11. Заголовок и протокол udp
11.1 Протокол udp
Протокол пользовательских дейтаграмм (User Datagram Protocol, UDP) описан в документе RFC 768. Протокол разработан для предоставления прикладным программам транспортных услуг. UDP, так же, как и IP, обеспечивает негарантированную доставку дейтаграмм получателю и не поддерживает установку соединений. В модели стека TCP/IP он располагается над протоколом IP.
Взаимодействие между прикладными программами и протоколом UDP осуществляется через так называемыепротокольные порты. Протокольные порты определяют соответствие между абстрактными точками доступа к протоколу UDP и конкретными прикладными программами. Механизм протокольных портов позволяет рабочей станции одновременно поддерживать несколько сеансов связи с удаленными компьютерами и программами в сети. Можно также сказать, что протокольный порт служит для указания программы-получателя информации. Когда рабочая станция получает дейтаграмму с ее IP-адресом, она направляет эту дейтаграмму конкретной программе, используя номер протокольного порта, который определяется во время установки сеанса связи. Следует отметить, что протокольные порты протокола UDP отличаются от протокольных портов протокола TCP.
Назначение портов происходит при участии сетевой операционной системы. Большинство операционных систем обеспечивают параллельный доступ к протокольным портам. Протокольный порт идентифицируется целым положительным числом. Для связи с протокольным портом на другой рабочей станции, отправитель должен знать IP-адрес получателя и номер порта на этой рабочей станции. Каждое сообщение содержит также номер протокольного порта отправляющей рабочей станции. Таким образом, прикладная программа, получающая сообщения, может напрямую ответить отправителю.
В стеке протоколов TCP/IP протокол UDP обеспечивает транспортный механизм, используемый прикладными программами для передачи дейтаграмм другим приложениям. Протокол UDP предоставляет протокольные порты, используемые для раздельной работы нескольких приложений, выполняющихся на одной рабочей станции. При этом приложения, использующие транспорт протокола UDP, должны сами обеспечивать надежность передачи сообщений. Каждое сообщение протокола UDP называется пользовательской дейтаграммой. Она состоит из двух частей: заголовка и области данных. Заголовок содержит четыре 16-битных поля, которые определяют протокольный порт отправителя, протокольный порт получателя, длину сообщения и контрольную сумму (рис. 11.1).
Рис. 11.1 Формат пользовательской дейтаграммы протокола UDP
Поля «Порт отправителя» и «Порт получателя» содержат 16-битные номера портов. Поле «Порт отправителя» может не использоваться, тогда оно должно содержать нули. Поле «Длина сообщения» указывает количество байтов в пользовательской дейтаграмме. При этом учитывается длина заголовка протокола UDP и длина поля данных.
Контрольная сумма пользовательской дейтаграммы может вычисляться, а может и не вычисляться. Нулевое поле «Контрольная сумма» означает, что контрольная сумма не вычислялась. Контрольная сумма, как правило, не вычисляется при работе протокола UDP в высоконадежной локальной сети. Однако в ненадежной сети только контрольная сумма может указать на достоверность и целостность пришедших данных — ведь протокол IP не вычисляет контрольную сумму поля данных IP-дейтаграмм. Для расчета контрольной суммы пользовательской дейтаграммы необходима дополнительная информация. Для этой цели к началу пользовательской дейтаграммы приписывают псевдозаголовок и добавляют в конец этой дейтаграммы байт, заполненный нулями, так, чтобы число бит во всем сообщении было кратно 16. После этого вычисляется контрольная сумма полученной дейтаграммы. Концевое дополнение из нулей и псевдозаголовок не передаются вместе с пользовательской дейтаграммой. Для вычисления контрольной суммы полученной пользовательской дейтаграммы сначала сохраняется ноль в поле «Контрольная сумма», затем вычисляется 16-битная сумма, включая псевдозаголовок, заголовок самой дейтаграммы и данных. При получении пользовательской дейтаграммы контрольная сумма должна проверяться. При этом используется IP-адрес назначения, полученный из заголовка IP-дейтаграммы, которая содержала пользовательскую дейтаграмму протокола UDP. Если контрольные суммы одинаковы, то пользовательская дейтаграмма действительно достигла нужного получателя и нужный протокольный порт на станции получателя. На рис. 11.2 показан формат псевдозаголовка.
Рис. 11.2 Формат псевдозаголовка
Псевдозаголовок имеет длину 12 байт. Поле «Протокол» содержит код типа протокола. Для проверки контрольной суммы получатель должен извлечь эти поля из IP-заголовка, сформировать свой псевдозаголовок и вычислить контрольную сумму. Данные протокола UDP инкапсулируются в IP-дейтаграммах при передаче их по сети (рис. 11.3 ).
Рис. 11.3 Cхема инкапсуляции сообщений UDP
Это означает, что только IP-заголовок определяет отправителя и получателя, а заголовок пользовательской дейтаграммы протокола UDP определяет протокольные порты приложений.
Протокол UDP принимает дейтаграммы от многих прикладных программ и передает их соответствующим прикладным программам на устройствах-получателях. Программное обеспечение UDP обеспечивает мультиплексирование и демультиплексирование дейтаграмм. Операционная система должна выделить каждой прикладной программе порт и сообщить ей его номер. После этого прикладная программа может посылать дейтаграммы с указанием номера протокольного порта. Протокол UDP принимает приходящие с уровня IP (в работе UDP принимают участие и сами дейтаграммы IP, см. выше) пользовательские дейтаграммы протокола UDP и демультиплексирует их по протокольным портам назначения. На рис. 11.4 показан пример демультиплексирования.
Рис. 11.4 общая схема демультиплексирования пользовательской дейтаграммы
Порт UDP можно представить в виде очереди. Операционная система создает внутреннюю очередь, которая хранит приходящие сообщения. Если поступило сообщение с номером протокольного порта, которого нет среди используемых протокольных портов, оно удаляется и высылается сообщение протокола ICMP «Получатель недостижим» с кодом «Порт недостижим».
Некоторые номера протокольных портов стандартизированы. Эти номера выделяет центральный орган — организация IANA (Internet Assigned Numbers Authority). Она регулярно публикует список назначений. Эти протокольные порты зарезервированы и их использование контролируется IANA. В большинстве систем они могут использоваться только системными процессами или программами, выполняемыми привилегированными пользователями. Несколько лет назад эти протокольные порты использовали диапазон номеров от 0 до 255. Однако недавно IANA расширила этот диапазон — теперь она отвечает за назначение портов с номерами от 0 до 1023.
Остальные порты могут назначаться динамически. Сетевое программное обеспечение назначает протокольный порт, когда программа в нем нуждается. Такие протокольные порты не контролируются IANA и могут свободно использоваться пользовательскими процессами. Номера этих протокольных портов лежат в диапазоне от 1024 до 65 535. Протокольные порты в диапазоне от 1024 до 5000 называются временными (ephemeral). Хотя IANA не контролирует использование этих протокольных портов, она поддерживает информацию о них в интересах сообщества пользователей Internet.
Для получения информации о текущем назначении протокольных портов необходимо послать соответствующий запрос.