Зачем нужен udp если есть tcp

TCP и UDP — что это такое? В чем разница между этими протоколами?

Обмен данными между устройствами, подключенными к всемирной паутине, осуществляется с помощью набора протоколов TCP/IP. Этот стек использует разный перечень протоколов, включая UDP и TCP. Специалисты, ответственные за разработку и наладку частных/корпоративных сетей, досконально понимают разницу между ними, но с точки зрения простого пользователя назначение этих протоколов, а также разница между ними, вызывает целый ряд вопросов.

Протоколы UDP и TCP – в чем разница?

Несмотря на то, что протоколы UDP и TCP ориентированы на выполнение одной задачи – передачу данных, между ними существует ряд принципиальных отличий.

1. Процесс установки соединения. В UDP в нем нет необходимости, в то время как TCP нуждается в обязательной процедуре начала сеанса, состоящей из трех этапов.
2. Гарантия обмена трафиком. TCP отправляет запрос на предмет целостности данных – если в ответ поступает запрос о потерянных пакетах, они будут отправлены повторно. За счет этого обеспечивается абсолютная гарантия целостной передачи. Использование UDP, в свою очередь, может привести к потере некоторого количества пакетов.
3. Управление и контроль потока. TCP осуществляет комплексный контроль и управление потоком информации, а в UDP это не нужно.
4. Порядок доставки. Специфика TCP заключается в том, что все пакеты отправляются в формате строгой очередности. UDP доставляет сообщения в виде не упорядоченных датаграмм.
5. Уведомление о перегрузках. Если в рамках передачи данных возникнут перегрузки, TCP отправит соответствующее уведомление. Протокол UDP не предоставляет какой-либо защиты от перегрузки.
6. Сохранение границ переданных сообщений. Протокол TCP хоть и не может сохранить границы переданных сообщений, предоставляет гарантию их целостности. Применение протокола UDP предусматривает сохранение границ каждой пересланной датаграммы.
7. Функция сборки и сегментации пакетов передаваемой информации. Поддерживается только в рамках протокола TCP.
8. Процедура проверки достижимости. Является обязательной только для протокола TCP, в то время как протокол UDP физически не поддерживает ее.
9. Взаимодействие с соединениями полуоткрытого типа. В рамках протокола TCP никогда не происходит повторная синхронизация. А вот протокол UDP устанавливает соединение методом повторной передачи запроса к конечному пользователю.

Что такое TCP?

TCP-протокол – это виртуальный канал, сформированный между двумя или более узлами. Его работоспособность становится возможной, если заранее установить соединение – в противном случае передача информационных пакетов будет невозможной. С помощью протокола TCP реализуется надежная передача большого объема данных к разнообразным пользовательским устройствам.

Чтобы обеспечить надежное соединение, протокол TCP предусматривает трехэтапный запуск сеанса связи. Клиент и сервер должны передавать значения ISN и порта. Еще одна отличительная особенность протокола TCP заключается в использовании контрольной суммы, с помощью которой система проверяет, правильно ли передана информация конечному пользователю.

Приложения для TCP

Протокол TCP используют следующие приложения:

Из этого следует, что протокол TCP пользуется популярностью среди приложений, работающих с массивом данных, разрыв которых нужно полностью исключить. Программы для загрузки файлов, отправки сообщений – это лишь малая часть программного обеспечения, построенного на базе протокола TCP.

UDP протокол — что это такое?

В рамках протокола UDP данные передаются между узлами с помощью специальных пакетов данных, не требующих проверки. При этом гарантии их получения не требуется. Данная технология не предусматривает удаление дубликатов пакетов, мониторинг и контроль их текущего расположения.

С одной стороны, специалисты в области компьютерных сетей вполне заслуженно считают UDP ненадежным протоколом. С другой, это не просто важное, а незаменимое решение для приложений, работающих в режиме реального времени, интернет-телевидения, технологии VOIP, игр по сети и так далее. Благодаря возможностям протокола UDP пропадает необходимость проводить первичную проверку соединения, соблюдения целостности и порядка структуры данных. Если какая-либо датаграмма (пакет без проверки) потеряется, происходит ее автоматический сброс. Это положительно сказывается на скорости передачи данных через сеть интернет.

Приложения для UDP

Протокол UDP незаменим для приложений, с помощью которых происходит передача мультимедийной информации, включая интернет-телевидение, интернет-телефонию и так далее. Некоторое количество данных все же может быть потеряно, но это будет сложно заметить на практике. Яркий пример – изменение качества видеоряда и звука в худшую сторону. Вот почему популярные специализированные программы заранее предлагают своим пользователям выбрать оптимальное разрешение.

Применение TCP

Из сказанного выше следует, что TCP – это протокол повышенной сложности, работа которого сопровождается большими тратами времени. Причиной этого является механизм синхронизации между узлами. При этом основное преимущество данного протокола заключается в гарантии доставки пакетов, благодаря чему эта функциональность не включается в структуру прикладного протокола.

Кроме того, применение протокола TCP является гарантией надежности доставки. В случае некорректной отправки сообщения пользователь всегда получит соответствующее уведомление в виде окна с информацией о возникшей ошибке.

Применение UDP

UDP, в свою очередь, является протоколом, обладающим высокой скоростью передачи данных. Все дело в том, что в его основу заложен минималистичный механизм, без которого не обходится ни одна передача данных. Естественно, для него характерен целый ряд недостатков. Поступление передаваемых данных происходит в хаотичном порядке – не факт, что первый пакет из общего списка не окажется последним.

Гарантии доставки передаваемой информации нет, поэтому не исключено, что в ответ пользователь получит один пакет в виде двух копий. Возникновение подобной ситуации возможно в том случае, если один адрес для отправки сопровождается двумя разными маршрутами.

Выводы

UDP – протокол, который обеспечивает высокую скорость отправки пакетов данных, но без гарантии их доставки. Если для конечного пользователя важна надежность доставки с сохранением порядка отправки данных, придется переходить на использование протокола TCP. Применение протокола UDP актуально, если проводится групповая и широковещательная передача данных. Вот почему он пользуется большой популярностью в области потокового интернет-видео, а также в игровой индустрии.

Пожалуйста, оставляйте свои мнения по текущей теме материала. Мы очень благодарим вас за ваши комментарии, дизлайки, отклики, подписки, лайки!

HackWare.ru

Этичный хакинг и тестирование на проникновение, информационная безопасность

Транспортные протоколы TCP и UDP

Оглавление: Компьютерные сети

6. Канальный уровень передачи данных

7. Маршрутизация данных

8. Служебный протокол ICMP

10. Настройка сетевых подключений в командной строке Linux

11. Определение проблем работы сети

12. Туннелизация

Сходства и различия TCP и UDP

В первой части «Как работают компьютерные сети» мы узнали, что для передачи информации используются транспортные протоколы TCP и UDP. В физическом смысле эти протоколы представляют собой сетевые пакеты. Каждый сетевой пакет передаёт небольшой фрагмент информации, поэтому данные разбиваются на много пакетов.

Каждый сетевой пакет обоих протоколов TCP и UDP состоит из двух частей:

• заголовок
• непосредственно данные

В заголовке содержится «служебная информация» (можно сказать, что это метаданные) — порты пункта назначения и исходного узла, номер пакета в потоке, тип пакета и так далее.

Различие между протоколами TCP и UDP в том, что протокол TCP имеет механизм контроля полноты переданных данных — если какой-либо пакет был потерян или повреждён, то предусмотрен механизм для проверки этого факта и повторной отправки пакета. В протоколе UDP такого механизма нет — то есть если потерян пакет протокола UDP, то узел, который его отправил, никогда об этом не узнает, а принимающая сторона никогда не узнает, что ей был отправлен потерянный пакет UDP.

Может возникнуть вопрос, зачем вообще нужен такой ненадёжный протокол UDP, если есть надёжный протокол TCP? Платой за надёжность протокола TCP является то, что в бухгалтерии называется «накладные расходы» (overheads) — суть в том, что для обеспечения механизма контроля доставки пакетов в протоколе TCP отправляется много данных, которые не содержат полезной информации, а служат только для установки и контроля соединения. К примеру, чтобы отправить хотя бы одни пакет с полезными данными в TCP нужно завершить трёхступенчатое рукопожатие, которое заключается в отправке 1 особого пакета от источника к пункту назначения, получения 1 пакета о возможности установить соединения и отправки ещё 1 специального пакета от источника с подтверждением, что всё готово к отправке — за это время с помощью протокола UDP можно было бы отправить уже несколько пакетов с полезными данными.

По этой причине, оба протокола TCP и UDP являются «хорошими» — важно правильно их использовать. Например, при потоковом вещании видео неважно, какой пакет был потерян секунду или две назад. Но при открытии веб-страницы, когда из-за неполных данных могут возникнуть проблемы с обработкой запроса от HTTP протокола, напротив, нужно следить за доставкой и целостностью каждого пакета с данными.

Детальное понимание TCP и UDP имеет значение при:

• анализе сетевого трафика
• настройке сетевого файервола iptables
• понимания и защиты от DoS атак некоторого вида.

К примеру, понимая механизм TCP подключения, можно настроить файлервол (iptables) так, что будут запрещены все новые подключения с сохранением существующих, либо запретить любые входящие подключения с полным разрешением исходящих, понимать и предотвращать ряд DoS атак, понимать SYN и другие виды сканирований — почему они возможны и каков их механизм и т.д..

Протокол TCP

Transmission Control Protocol (TCP, протокол управления передачей) — один из основных протоколов передачи данных интернета, предназначенный для управления передачей данных.

Из-за перегрузки сети, балансировки нагрузки трафика или непредсказуемого поведения сети, IP-пакеты могут быть потеряны, дублированы или доставлены не в неправильном порядке. TCP обнаруживает эти проблемы, запрашивает повторную передачу потерянных данных, переупорядочивает неупорядоченные данные и даже помогает минимизировать перегрузку сети, чтобы уменьшить возникновение других проблем. Если данные все ещё остаются недоставленными, источник уведомляется об этом сбое. После того, как получатель TCP собрал последовательность первоначально переданных октетов, он передаёт их принимающему приложению. Таким образом, TCP абстрагирует связь приложения от базовых сетевых деталей.

TCP широко используется во многих интернет-приложениях, включая World Wide Web (WWW), электронную почту, протокол передачи файлов, Secure Shell, одноранговый обмен файлами и потоковое мультимедиа.

Протокол TCP оптимизирован для точной доставки, а не для своевременной доставки, и может вызывать относительно длительные задержки (порядка секунд) при ожидании сообщений, вышедших из строя или повторных передач потерянных сообщений. Поэтому он не особенно подходит для приложений реального времени, таких как передача голоса по IP.

Итак, механизм TCP предоставляет поток данных с предварительной установкой соединения, осуществляет повторный запрос данных в случае потери данных и устраняет дублирование при получении двух копий одного пакета, гарантируя тем самым, в отличие от UDP, целостность передаваемых данных и уведомление отправителя о результатах передачи.

Алгоритм работы TCP следующий:

1. Устанавливается трёхэтапное рукопожатие между двумя узлами. На этом этапе узлы согласуют два числа — начальные номера первого пакета для каждого из узлов.
2. При отправке пакетов узлы последовательно номеруют их, то есть каждому сетевому пакету присвоен один из последовательных номеров.
3. В дополнении к номеру, для каждого пакета рассчитывается контрольная сумма. Получив пакет, вновь рассчитывается контрольная сумма для полученных данных — если она не совпадает, значит пакет был повреждён при передаче.
4. Итак, поскольку все пакеты имеют последовательные номера, то становится видно если какие-то из них отсутствуют. В этом случае отправляется запрос на повторную отправку пакета.
5. Если для какого-то пакета не совпала контрольная сумма, то отправляется запрос на повторную отправку пакета.

В общем, используя два простых механизма — контрольную сумму и последовательную нумерацию каждого пакета — удаётся достичь надёжности передачи данных и возможности организовать их в правильную последовательность независимо от того, в каком порядке они доставлены.

Всё это возможно с помощью заголовков TCP пакета.

Что такое 1 соединение TCP

Прежде чем изучить структуру заголовка TCP пакета, разберёмся, что такое 1 TCP соединение — это поможет яснее понимать, что именно мы анализируем в Wireshark и сколько TCP соединений нам нужно искать. К примеру, сколько TCP соединений задействуется при открытии 1 страницы веб-сайта? Типичный веб-сайт состоит из 1 страницы HTML кода, нескольких страниц каскадных таблиц стилей CSS и JavaScript файлов, а также пары десятков файлов изображений. Так вот, для получения каждого из этих файлов создаётся новое TCP соединеие. Для каждого из этих соединений выполняется трёхэтапное рукопожатие — это к вопросу о том, какие издержки, «накладные расходы» несёт в себе TCP.

То есть при открытии страницы веб-сайта браузер делает первое TCP подключение и получает исходный код веб страницы. В данном коде браузер находит ссылки на файлы стилей, скриптов, картинок — для каждого из этого файлов запускается новое TCP соединение.

Поэтому при анализе трафика в Wireshark при открытии даже одной веб страницы вы увидите множество начатых и завершённых TCP соединений.

Заголовок TCP

Сдвиг	Октет	0								1								2								3
Октет	Биты	7	6	5	4	3	2	1	0	7	6	5	4	3	2	1	0	7	6	5	4	3	2	1	0	7	6	5	4	3	2	1	0
0	0	Порт источника, Source port																Порт назначения, Destination port
4	32	Порядковый номер, Sequence Number (SN)
8	64	Номер подтверждения, Acknowledgment Number (ACK SN) (если установлен ACK)
12	96	Длина заголовка, (Data offset)				Зарезервировано 0 0 0			Размер Окна, Window Size
16	128	Контрольная сумма, Checksum																Указатель важности, Urgent pointer (если установлен флаг URG)
20 …	160 …	Опции (необязательное, но используется практически всегда) (если data offset > 5. добивается до конца «0» байтами при необходимости) … Поле Заполнение (Padding)
160/192+	Данные

• Порт источника — биты 0-15. Это порт источника пакета. Исходный порт изначально был связан напрямую с процессом в отправляющей системе. Сегодня мы используем хеш между IP-адресами и портами назначения и порта источника для достижения этой уникальности, которую мы можем привязать к одному приложению или программе.
• Порт назначения — биты 16-31. Это порт назначения пакета TCP. Как и в случае с портом-источником, он изначально был напрямую связан с процессом в принимающей системе. Сегодня вместо этого используется хеш, который позволяет нам иметь больше открытых соединений одновременно. Когда пакет получен, порты назначения и исходные порты возвращаются в ответе обратно к первоначально отправляющему хосту, так что порт назначения теперь является портом источника, а порт источника является портом назначения.

Порт источника и порт назначения не обязаны быть одинаковыми: к примеру, если делается запрос к 80-му порту сервера, то этот запрос может прийти, например, с порта 34054.

Номера портов на сервере могут использоваться как стандартные, так и произвольные.

• Порядковый номер (Sequence number) — биты 32-63. Поле порядкового номера используется для установки номера в каждом TCP-пакете, чтобы можно было правильно упорядочить поток TCP (например, пакеты приводятся к правильному порядку). Затем в поле ACK возвращается порядковый номер, чтобы подтвердить, что пакет был принят правильно.

Указывает на количество переданных байт, и каждый переданный байт полезных данных (payload) увеличивает это значение на 1.

Если установлен флаг SYN (идёт установление сессии), то поле содержит изначальный порядковый номер — ISN (Initial Sequence Number). В целях безопасности это значение генерируется случайным образом и может быть равно от 0 до 2 32 -1 (4294967295). Первый байт полезных данных в устанавливающейся сессии будет иметь номер ISN+1.

В противном случае, если SYN не установлен, первый байт данных, передаваемый в данном пакете, имеет этот порядковый номер.

• Номер подтверждения (Acknowledgment Number (ACK SN)) — биты 64-95. Это поле используется, когда мы подтверждаем определённый пакет, полученный хостом. Например, мы получаем пакет с одним установленным порядковым номером, и если с пакетом все в порядке, мы отвечаем пакетом ACK с номером подтверждения, равным оригинальному порядковому номеру.

Если установлен флаг ACK, то это поле содержит порядковый номер октета, который отправитель данного сегмента желает получить. Это означает, что все предыдущие октеты (с номерами от ISN+1 до ACK-1 включительно) были успешно получены.

Каждая сторона подсчитывает свой Sequence number для переданных данных и отдельно Acknowledgement number для полученных данных. Соответственно Sequence number каждой из сторон соответствует Acknowledgement number другой стороны.

• Длина заголовка (смещение данных) — биты 96-99. В этом поле указывается длина заголовка TCP пакета и где начинаются фактические данные (полезная нагрузка). Поле имеет размер в 4 бита и указывает заголовок TCP в 32-битных словах. Заголовок должен всегда заканчиваться чётной 32-битной границей, даже с различными установленными опциями (опции могут отсутствовать вовсе, либо их количество может различаться). Это возможно благодаря полю Padding в самом конце заголовка TCP.

Минимальный размер заголовка составляет 5 слов, а максимальный — 15 слов, что даёт минимальный размер 20 байтов и максимум 60 байтов, что позволяет использовать до 40 байтов опций в заголовке. Это поле получило такое имя (смещение данных) из-за того, что оно также показывает расположение фактических данных от начала сегмента TCP.

Итак, длина заголовка определяет смещение полезных данных относительно начала сегмента. Например, Data offset равное 1111 говорит о том, что заголовок занимает пятнадцать 32-битных слова (15 строк*32 бита в каждой строке/8 бит = 60 байт).

• Зарезервировано — биты 100-102. Эти биты зарезервированы для будущего использования.
• Флаги (управляющие биты)
• NS — бит 103. ECN-nonce — concealment protection
• CWR (Congestion Window Reduced) — бит 104. Поле «Окно перегрузки уменьшено» — флаг установлен отправителем, чтобы указать, что получен пакет с установленным флагом ECE
• ECE — бит 105. ECE (ECN-Echo) — Поле «Эхо ECN» — указывает, что данный узел способен на ECN (явное уведомление перегрузки) и для указания отправителю о перегрузках в сети (RFC 3168)
• URG — бит 106. Поле «Указатель важности» задействовано. Если установлено значение 0, не используется Urgent Pointer, если установлено значение 1, то используется Urgent Pointer.
• ACK — бит 107. Этот бит устанавливается для пакета, чтобы указать, что это ответ на другой полученный нами пакет, содержащий данные. Пакет подтверждения всегда отправляется, чтобы указать, что мы фактически получили пакет, и что он не содержит ошибок. Если этот бит установлен, исходный отправитель данных проверит номер подтверждения, чтобы увидеть, какой пакет фактически подтверждён, а затем выгрузит его из буферов.
• PSH — бит 108. Флаг PUSH используется для указания протоколу TCP на любых промежуточных хостах отправлять данные фактическому пользователю, включая реализацию TCP на принимающем хосте. Это протолкнёт все данные, независимо от того, где и сколько из окна TCP было уже передано.
• RST — бит 109. Флаг RESET установлен, чтобы сообщить другому концу разорвать TCP-соединение. Это делается в нескольких различных сценариях, основными причинами которых является то, что соединение по какой-то причине разорвалось, если соединение не существует или если пакет каким-то образом неправильный.
• SYN — бит 110. SYN (или синхронизация номеров последовательности) используется во время первоначального установления соединения. Он устанавливается в двух экземплярах соединения: начальный пакет, который открывает соединение, и ответный пакет SYN/ACK. Он никогда не должен использоваться за пределами этих случаев.
• FIN — бит 111. Бит FIN указывает, что у хоста, который отправил бит FIN, больше нет данных для отправки. Когда другой конец увидит бит FIN, он ответит FIN/ACK. Как только это будет сделано, хост, который первоначально отправил бит FIN, больше не сможет отправлять какие-либо данные. Однако другой конец может продолжать отправлять данные до тех пор, пока они не будет завершаться, и затем отправит пакет FIN обратно и дождётся окончательного FIN/ACK, после чего соединение отправляется в состояние CLOSED.
• Размер окна (Window Size) — биты 112-127. Window Size определяет количество байт данных (payload), после передачи которых отправитель ожидает подтверждения от получателя, что данные получены. Иначе говоря, получатель пакета располагает для приёма данных буфером длиной «размер окна» байт.

По умолчанию размер окна измеряется в байтах, поэтому ограничен 2 16 (65535) байтами. Однако благодаря TCP опции Window scale option этот размер может быть увеличен до 1 Гбайта. Чтобы задействовать эту опцию, обе стороны должны согласовать это в своих SYN сегментах.

• Контрольная сумма — биты 128-143. Поле контрольной суммы — это 16-битное дополнение к сумме всех 16-битных слов заголовка (включая псевдозаголовок) и данных. Если сегмент, по которому вычисляется контрольная сумма, имеет длину не кратную 16-битам, то длина сегмента увеличивается до кратной 16-ти, за счёт дополнения к нему справа нулевых битов заполнения. Биты заполнения (0) не передаются в сообщении и служат только для расчёта контрольной суммы. При расчёте контрольной суммы значение самого поля контрольной суммы принимается равным 0.
• Указатель важности (Urgent pointer) — биты 144-159. 16-битовое значение положительного смещения от порядкового номера в данном сегменте. Это поле указывает порядковый номер октета, которым заканчиваются важные (urgent) данные. Поле принимается во внимание только для пакетов с установленным флагом URG. Используется для внеполосных данных.
• Опции — биты 160-**. Могут применяться в некоторых случаях для расширения протокола. Иногда используются для тестирования. На данный момент в опции практически всегда включают 2 байта NOP (в данном случае 0x01) и 10 байт, задающих timestamps. Вычислить длину поля опции можно через значение поля смещения.

Поле Options является полем переменной длины и содержит необязательные заголовки, которые мы можем захотеть использовать. По сути, это поле всегда содержит 3 подполя. В начальном поле указывается длина поля «Параметры», во втором поле указывается, какие параметры используются, а затем у нас есть фактические параметры. Полный список всех опций TCP можно найти в опциях TCP.

• Заполнение (Padding) — биты**. Поле Заполнение дополняет заголовок TCP, пока весь заголовок не закончится на 32-разрядной границе. Это гарантирует, что часть данных пакета начинается с 32-разрядной границы, и данные в пакете не теряются. Заполнение всегда состоит только из нулей.

Сессия TCP

Рукопожатие TCP (установление подключения TCP)

Для установления соединения TCP использует трёхэтапное рукопожатие.

Подключение можно выполнить только если вторая сторона прослушивает порт, к которому будет выполняться подключение: к примеру, веб-сервер прослушивает порты 80 и 443. То есть это не охватывается рукопожатием, но прежде чем клиент попытается соединиться с сервером, сервер должен сначала подключиться к порту и начать прослушивать его, чтобы открыть его для соединений: это называется пассивным открытием. Как только пассивное открытие установлено, клиент может инициировать активное открытие. Для установления соединения происходит трёхэтапное (или трёхступенчатое) рукопожатие:

Первый этап, отправка пакета с включённым флагом SYN: активное открытие выполняется клиентом, отправляющим SYN на сервер. Клиент устанавливает порядковый номер сегмента на случайное значение A.

Обратите внимание, что по умолчанию Wireshark показывает относительное значение порядкового номера (Sequence number), чуть ниже вы также можете видеть реальное значение (показано как raw).

Второй этап, отправка пакета с включённым флагом SYN-ACK: В ответ сервер отвечает SYN-ACK. Номер подтверждения установлен на единицу больше принятого Порядкового номера (Sequence number), то есть A+1. Поскольку сервер также будет отправлять данные, то для себя он тоже выбирает Порядковый номер (Sequence number) первого пакета с данными, который будет другим случайным числом B.

Третий этап, отправка пакета с включённым флагом ACK: наконец, клиент отправляет ACK обратно на сервер. Порядковый номер устанавливается равным полученному значению подтверждения, то есть A+1, а номер подтверждения устанавливается на единицу больше, чем принятый порядковый номер, то есть B+1.

На этом этапе и клиент, и сервер получили подтверждение соединения. Шаги 1, 2 устанавливают параметр соединения (порядковый номер) для одного направления, и оно подтверждается. Шаги 2, 3 устанавливают параметр соединения (порядковый номер) для другого направления, и он подтверждается. Таким образом устанавливается полнодуплексная (двухсторонняя) связь.

Передача данных в TCP

PSH-ACK: Клиент отправляет запрос к серверу по HTTP протоколу, поскольку данные поместились в один сетевой пакет TCP, то он имеет флаг PSH, чтобы сервер не ждал продолжение получения данных, а отправил их веб-серверу для выполнения.

ACK: В ответ на принятую информацию сервер отправляет пакет ACK с номером успешно полученных данных.

PSH-ACK: Сервер обработал запрос и отправляет данные — веб страницу

ACK: клиент подтверждает, что данные получены

На последнем скриншоте:

1 — установка соединения

2 — передача данных

3 — завершение соединения

Завершение соединения

Фаза завершения соединения использует четырёхэтапное рукопожатие, причём каждая сторона соединения завершается независимо. Когда конечная точка хочет остановить свою половину соединения, она передаёт пакет FIN, который другой конец подтверждает пакетом с флагом ACK. Поэтому для типичного разрыва требуется пара сегментов FIN и ACK от каждой конечной точки TCP. После того, как сторона, отправившая первый FIN, ответила с последним ACK, она ожидает тайм-аута, прежде чем окончательно закрывает соединение, в течение которого локальный порт недоступен для новых соединений; это предотвращает путаницу из-за задержанных пакетов, доставляемых во время последующих соединений.

Соединение может быть «полуоткрытым», и в этом случае одна сторона завершила свою часть, а другая — нет. Завершившая сторона больше не может отправлять какие-либо данные в соединение, но другая сторона может. Завершающая сторона должна продолжить чтение данных, пока другая сторона также не завершит свою работу.

Также возможно разорвать соединение трёхэтапным рукопожатием, когда хост A отправляет FIN, а хост B отвечает FIN&ACK (просто объединяет 2 шага в один), а хост A отвечает ACK.

Некоторые операционные системы, такие как Linux и H-UX, реализуют полудуплексную последовательность закрытия в стеке TCP. Если хост активно закрывает соединение, но при этом остаются непрочитанными входящие данные, хост отправляет сигнал RST (потеря всех полученных данных) вместо FIN. Это гарантирует приложению TCP, что удалённый процесс прочитал все переданные данные, ожидая сигнала FIN, прежде чем он активно закроет соединение. Удалённый процесс не может различить сигнал RST для прерывания соединения и потери данных. Оба вызывают удалённый стек, чтобы потерять все полученные данные.

Как можно увидеть на скриншоте, завершение TCP соединения также происходит как (Linux с последним ядром):

Клиент: FIN-ACK

Сервер: FIN-ACK

Клиент: ACK

Состояния клиента и сервера

Состояния сеанса TCP
CLOSED	Начальное состояние узла. Фактически фиктивное
LISTEN	Сервер ожидает запросов установления соединения от клиента
SYN-SENT	Клиент отправил запрос серверу на установление соединения и ожидает ответа
SYN-RECEIVED	Сервер получил запрос на соединение, отправил ответный запрос и ожидает подтверждения
ESTABLISHED	Соединение установлено, идёт передача данных
FIN-WAIT-1	Одна из сторон (назовём её узел-1) завершает соединение, отправив сегмент с флагом FIN
CLOSE-WAIT	Другая сторона (узел-2) переходит в это состояние, отправив, в свою очередь сегмент ACK и продолжает одностороннюю передачу
FIN-WAIT-2	Узел-1 получает ACK, продолжает чтение и ждёт получения сегмента с флагом FIN
LAST-ACK	Узел-2 заканчивает передачу и отправляет сегмент с флагом FIN
TIME-WAIT	Узел-1 получил сегмент с флагом FIN, отправил сегмент с флагом ACK и ждёт 2*MSL секунд, перед окончательным закрытием соединения
CLOSING	Обе стороны инициировали закрытие соединения одновременно: после отправки сегмента с флагом FIN узел-1 также получает сегмент FIN, отправляет ACK и находится в ожидании сегмента ACK (подтверждения на свой запрос о разъединении)

Описание данных состояний позволяет лучше понимать информацию, которую показывают программы о состоянии сети, такие как netstat и ss (смотрите также «Как проверить открытые порты на своём компьютере. Что означают 0.0.0.0, :*, [::], 127.0.0.1. Как понять вывод NETSTAT»).

Фильтры Wireshark для TCP

Чтобы увидеть только трафик TCP:

Показать трафик, источником или портом назначения которого является определённый порт, например 8080:

Показать трафик, источником которого является порт 80:

Показать трафик, который отправляется службе, прослушивающей порт 80:

Показать TCP пакеты с включённым флагом SYN:

Показать TCP пакеты с включённым флагом SYN и отключённым флагом ACK:

Аналогично и для других флагов:

Также можно использовать синтаксис вида tcp.flags == 0x0XX, например:

• FIN это tcp.flags == 0x001
• SYN это tcp.flags == 0x002
• RST это tcp.flags == 0x004
• ACK это tcp.flags == 0x010
• Установленные одновременно ACK и FIN это tcp.flags == 0x011
• Установленные одновременно ACK и SYN это tcp.flags == 0x012
• Установленные одновременно ACK и RST это tcp.flags == 0x014

Длина заголовка (смещение данных):

Пакеты с установленными зарезервированными битами:

Вычесленный размер окна:

Фактор масштабирования размера окна:

tcp.window_size_value — это необработанное значение размера окна, считываемое непосредственно из заголовка TCP, тогда как tcp.window_size — это вычисленный размер окна, который основан на том, применимо ли масштабирование окна или нет. Если масштабирование окна не используется или коэффициент масштабирования равен 1 или неизвестно, применимо ли масштабирование окна или нет, потому что трёхэтапное рукопожатие TCP не было захвачено, тогда эти два значения будут одинаковыми. С помощью tcp.window_size_scalefactor вы можете определить, какое из этих условий применимо — если его значение равно -1, то оно неизвестно, если его значение равно -2, тогда масштабирование окна не используется, а все остальные значения представляют фактический размер фактора масштабирования окна.

Чтобы показать пакеты, содержащие какую либо строку, например, строку hackware:

Следовать потоку TCP с номером X:

Фильтровать по номеру потока:

Показать повторные отправки пакетов. Помогает прослеживать замедление производительности приложений и потери пакетов:

Этот фильтр выведен проблемные пакеты (потерянные сегменты, повторную отправку и другие. Этот фильтр проходят пакеты TCP Keep-Alive, но они не являются показателем проблем.

Фильтры для оценки качества сетевого подключения.

Следующие характеристики относятся к TCP фреймам. Причём они не основываются на заголовках фрейма — рассматриваемые характеристики (пропуск данных, дубли) присвоены программой Wireshark исходя из анализа.

Фильтр выводит информацию о фреймах с флагом ACK, которые являются дублями. Большое количество таких фреймов может говорить о проблемах связи:

Фильтр показа фреймов для которых не захвачен предыдущий сегмент:

Это нормально в начале захвата данных — поскольку информация перехватывается не с самого начала сессии.

Для показа фреймов, которые являются ретрансмиссией (отправляются повторно):

Вывод фреймов, которые получены не в правильном порядке:

Виды сканирований Nmap

Мы рассмотрели механизм рукопожатия TCP, напомним его структуру:

• Клиент: SYN
• Сервер: SYN-ACK
• Клиент: ACK

Знаменитый сканер портов Nmap по умолчанию выполняет сканирования с использованием полуотрытых соединений, или его ещё называют SYN сканированием. На самом деле, это не что иное, как отправленный пакет с включённым флагом SYN — то есть Nmap инициирует рукопожатие TCP. Если в ответ приходит пакет с флагами SYN-ACK (то есть удалённый хост отправляет свою часть рукопожатия), то это означает, что порт открыт. Если удалённый хост отвечает пакетом с флагом RST-ACK, то это означает, что порт закрыт.

Такой метод, с одной стороны, является универсальным — любой открытый порт обязательно должен ответить пакетом с флагами SYN-ACK, поскольку это стандарт транспортного протокола TCP. Но при этом Nmap не завершает рукопожатие, то есть не создаётся полноценное соединение и приложение, которое прослушивает просканированный порт, никогда не узнает об этом неудачном TCP рукопожатии, и этот факт не отобразиться в журналах этого приложения.

Пример сканирования портов:

На следующем скриншоте мы можем видеть отправленные и полученные пакеты:

Первая группа пакетов (выделена прямоугольником) — пинг хоста, чтобы определить, доступен ли он. Также на этапе доступности хоста делается запрос к портам 80 и 443 (хотя порт 443 не указан для сканирования), видимо, также для подтверждения того, что хост онлайн.

Если от порта получен пакет SYN-ACK (сервер готов к установке соединения), то Nmap отвечает пакетом с флагом RST для обрыва начатого рукопожатия.

Вторая группа — они отмечены серым и зелёным — это непосредственно сканирование портов — это пакеты с флагом SYN. Серым отмечены те, которые прислали ответ RST-ACK (порт закрыт), а зелёным т е, которые прислали ответ SYN-ACK (порт открыт).

Пакеты RST-ACK, а также пакеты RST (от Nmap) помечены красным.

Как можно увидеть, техника очень простая и использует самые базовые возможности трансопртного протокола TCP.

Кроме этого метода, Nmap поддерживает ещё несколько типов сканирования:

Если вы хотите узнать об этих опциях и типах сканирвоания подробнее, то рекомендуется изучить их на справочной странице Nmap: https://kali.tools/?p=1317

Теперь, когда понятна суть сканирований портов, можно предложить меры по защите сервера от сканирований. Если ваш сервер предназначен принимать входящие соединения (например, это веб сервер с SSH), то на 100% защититься от сканирований портов нельзя, поскольку для полуоткрытых соединений используются «легальные» TCP пакеты с флагом SYN, которые являются первой частью рукопожатий. Тем не менее в iptables или fail2ban можно настроить примерно такое правило: «если от одного удалённого хоста поступило более 10 SYN пакетов за указанный промежуток времени, то отклонять его последующие попытки подключения». Это затруднит или даже сделает невозможным массовое сканирование портов на вашем сервере.

Если у вас настроен контроль доступа по IP, то можно запретить SYN пакеты от любого хоста, кроме разрешённых IP, — в этом случае посторонние не только не смогут подключаться, но и не смогут узнать, что порт на самом деле открыт.

Примеры iptables

[БУДЕТ ДОБАВЛЕНО ПОЗЖЕ]

Протокол UDP

Если вы смогли разобраться с TCP и его заголовками, то с UDP вам будет совсем просто.

Протокол пользовательских дейтаграмм (UDP) — это очень простой протокол. Он был разработан для обеспечения очень простой передачи данных без какого-либо обнаружения ошибок. Это так называемый stateless (то есть «без состояния») протокол, это отличает его от протокола TCP, в котором есть понятие соединения (stateful), включающее в себя создания подключения (трёхэтапное рукопожатие) и в котором передача данных выполняется только в рамках данного подключения. Соответственно, для протокола UDP не предусмотрены различные состояния клиента и сервера.

Однако он очень хорошо подходит для приложений типа запрос/ответ, таких как, например, DNS и т. д., поскольку мы знаем, что если мы не получим ответ от DNS-сервера, запрос где-то был потерян. Иногда также стоить использовать протокол UDP вместо TCP, например, когда мы хотим только обнаружение ошибок/потерь, но не заботимся о последовательности пакетов. Это устраняет некоторые издержки, связанные с протоколом TCP.

Природа UDP как протокола без сохранения состояния также полезна для серверов, отвечающих на небольшие запросы от огромного числа клиентов, например DNS и потоковые мультимедийные приложения вроде IPTV, Voice over IP, протоколы туннелирования IP и многие онлайн-игры.

Что такое 1 соединение UDP

Для UDP пакетов понятие «соединение» неправильное, поскольку отправляется один пакет без установки соединения. Если требуется передать поток данных, то отправляется множество UDP пакетов, которые хотя и могут иметь одну общую задачу, с точки зрения транспортного протокола каждый из них является независимым.

В ответ также может прийти один или несколько пакетов UDP. Они приходят на тот же порт, с которого был отправлен исходный UDP пакет — это позволяет определить, что данная датаграмма является ответной на отправленную ранее.

Тем не менее при открытом UDP порте состояние сервера становится LISTEN (сервер ожидает запросов установления соединения от клиента). Также UDP соединение может иметь статус UCONN или ESTAB.

Как можно увидеть, UDP пакет отправлен с порта 42044:

Ответный UDP пакет также пришёл на порт 42044:

Если сравнить с TCP, то минимальное количество пакетов для отправки запроса и получения информации — 10, а для UDP минимальное количество пакетов для отправки запроса и получения информации — 2.

Заголовок UDP

Можно сказать, что заголовок UDP представляет собой очень упрощённый заголовок TCP. Он содержит порты назначения, порты источника, длину заголовка и контрольную сумму, как показано на рисунке ниже.

Сдвиги	Октет	0								1								2								3
Октет	Бит	0	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12	13	14	15	16	17	18	19	20	21	22	23	24	25	26	27	28	29	30	31
0	0	Исходоный порт																Порт назначения
4	32	Длина																Контрольная сумма
8	64-…	Данные

• Исходный порт — биты 0-15. Это порт источника пакета, описывающий, куда должен быть отправлен ответный пакет. Он может фактически быть установлено на ноль, если значение порта не применимо. Например, иногда нам не требуется ответный пакет, то тогда пакет может быть установлен на нулевой порт источника. В большинстве реализаций он установлен на некоторый номер порта.
• Порт назначения — биты 16-31. Порт назначения пакета. Это требуется для всех пакетов, в отличие от порта источника пакета.

Как и с протоколом TCP — для сервера обычно используется один из стандартных портов (например, порт 53 для DNS серверов), а порт источника выбирается произвольно для каждого соединения, обычно это номера портов с большим номером (десятки тысяч).

• Длина — биты 32-47. Поле длины указывает длину всего пакета в октетах, включая заголовок и части данных. Самый короткий возможный пакет может быть длиной 8 октетов.

Поле, задающее длину всей датаграммы (заголовка и данных) в байтах. Минимальная длина равна длине заголовка — 8 байт. Теоретически, максимальный размер поля — 65535 байт для UDP-датаграммы (8 байт на заголовок и 65527 на данные). Фактический предел для длины данных при использовании IPv4 — 65507 (помимо 8 байт на UDP-заголовок требуется ещё 20 на IP-заголовок).

• Контрольная сумма — биты 48-63. Контрольная сумма — это та же контрольная сумма, что и в заголовке TCP, за исключением того, что она содержит другой набор данных. Другими словами, это дополнение к сумме дополнительных частей заголовка IP, всего заголовка UDP, данных UDP и дополнения нулями в конце, когда это необходимо.

Поле контрольной суммы используется для проверки заголовка и данных на ошибки. Если сумма не сгенерирована передатчиком, то поле заполняется нулями. Поле не является обязательным для IPv4.

Фильтры Wireshark для UDP

Чтобы увидеть только трафик UDP:

Для UDP не используются флаги. Для этого протокола можно только указать порт.

Показать трафик, источником которого является порт 53:

Показать трафик, который отправляется службе, прослушивающей порт 53:

UDP пакет, в котором встречается определённая строка, например, строка hackware:

Порт назначения ИЛИ исходный порт:

Время между пакетами (для выявления проблем сети):

Номер потока (запрос-ответ):

Сравнение UDP и TCP

TCP — ориентированный на соединение протокол, что означает необходимость «рукопожатия» для установки соединения между двумя хостами. Как только соединение установлено, пользователи могут отправлять данные в обоих направлениях.

• Надёжность — TCP управляет подтверждением, повторной передачей и тайм-аутом сообщений. Производятся многочисленные попытки доставить сообщение. Если оно потеряется на пути, сервер вновь запросит потерянную часть. В TCP нет ни пропавших данных, ни (в случае многочисленных тайм-аутов) разорванных соединений.
• Упорядоченность — если два сообщения последовательно отправлены, первое сообщение достигнет приложения-получателя первым. Если участки данных прибывают в неверном порядке, TCP отправляет неупорядоченные данные в буфер до тех пор, пока все данные не могут быть упорядочены и переданы приложению.
• Тяжеловесность — TCP необходимо три пакета для установки сокет-соединения перед тем, как отправить данные. TCP следит за надёжностью и перегрузками.
• Потоковость — данные читаются как поток байтов, не передается никаких особых обозначений для границ сообщения или сегментов.

UDP — более простой, основанный на сообщениях протокол без установления соединения. Протоколы такого типа не устанавливают выделенного соединения между двумя хостами. Связь достигается путём передачи информации в одном направлении от источника к получателю без проверки готовности или состояния получателя. В приложениях для голосовой связи через интернет-протокол (Voice over IP, TCP/IP) UDP имеет преимущество над TCP, в котором любое «рукопожатие» помешало бы хорошей голосовой связи. В VoIP считается, что конечные пользователи в реальном времени предоставят любое необходимое подтверждение о получении сообщения.

• Ненадёжный — когда сообщение посылается, неизвестно, достигнет ли оно своего назначения — оно может потеряться по пути. Нет таких понятий, как подтверждение, повторная передача, тайм-аут.
• Неупорядоченность — если два сообщения отправлены одному получателю, то порядок их достижения цели не может быть предугадан.
• Легковесность — никакого упорядочивания сообщений, никакого отслеживания соединений и т. д. Это небольшой транспортный уровень, разработанный на IP.
• Датаграммы — пакеты посылаются по отдельности и проверяются на целостность только если они прибыли. Пакеты имеют определенные границы, которые соблюдаются после получения, то есть операция чтения на сокете-получателе выдаст сообщение таким, каким оно было изначально послано.
• Нет контроля перегрузок — UDP сам по себе не избегает перегрузок. Для приложений с большой пропускной способностью возможно вызвать коллапс перегрузок, если только они не реализуют меры контроля на прикладном уровне.
• Широковещательные рассылки (Broadcasts) — при отсутствии соединения, UDP может делать широковещательные рассылки — отправленные пакеты могут быть адресованы для приёма всеми устройствами в подсети.
• Многоадресная рассылка (Multicast) — поддерживается многоадресный режим работы, при котором один пакет дейтаграмм может быть автоматически направлен без дублирования группе подписчиков.

Протоколы TCP и UDP

TCP— Transmission Control Protocol

Обмен данными, ориентированный на соединения, может использовать надежную связь, для обеспечения которой протокол уровня 4 посылает подтверждения о получении данных и запрашивает повторную передачу, если данные не получены или искажены. Протокол TCP использует именно такую надежную связь. TCP используется в таких прикладных протоколах, как HTTP, FTP, SMTP и Telnet.

Протокол TCP требует, чтобы перед отправкой сообщения было открыто соединение. Серверное приложение должно выполнить так называемое пассивное открытие (passive open), чтобы создать соединение с известным номером порта, и, вместо того чтобы отправлять вызов в сеть, сервер переходит в ожидание поступления входящих запросов. Клиентское приложение должно выполнить активное открытие (active open), отправив серверному приложению синхронизирующий порядковый номер (SYN), идентифицирующий соединение. Клиентское приложение может использовать динамический номер порта в качестве локального порта.

Сервер должен отправить клиенту подтверждение (ACK) вместе с порядковым номером (SYN) сервера. В свою очередь клиент отвечает АСК, и соединение устанавливается.

После этого может начаться процесс отправки и получения сообщений. При получении сообщения в ответ всегда отправляется сообщение АСК. Если до получения АСК отправителем истекает тайм-аут, сообщение помещается в очередь на повторную передачу.

Поля заголовка TCP перечислены в следующей таблице:

Заголовок TCP

Поле	Длина	Описание
Порт источника	2 байта	Номер порта источника
Порт назначения	2 байта	Номер порта назначения
Последовательный номер	4 байта	Последовательный номер генерируется источником и используется назначением, чтобы переупорядочить пакеты для создания исходного сообщения и отправить подтверждение источнику.
Номер подтверждения	4 байта	Если установлен бит АСК поля «Управление», в данном поле содержится следующий ожидаемый последовательный номер.
Смещение данных	4 бита	Информация о начале пакета данных.
Резерв	6 битов	Резервируются для будущего использования.
Управление	6 битов	Биты управления содержат флаги, указывающие, верны ли поля подтверждения (АСК), указателя срочности (URG), следует ли сбрасывать соединение (RST), послан ли синхронизирующий последовательный номер (SYN) и т. д.
Размер окна	2 байта	В этом поле указывается размер приемного буфера. Используя подтверждающие сообщения, получатель может информировать отправителя о максимальном размере данных, которые тот может отправить.
Контрольная сумма	2 байта	Контрольная сумма заголовка и данных; по ней определяется, был ли искажен пакет.
Указатель срочности	2 байта	В этом поле целевое устройство получает информацию о срочности данных.
Опции	переменная	Необязательные значения, которые указываются при необходимости.
Дополнение	переменная	В поле дополнения добавляется столько нулей, чтобы заголовок заканчивался на 32-битной границе.

TCP — это сложный, требующий больших затрат времени протокол, что объясняется его механизмом установления соединения, но он берет на себя заботу о гарантированной доставке пакетов, избавляя нас от необходимости включать эту функциональную возможность в прикладной протокол.

Протокол TCP имеет встроенную возможность надежной доставки. Если сообщение не отправлено корректно, мы получим сообщение об ошибке. Протокол TCP определен в RFC 793.

UDP — User Datagram Protocol

В отличие от TCP UDP — очень быстрый протокол, поскольку в нем определен самый минимальный механизм, необходимый для передачи данных. Конечно, он имеет некоторые недостатки. Сообщения поступают в любом порядке, и то, которое отправлено первым, может быть получено последним. Доставка сообщений UDP вовсе не гарантируется, сообщение может потеряться, и могут быть получены две копии одного и того же сообщения. Последний случай возникает, если для отправки сообщений в один адрес использовать два разных маршрута.

UDP не требует открывать соединение, и данные могут быть отправлены сразу же, как только они подготовлены. UDP не отправляет подтверждающие сообщения, поэтому данные могут быть получены или потеряны. Если при использовании UDP требуется надежная передача данных, ее следует реализовать в протоколе более высокого уровня.

Так в чем же преимущества UDP, зачем может понадобиться такой ненадежный протокол? Чтобы понять причину использования UDP, нужно различать однонаправленную передачу, широковещательную передачу и групповую рассылку.

Однонаправленное (unicast) сообщение отправляется из одного узла только в один другой узел. Это также называется связью «точка-точка». Протокол TCP поддерживает лишь однонаправленную связь. Если серверу нужно с помощью TCP взаимодействовать с несколькими клиентами, каждый клиент должен установить соединение, поскольку сообщения могут отправляться только одиночным узлам.

Широковещательная передача (broadcast) означает, что сообщение отправляется всем узлам сети. Групповая рассылка (multicast) — это промежуточный механизм: сообщения отправляются выбранным группам узлов.

UDP может использоваться для однонаправленной связи, если требуется быстрая передача, например для доставки мультимедийных данных, но главные преимущества UDP касаются широковещательной передачи и групповой рассылки.

Обычно, когда мы отправляем широковещательные или групповые сообщения, не нужно получать подтверждения из каждого узла, поскольку тогда сервер будет наводнен подтверждениями, а загрузка сети возрастет слишком сильно. Примером широковещательной передачи является служба времени. Сервер времени отправляет широковещательное сообщение, содержащее текущее время, и любой хост, если пожелает, может синхронизировать свое время с временем из широковещательного сообщения.

Заголовок UDP гораздо короче и проще заголовка TCP:

Заголовок UDP

Поле	Длина	Описание
Порт источника	2 байта	Указание порта источника для UDP необязательно. Если это поле используется, получатель может отправить ответ этому порту.
Порт назначения	2 байта	Номер порта назначения
Длина	2 байта	Длина сообщения, включая заголовок и данные.
Контрольная сумма	2 байта	Контрольная сумма заголовка и данных для проверки

UDP — это быстрый протокол, не гарантирующий доставки. Если требуется поддержание порядка сообщений и надежная доставка, нужно использовать TCP. UDP главным образом предназначен для широковещательной и групповой передачи. Протокол UDP определен в RFC 786.