TCP kontra UDP: demitologia debaty o niezawodności i wydajności

Dzisiaj skupimy się na protokole TCP. Wcześniej w rozdziale poświęconym warstwowaniu wspomnieliśmy o ważnej kwestii. W warstwie sieciowej i niższych, chodzi bardziej o połączenia między hostami, co oznacza, że ​​komputer musi wiedzieć, gdzie znajduje się inny komputer, aby się z nim połączyć. Jednak komunikacja w sieci jest często komunikacją międzyprocesową, a nie międzymaszynową. Dlatego protokół TCP wprowadza koncepcję portu. Port może być zajęty tylko przez jeden proces, co zapewnia bezpośrednią komunikację między procesami aplikacji działającymi na różnych hostach.

Zadaniem warstwy transportowej jest zapewnienie usług bezpośredniej komunikacji między procesami aplikacji działającymi na różnych hostach, dlatego nazywa się ją również protokołem end-to-end. Warstwa transportowa ukrywa podstawowe szczegóły sieci, umożliwiając procesowi aplikacji postrzeganie istnienia logicznego, kompleksowego kanału komunikacyjnego między dwoma elementami warstwy transportowej.

TCP to skrót od Transmission Control Protocol (protokół kontroli transmisji) i jest znany jako protokół zorientowany na połączenie. Oznacza to, że zanim jedna aplikacja będzie mogła rozpocząć wysyłanie danych do drugiej, oba procesy muszą przeprowadzić proces uzgadniania (handshake). Uzgadnianie to logicznie powiązany proces, który zapewnia niezawodną transmisję i uporządkowany odbiór danych. Podczas uzgadniania nawiązywane jest połączenie między hostem źródłowym a docelowym poprzez wymianę serii pakietów kontrolnych oraz uzgodnienie parametrów i reguł, aby zapewnić pomyślną transmisję danych.

Czym jest TCP? (Mylinking'sDotknij sieciIBroker pakietów sieciowychmógł przetwarzać pakiety TCP i UDP)
TCP (Transmission Control Protocol) to zorientowany na połączenie, niezawodny protokół komunikacyjny warstwy transportowej oparty na strumieniu bajtów.

Zorientowany na połączenie:Zorientowany na połączenie oznacza, że ​​komunikacja TCP jest komunikacją jeden do jednego, czyli komunikacją typu punkt-punkt-koniec, w przeciwieństwie do protokołu UDP, który może wysyłać wiadomości do wielu hostów jednocześnie, więc nie jest możliwa komunikacja typu jeden do wielu.
Niezawodny:Niezawodność protokołu TCP zapewnia, że ​​pakiety zostaną dostarczone do odbiorcy niezawodnie, niezależnie od zmian w łączu sieciowym, co sprawia, że ​​format pakietu protokołu TCP jest bardziej złożony niż format protokołu UDP.
Oparty na strumieniu bajtów:Oparta na strumieniu bajtów natura protokołu TCP pozwala na transmisję wiadomości o dowolnej wielkości i gwarantuje kolejność wiadomości: nawet jeśli poprzednia wiadomość nie została w całości odebrana, a kolejne bajty zostały odebrane, protokół TCP nie przekaże ich do warstwy aplikacji w celu przetworzenia i automatycznie odrzuci zduplikowane pakiety.
Po nawiązaniu połączenia przez hosta A i hosta B, aplikacja musi jedynie korzystać z wirtualnej linii komunikacyjnej do wysyłania i odbierania danych, zapewniając w ten sposób transmisję danych. Protokół TCP odpowiada za sterowanie zadaniami takimi jak nawiązywanie, rozłączanie i podtrzymywanie połączenia. Należy zauważyć, że w tym przypadku linia wirtualna oznacza jedynie nawiązanie połączenia, natomiast połączenie protokołu TCP oznacza jedynie, że obie strony mogą rozpocząć transmisję danych i zapewnić jej niezawodność. Węzły routingu i transportu są obsługiwane przez urządzenia sieciowe; sam protokół TCP nie zajmuje się tymi szczegółami.

Połączenie TCP to usługa pełnodupleksowa, co oznacza, że ​​host A i host B mogą przesyłać dane w obu kierunkach w ramach połączenia TCP. Oznacza to, że dane między hostem A i hostem B mogą być przesyłane dwukierunkowo.

Protokół TCP tymczasowo przechowuje dane w buforze nadawczym połączenia. Ten bufor nadawczy jest jedną z pamięci podręcznych konfigurowanych podczas trzyetapowego uzgadniania. Następnie, w odpowiednim momencie, protokół TCP prześle dane z bufora nadawczego do bufora odbiorczego hosta docelowego. W praktyce każdy komputer będzie miał bufor nadawczy i bufor odbiorczy, jak pokazano poniżej:

Bufor nadawania to obszar pamięci utrzymywany przez implementację protokołu TCP po stronie nadawcy, który służy do tymczasowego przechowywania danych do wysłania. Podczas trzyetapowego uzgadniania w celu nawiązania połączenia, pamięć podręczna nadawania jest konfigurowana i używana do przechowywania danych. Bufor nadawania jest dynamicznie dostosowywany w zależności od obciążenia sieci i informacji zwrotnych od odbiorcy.

Bufor odbiorczy to obszar pamięci utrzymywany przez implementację TCP po stronie odbiorczej, który służy do tymczasowego przechowywania odebranych danych. Protokół TCP przechowuje odebrane dane w pamięci podręcznej odbiorczej i czeka na ich odczyt przez aplikację nadrzędną.

Należy pamiętać, że rozmiar pamięci podręcznej wysyłania i odbioru jest ograniczony. Gdy pamięć podręczna jest pełna, protokół TCP może przyjąć pewne strategie, takie jak kontrola przeciążenia, kontrola przepływu itp., aby zapewnić niezawodną transmisję danych i stabilność sieci.

W sieciach komputerowych transmisja danych między hostami odbywa się za pomocą segmentów. Czym więc jest segment pakietu?

Protokół TCP tworzy segment TCP, czyli segment pakietu, dzieląc strumień przychodzący na fragmenty i dodając do każdego z nich nagłówki TCP. Każdy segment może być transmitowany tylko przez ograniczony czas i nie może przekroczyć maksymalnego rozmiaru segmentu (MSS). Podczas transmisji segment pakietu przechodzi przez warstwę łącza danych. Warstwa łącza danych ma maksymalną jednostkę transmisji (MTU), która określa maksymalny rozmiar pakietu, jaki może przejść przez warstwę łącza danych. Maksymalna jednostka transmisji jest zazwyczaj związana z interfejsem komunikacyjnym.

Jaka jest więc różnica pomiędzy MSS i MTU?

W sieciach komputerowych architektura hierarchiczna jest niezwykle ważna, ponieważ uwzględnia różnice między poszczególnymi poziomami. Każda warstwa ma inną nazwę; w warstwie transportowej dane nazywane są segmentem, a w warstwie sieciowej pakietem IP. Dlatego też Maksymalna Jednostka Transmisji (MTU) może być rozumiana jako maksymalny rozmiar pakietu IP, jaki może zostać przesłany przez warstwę sieciową, natomiast Maksymalny Rozmiar Segmentu (MSS) to pojęcie warstwy transportowej odnoszące się do maksymalnej ilości danych, jaką można przesłać jednocześnie w pakiecie TCP.

Należy pamiętać, że gdy maksymalny rozmiar segmentu (MSS) jest większy niż maksymalna jednostka transmisji (MTU), fragmentacja IP zostanie przeprowadzona na poziomie warstwy sieciowej, a protokół TCP nie podzieli większych danych na segmenty odpowiednie dla rozmiaru MTU. W warstwie sieciowej znajduje się sekcja poświęcona warstwie IP.