маской 255.255.255.252 . Такая подсеть содержит в себе только два компьютера.

После того как компьютер получил IP-адрес и ему стало известно значение маски подсети, программа может начать работу в данной локальной подсети. Однако же, чтобы обмениваться информацией с другими компьютерами в глобальной сети, необходимо знать правила, куда пересылать информацию для внешней сети. Для этого служит такая характеристика как адрес шлюза (Gateway).

Что такое Шлюз (Gateway)

Шлюз - это устройство (компьютер или маршрутизатор), которое обеспечивает пересылку информации между различными IP-подсетями. Если программа определяет (по IP и маске), что адрес назначения не входит в состав локальной подсети, то она отправляет эти данные на устройство, выполняющее функции шлюза. В настройках протокола указывают IP-адрес такого устройства.

Для работы только в локальной сети шлюз может не указываться.

Для индивидуальных пользователей, подключающихся к Интернету, или для небольших предприятий, имеющих единственный канал подключения, в системе должен быть только один адрес шлюза, - это адрес того устройства, которое имеет подключение к Интернету. При наличии нескольких маршрутов будет существовать несколько шлюзов. В этом случае для определения пути передачи данных используется таблица маршрутизации.

Что такое таблицы маршрутизации

И вот мы плавно добрались и до них. И так.. Что же за таблицы такие.

Организация или пользователь может иметь несколько точек подключения к Интернету (например, резервные каналы на случай, если у первого провайдера что-то выйдет из строя, а интернет таки очень нужен) или содержать в своей структуре несколько IP -сетей. В этом случае, чтобы система знала каким путем (через какой шлюз) посылать ту или иную информацию, используются таблицы маршрутизации. В таблицах маршрутизации для каждого шлюза указываются те подсети Интернета, для которых через них должна передаваться информация. При этом для нескольких шлюзов можно задать одинаковые диапазоны, но с разной стоимостью передачи данных: например, информация, будет пересылаться по каналу, имеющему самую низкую стоимость, а в случае выхода его из строя по тем или иным причинам, автоматически будет использоваться следующее доступное наиболее дешевое соединение.

Что такое сетевые порты

При передаче данных кроме IP -адресов отправителя и получателя пакет информации содержит в себе номера портов. Пример: 192.168.1.1:80 , - в данном случае 80 - это номер порта. Порт - это некое число, которое используется при приеме и передаче данных для идентификации процесса (программы), который должен обработать данные. Так, если пакет послан на 80 -й порт, то это свидетельствует, что информация предназначена серверу HTTP .

Номера портов с 1 -го до 1023 -й закреплены за конкретными программами (так называемые well-known-порты). Порты с номерами 1024 -65 535 могут быть использованы в программах собственной разработки. При этом возможные конфликты должны решаться самими программами путем выбора свободного порта. Иными словами, порты будут распределяться динамически: возможно, что при следующем старте программа выберет иное значение порта, если, конечно, Вы вручную через настройки не задавали ей порт.

Что есть MAC-адрес

Дело в том, что пересылаемые пакеты в сети адресуются компьютерам не по их именам и не на IP -адрес. Пакет предназначается устройству с конкретным адресом, который и называется MAC -адресом.

MAC-адрес - это уникальный адрес сетевого устройства, который заложен в него изготовителем оборудования, т.е. это этакий проштампованный номер Вашей сетевой карты. Первая половина MAC -адрес представляет собой идентификатор изготовителя, вторая - уникальный номер данного устройства.

Как правило MAC -адрес бывает требуется для идентификации, скажем, у провайдера (если провайдер использует привязку по мак-адресу вместо логина-пароля) или при настройке маршрутизатора.

Где посмотреть все сетевые настройки

Чуть не забыл сказать пару слов о том где можно поглядеть и поменять всё это.

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.

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

UDP:

• 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

С таким списком решение кажется очевидным - TCP реализует всю необходимую нам функциональность и его проще использовать, тогда как использование UDP обещает геморрой с написанием всего на свете вручную, с нуля. Значит, используем TCP, да?

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

TCP и UDP оба работают поверх IP, но по факту они совершенно разные. UDP ведет себя очень похоже на IP, в то время как TCP абстрагирует пользователя от всех проблем с пакетами, делая взаимодействие с ним похожим на чтение/запись в файл.

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

При передаче TCP разбивает поток данных на отдельные пакеты, пересылает их по сети, используя ненадежный протокол IP, и затем на принимающем компьютере восстанавливает из принятых пакетов первоначальный поток.

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

Проблема с использованием TCP в сетевых играх заключается в том, что, в отличие от браузеров, электронной почты и прочих приложений, игры завязаны на взаимодействии в реальном времени. Для многих аспектов игры, например, нажатых пользователем клавиш и положения игроков в игре, неважно, что происходило секунду назад, а важно только наиболее актуальное состояние игрового мира.

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

Протокол UDP

User Datagram Protocol (UDP) - это простой, ориентированный на дейтаграммы протокол без организации соединения, предоставляющий быстрое, но необязательно надежное транспортное обслуживание. Он поддерживает взаимодействия "один со многими" и поэтому часто применяется для широковещательной и групповой передачи дейтаграмм.

Internet Protocol (IP) является основным протоколом Интернета. Transmission Control Protocol (TCP) и UDP - это протоколы транспортного уровня, построенные поверх лежащего в основе протокола.

TCP/IP - это набор протоколов, называемый также "пакетом протоколов Интернета" (Internet Protocol Suite), состоящий из четырех уровней. Запомните, что TCP/IP не просто один протокол, а семейство или набор протоколов, который состоит из других низкоуровневых протоколов, таких, как IP, TCP и UDP. UDP располагается на транспортном уровне поверх IP (протокола сетевого уровня). Транспортный уровень обеспечивает взаимодействие между сетями через шлюзы. В нем используются IP-адреса для отправки пакетов данных через Интернет или другую сеть с помощью разнообразных драйверов устройств.

Прежде чем приступать к изучению работы UDP, обратимся к основной терминологии, которую нужно хорошо знать. Ниже вкратце определим основные термины, связанные с UDP:

Пакеты

В передаче данных пакетом называется последовательность двоичных цифр, представляющих данные и управляющие сигналы, которые передаются и коммутируются через хост. Внутри пакета эта информация расположена в соответствии со специальным форматом.

Дейтаграммы

Дейтаграмма - это отдельный, независимый пакет данных, несущий информацию, достаточную для передачи от источника до пункта назначения, поэтому никакого дополнительного обмена между источником, адресатом и транспортной сетью не требуется.

MTU (Maximum Transmission Unit)

MTU характеризует канальный уровень и соответствует максимальному числу байтов, которое можно передать в одном пакете. Другими словами MTU - это самый большой пакет, который может переносить данная сетевая среда. Например, Ethernet имеет фиксированный MTU, равный 1500 байтам. В UDP, если размер дейтаграммы больше MTU, протокол IP выполняет фрагментацию, разбивая дейтаграмму на более мелкие части (фрагменты) так, чтобы каждый фрагмент был меньше MTU.

Порты

Чтобы поставить в соответствие входящим данным конкретный процесс, выполняемый в компьютере, UDP использует порты. UDP направляет пакет в соответствующее место, используя номер порта, указанный в UDP-заголовке дейтаграммы. Порты представлены 16-битными номерами и, следовательно, принимает значения в диапазоне от 0 до 65 535. Порты, которые также называют конечными точками логических соединений, разделены на три категории:

Хорошо известные порты - от 0 до 1023

Регистрируемые порты - от 1024 до 49151

Динамические / частные порты - от 49152 до 65535

Заметим, что порты UDP могут получать более одного сообщения в каждый промежуток времени. В некоторых случаях сервисы TCP и UDP могут использовать одни и те же номера портов, например 7 (Echo) или 23 (Telnet).

UDP использует следующие известные порты:

Перечень портов UDP и TCP поддерживается агентством IANA (Internet Assigned Numbers Authority) .

IP-адреса

Дейтаграмма IP состоит из 32-битных IP-адресов источника и назначения. IP-адрес назначения задает конечную точку для дейтаграммы UDP, а IP-адрес источника используется для получения информации о том, кто отправил сообщение. В пункте назначения пакеты фильтруются, и те из них, адреса источников которых не входят в допустимый набор адресов, отбрасываются без уведомления отправителя.

Однонаправленный IP-адрес уникально определяет хост в сети, тогда как групповой IP-адрес определяет конкретную группу адресов в сети. Широковещательные IP-адреса получаются и обрабатываются всеми хостами локальной сети или конкретной подсети.

TTL

Значение времени жизни, или TTL (time-to-live), позволяет установить верхний предел числа маршрутизаторов, через которые может пройти дейтаграмма. Значение TTL не дает пакетам попасть в бесконечные циклы. Оно инициализируется отправителем и уменьшается на единицу каждым маршрутизатором, обрабатывающим дейтаграмму. Когда значение TTL становится нулевым, дейтаграмма отбрасывается.

Групповая рассылка

Групповая рассылка - это открытый, базирующийся на стандартах, метод одновременного распространения идентичной информации нескольким пользователям. Групповая рассылка является основным средством протокола UDP, она невозможна для протокола TCP. Групповая рассылка позволяет добиться взаимодействия одного со многими, например, делает возможными такие использования, как рассылка новостей и почты нескольким получателям, интернет-радио или демонстрационные программы реального времени. Групповая рассылка не так сильно нагружает сеть, как широковещательная передача, поскольку данные отправляются сразу нескольким пользователям:

Принцип работы UDP

Когда приложение, базирующееся на UDP, отправляет данные другому хосту в сети, UDP дополняет их восьмибитным заголовком, содержащим номера портов адресата и отправителя, общую длину данных и контрольную сумму. Поверх дейтаграммы UDP свой заголовок добавляет IP, формируя дейтаграмму IP:

На предыдущем рисунке указано, что общая длина заголовка UDP составляет восемь байтов. Теоретически максимальный размер дейтаграммы IP равен 65 535 байтам. С учетом 20 байтов заголовка IP и 8 байтов заголовка UDP длина данных пользователя может достигать 65 507 байтов. Однако большинство программ работают с данными меньшего размера. Так, для большинства приложений по умолчанию установлена длина приблизительно 8192 байта, поскольку именно такой объем данных считывается и записывается сетевой файловой системой (NFS). Можно устанавливать размеры входного и выходного буферов.

Контрольная сумма нужна, чтобы проверить были ли данные доставлены в пункт назначения правильно или были искажены. Она охватывает как заголовок UDP, так и данные. Байт-заполнитель используется, если общее число октетов дейтаграммы нечетно. Если полученная контрольная сумма равна нулю, получатель фиксирует ошибку контрольной суммы и отбрасывает дейтаграмму. Хотя контрольная сумма является необязательным средством, ее всегда рекомендуется включать.

На следующем шаге уровень IP добавляет 20 байтов заголовка, включающего TTL, IP-адреса источника и получателя и другую информацию. Это действие называют IP-инкапсуляцией.

Как упоминалось ранее, максимальный размер пакета равен 65 507 байтам. Если пакет превышает установленный по умолчанию размер MTU, то уровень IP разбивает пакет на сегменты. Эти сегменты называются фрагментами, а процесс разбиения данных на сегменты - фрагментацией . Заголовок IP содержит всю информацию о фрагментах.

Когда приложение-отправитель "выбрасывает" дейтаграмму в сеть, она направляется по IP-адресу назначения, указанному в заголовке IP. При проходе через маршрутизатор значение времени жизни (TTL) в заголовке IP уменьшается на единицу.

Когда дейтаграмма прибывает к заданному назначению и порту, уровень IP по своему заголовку проверяет, фрагментирована ли дейтаграмма. Если это так, дейтаграмма собирается в соответствии с информацией, имеющейся в заголовке. Наконец прикладной уровень извлекает отфильтрованные данные, удаляя заголовок.

Недостатки UDP

По сравнению с TCP UDP имеет следующие недостатки:

Отсутствие сигналов квитирования . Перед отправкой пакета UDP, отправляющая сторона не обменивается с получающей стороной квитирующими сигналами. Следовательно, у отправителя нет способа узнать, достигла ли дейтаграмма конечной системы. В результате UDP не может гарантировать, что данные будут действительно доставлены адресату (например, если не работает конечная система или сеть).

Напротив, протокол TCP ориентирован на установление соединений и обеспечивает взаимодействие между подключенными к сети хостами, используя пакеты. В TCP применяются сигналы квитирования, позволяющие проверить успешность транспортировки данных.

Использование сессий . Ориентированность TCP на соединения поддерживается сеансами между хостами. TCP использует идентификатор сеанса, позволяющий отслеживать соединения между двумя хостами. UDP не имеет поддержки сеансов из-за своей природы, не ориентированной на соединения.

Надежность . UDP не гарантирует, что адресату будет доставлена только одна копия данных. Чтобы отправить конечной системе большой объем данных, UDP разбивает его на небольшие части. UDP не гарантирует, что эти части будут доставлены по назначению в том же порядке, в каком они создавались в источнике. Напротив, TCP вместе с номерами портов использует порядковые номера и регулярно отправляемые подтверждения, гарантирующие упорядоченную доставку данных.

Безопасность . TCP более защищен, чем UDP. Во многих организациях брандмауэры и маршрутизаторы не пропускают пакеты UDP. Это связано с тем, что хакеры могут воспользоваться портами UDP, не устанавливая явных соединений.

Управление потоком . В UDP управление потоком отсутствует, в результате плохо спроектированное UDP-приложение может захватить значительную часть пропускной способности сети.

Преимущества UDP

По сравнению с TCP UDP имеет следующие преимущества:

Нет установки соединения . UDP является протоколом без организации соединений, поэтому он освобождает от накладных расходов, связанных с установкой соединений. Поскольку UDP не пользуется сигналами квитирования, то задержек, вызванных установкой соединений, также удается избежать. Именно поэтому DNS отдает предпочтение UDP перед TCP - DNS работала бы гораздо медленнее, если бы она выполнялась через TCP.

Скорость . UDP работает быстрее TCP. По этой причине многие приложения предпочитают не TCP, a UDP. Те же средства, которые делают TCP более устойчивым (например сигналы квитирования), замедляют его работу.

Топологическое разнообразие . UDP поддерживает взаимодействия "один с одним" и "один с многими", в то время как TCP поддерживает лишь взаимодействие "один с одним".

Накладные расходы . Работа с TCP означает повышенные накладные расходы, издержки, налагаемые UDP, существенно ниже. TCP по сравнению с UDP использует значительно больше ресурсов операционной системы, и, как следствие, в таких средах, где серверы одновременно обслуживают многих клиентов, широко используют UDP.

Размер заголовка . Для каждого пакета заголовок UDP имеет длину всего лишь восемь байтов, в то время как TCP имеет 20-байтовые заголовки, и поэтому UDP потребляет меньше пропускной способности сети.