Wprowadzenie: Prosta Etykieta Pocztówki

Jeśli segment TCP jest jak paczka rejestrowana ze szczegółowym, wielostronicowym listem przewozowym, to datagram UDP jest odpowiednikiem prostej pocztówki. Nagłówek TCP to ten długi list przewozowy, pełen numerów śledzenia, potwierdzeń i informacji o kontroli przepływu. W ostrym kontraście, nagłówek UDP to mała, minimalistyczna etykieta, którą naklejasz na pocztówkę.

Nagłówek UDP jest doskonałym odzwierciedleniem filozofii projektowej tego protokołu: rób absolutne minimum wymagane do dostarczenia wiadomości z aplikacji na jednym komputerze do aplikacji na innym. Nie zawiera on pól do sekwencjonowania, potwierdzeń czy zarządzania oknem. Jego cel jest sprowadzony do absolutnych podstaw komunikacji na warstwie transportowej.

Ta prostota nie jest wadą; to cecha. Mały, stały rozmiar nagłówka oznacza bardzo mały narzut. Mniej danych musi być przetwarzanych zarówno przez nadawcę, jak i odbiorcę, a mniej przepustowości jest zużywane na informacje kontrolne, co przekłada się bezpośrednio na większą szybkość i mniejsze opóźnienia. Każde pojedyncze pole w nagłówku UDP ma jasny, niezbędny cel związany z adresowaniem i podstawowym sprawdzaniem błędów. Zbadajmy elegancką prostotę jego czterech komponentów.

Ogólna Struktura Nagłówka UDP

Nagłówek UDP jest niezwykle mały i spójny. Zawsze ma długość 8 bajtów (64 bity). Ten stały rozmiar upraszcza przetwarzanie, ponieważ urządzenia nie muszą analizować nagłówka o zmiennej długości, jak w przypadku TCP. Nagłówek składa się z czterech pól, z których każde zajmuje 2 bajty (16 bitów).

Cały pakiet wysyłany przez UDP nazywany jest datagramem UDP. Składa się z dwóch części: zwięzłego 8-bajtowego nagłówka UDP, po którym następują dane aplikacji, czyli ładunek.

Szczegółowy Opis Pól Nagłówka UDP

Przeanalizujmy każde z czterech pól i jego kluczową rolę w protokole UDP.

Dogłębnie: Suma Kontrolna UDP i Pseudo-Nagłówek

Pole Sumy Kontrolnej (16 bitów) to jedyna forma ochrony integralności oferowana przez UDP. Chociaż prosta, jej implementacja zawiera sprytny mechanizm chroniący przed czymś więcej niż tylko przypadkowymi odwróceniami bitów.

Cel Sumy Kontrolnej

Suma kontrolna UDP to kod wykrywający błędy, a nie je korygujący. Jej celem jest umożliwienie odbiorcy ustalenia, czy datagram został uszkodzony podczas transportu. Jeśli odbiorca obliczy sumę kontrolną, która nie pasuje do wartości w nagłówku, cicho odrzuca datagram. Żadna wiadomość o błędzie nie jest odsyłana do nadawcy; dane są po prostu porzucane.

Obliczenia wykorzystują tę samą arytmetykę dopełnień do jedności, co suma kontrolna TCP/IP.

Kluczowa Rola Pseudo-Nagłówka

Obliczenia sumy kontrolnej nie obejmują tylko nagłówka UDP i jego ładunku. Aby dodać dodatkową warstwę ochrony, obliczenia obejmują również koncepcyjną strukturę danych znaną jako Pseudo-Nagłówek UDP. Ten pseudo-nagłówek nie jest częścią rzeczywistego datagramu UDP i nie jest przesyłany przez sieć; jest on tymczasowo tworzony zarówno przez nadawcę (do obliczeń), jak i przez odbiorcę (do weryfikacji).

Pseudo-nagłówek dla IPv4 składa się z:

• Źródłowego Adresu IP (32 bity)
• Docelowego Adresu IP (32 bity)
• Pola składającego się z samych zer (8 bitów)
• Numeru Protokołu (8 bitów - jego wartość to 17 dla UDP)
• Długości UDP (16 bitów - skopiowane z nagłówka UDP)

Dlaczego jest to ważne? Włączając źródłowe i docelowe adresy IP do obliczeń sumy kontrolnej, UDP chroni przed błędnym dostarczeniem. Wyobraź sobie, że awaria routera powoduje dostarczenie pakietu IP do niewłaściwego komputera. Gdyby suma kontrolna była obliczana tylko na nagłówku UDP i danych, niewłaściwy odbiorca mógłby uznać sumę kontrolną za prawidłową i omyłkowo przekazać uszkodzone dane do jednej ze swoich aplikacji. Ponieważ niewłaściwy host będzie miał inny adres IP, jego obliczenie sumy kontrolnej (które uwzględnia adresy IP z pseudo-nagłówka) nie powiedzie się, a on poprawnie odrzuci błędnie dostarczony datagram. W przypadku IPv6 pseudo-nagłówek jest podobny, ale używa 128-bitowych adresów IPv6.

Użycie Opcjonalne a Obowiązkowe

Istnieje istotna różnica w sposobie użycia sumy kontrolnej między IPv4 a IPv6:

• W IPv4, suma kontrolna UDP jest opcjonalna. Nadawca może zdecydować o nieobliczaniu sumy kontrolnej, ustawiając to pole na same zera. Historycznie robiono to w celu zaoszczędzenia kilku cykli procesora na wolnych urządzeniach, zakładając, że warstwa łącza danych (np. Ethernet ze swoim CRC) i tak wyłapie większość błędów.
• W IPv6, suma kontrolna UDP jest obowiązkowa. Ta zasada została zmieniona, ponieważ doświadczenie pokazało, że uszkodzenie danych może wystąpić na każdej warstwie, w tym wewnątrz routerów, gdzie kontrole warstwy łącza nie mają zastosowania. Wymuszenie jej użycia zapewnia niezbędną integralność danych od końca do końca.

Nagłówek UDP vs TCP: Ostateczne Porównanie

Kontrast między nagłówkami UDP i TCP zawiera w sobie podstawowe filozofie tych dwóch protokołów.

Ostatecznie nagłówek UDP dostarcza tylko tyle informacji, ile potrzeba, aby dostarczyć samowystarczalny datagram do właściwej aplikacji i przeprowadzić podstawowe sprawdzenie uszkodzeń. Wszystkie inne złożoności są celowo pozostawione aplikacji, co czyni UDP prostym, szybkim i wysoce elastycznym fundamentem dla określonych typów komunikacji sieciowej.