Wprowadzenie: Pocztówka Internetu

W świecie protokołów internetowych, jeśli TCP jest odpowiednikiem formalnej, śledzonej i wymagającej podpisu usługi kurierskiej, to User Datagram Protocol (UDP) jest prostą, pozbawioną fanaberii pocztówką. Piszesz swoją wiadomość, podajesz adres i wrzucasz ją do skrzynki. Zakładasz, że dotrze, ale nie masz potwierdzenia odbioru, gwarancji, że się nie zgubi, ani pewności, czy dotrze przed inną pocztówką, którą wysłałeś w tym samym czasie.

Może to brzmieć wadliwie, ale ta prostota jest największą siłą UDP. UDP jest podstawowym członkiem Stosu Protokołów Internetowych i działa w Warstwie Transportowej, tak samo jak TCP. Służy jednak zupełnie innemu celowi. Podczas gdy TCP dokłada wszelkich starań, aby każdy bajt został dostarczony niezawodnie i w odpowiedniej kolejności, UDP rezygnuje z całego tego narzutu. Zapewnia minimalistyczny mechanizm wysyłania wiadomości, zwanych datagramami, z jednej aplikacji do drugiej.

UDP dokonuje świadomego kompromisu: poświęca niezawodność, uporządkowanie i kontrolę przepływu TCP w zamian za szybkość, niskie opóźnienia i minimalny narzut. Dla wielu nowoczesnych aplikacji internetowych jest to dokładnie właściwy wybór. Aplikacje wrażliwe na opóźnienia, takie jak streaming wideo czy gry online, często preferują szybkość UDP nad gwarancjami TCP, decydując się na samodzielne obsługiwanie ewentualnych strat danych na warstwie aplikacji. UDP to protokół na sytuacje, w których szybkie dostarczenie danych jest ważniejsze niż zagwarantowanie, że każdy pojedynczy fragment danych dotrze idealnie.

Podstawowe Cechy Protokołu UDP

UDP jest zdefiniowany przez to, czego nie robi. Jego minimalistyczny projekt odzwierciedla się w jego podstawowych cechach, które stoją w ostrym kontraście do cech TCP.

• Bezpołączeniowy

  UDP jest protokołem bezpołączeniowym. W przeciwieństwie do TCP, nie ma formalnego procesu ustanawiania połączenia przed wysłaniem danych. Nie ma trójetapowego uzgadniania. Aplikacja używająca UDP może po prostu stworzyć datagram, dodać adres docelowy i port, i wysłać go w sieć. Pierwszy pakiet wysłany do serwera to same dane.

  Analogia z pocztówką działa tu idealnie. Nie musisz dzwonić do odbiorcy, aby potwierdzić, że jest gotów odebrać pocztówkę; po prostu ją wysyłasz. Brak fazy nawiązywania połączenia znacznie zmniejsza początkowe opóźnienie komunikacji.

• Niezawodne Dostarczanie na Zasadzie Najlepszego Wysiłku

  To najważniejsza cecha UDP. Działa on w modelu najlepszego wysiłku (ang. best-effort). Oznacza to, że UDP i bazowa sieć IP dołożą wszelkich starań, aby dostarczyć Twój datagram, ale nie oferują absolutnie żadnych gwarancji. UDP nie implementuje:

  • Potwierdzeń: Odbiorca nie odsyła żadnego potwierdzenia do nadawcy, że datagram został odebrany.
  • Retransmisji: Jeśli datagram zaginie w tranzycie, UDP go automatycznie nie retransmituje. Dane po prostu przepadają.
  • Porządkowania Danych: Datagramy UDP są wysyłane jako niezależne jednostki. Jeśli wyślesz datagram A, a potem datagram B, sieć może dostarczyć B przed A, dostarczyć oba, lub żaden. UDP nie robi nic, aby je uporządkować w miejscu docelowym.
• Niski Narzut i Wysoka Szybkość

  Główną korzyścią z poświęcenia niezawodności jest minimalny narzut. Nagłówek TCP jest skomplikowany i ma co najmniej 20 bajtów. Nagłówek UDP jest niezwykle prosty i ma stały rozmiar zaledwie 8 bajtów. Oznacza to, że z każdym fragmentem danych aplikacji wysyłanych jest mniej danych kontrolnych, co skutkuje wyższą wydajnością.

  Ponadto, brak stanu połączenia, liczników retransmisji, śledzenia potwierdzeń i buforów okienkowych oznacza, że system może wysyłać i przetwarzać datagramy UDP przy znacznie mniejszym wysiłku obliczeniowym i zużyciu pamięci, co prowadzi do wyższych prędkości i niższych opóźnień.

• Brak Kontroli Przepływu i Przeciążenia

  UDP nie ma wbudowanych mechanizmów kontroli przepływu ani kontroli przeciążenia. Aplikacja używająca UDP może wysyłać dane tak szybko, jak chce, niezależnie od zdolności odbiorcy do ich przetwarzania czy ogólnego przeciążenia w sieci. Może to być zarówno korzyścią (dla aplikacji, które muszą utrzymywać stałą szybkość wysyłania), jak i zagrożeniem (ponieważ źle zachowująca się aplikacja UDP mogłaby zalać sieć i sprawić problemy innym użytkownikom). Z tego powodu aplikacje zbudowane na UDP często muszą implementować własne mechanizmy kontroli.

Nagłówek UDP: Wzór Prostoty

Minimalistyczna filozofia UDP jest doskonale uchwycona w formacie jego nagłówka. Zawiera on tylko cztery pola, każde o długości 16 bitów (2 bajty), co daje łączny stały rozmiar nagłówka 8 bajtów.

Szczegółowy Opis Pól

Kiedy UDP Jest Właściwym Wyborem? Aplikacje i Przypadki Użycia

Konstrukcja UDP sprawia, że jest on idealny dla aplikacji, w których terminowość jest ważniejsza niż doskonała niezawodność, lub gdzie aplikacja sama woli zarządzać niezawodnością.

Kwestia Niezawodności: Czy UDP Może Być Niezawodny?

Niezawodność UDP to nie wyrok, to wybór. UDP przekazuje odpowiedzialność za niezawodność warstwie aplikacji. Oznacza to, że deweloperzy mogą, i często to robią, budować własne mechanizmy niezawodności na szybkiej usłudze datagramowej UDP.

Aplikacja może zaimplementować własny, niestandardowy system numerów sekwencyjnych, potwierdzeń i liczników retransmisji. Daje to ogromną elastyczność. Na przykład gra może potrzebować niezawodnego przesyłania wiadomości na czacie, jednocześnie zawodnie przesyłając pozycje graczy. Budując na UDP, deweloper może stworzyć system hybrydowy, zapewniając retransmisję utraconych wiadomości czatu, podczas gdy aktualizacje pozycji nie będą retransmitowane. Ta selektywna niezawodność, dostosowana do specyficznych potrzeb aplikacji, jest niemożliwa do osiągnięcia przy uniwersalnym podejściu TCP.

Ta filozofia używania UDP jako bazy i budowania na nim inteligentniejszych protokołów to przyszłość transportu internetowego. Najwybitniejszym przykładem jest QUIC (Quick UDP Internet Connections), protokół stanowiący podstawę HTTP/3. QUIC działa na UDP i reimplementuje wiele funkcji TCP, takich jak niezawodność i kontrola przeciążenia, ale w sposób bardziej wydajny i elastyczny, który unika wielu historycznych problemów TCP.