تستخدم طبقة النقل طبقة محددة وحدة بيانات البروتوكول لإدارة الاتصالات من النهاية إلى النهاية. عند استخدام بروتوكول التحكم في الإرسال (TCP)، تُعرف هذه الوحدة بالقطعة. على العكس من ذلك، يستخدم بروتوكول مخطط بيانات المستخدم (UDP) مخطط البيانات. تعمل هذه الوحدات المتميزة على تسهيل تبادل البيانات عبر الشبكات. على سبيل المثال، حسابات TCP تقريبًا 55% من حركة المرور في شبكات الهاتف المحمول، في حين يشكل UDP حوالي 45% . من المهم التمييز بين مصطلح الشبكات هذا و وحدة توزيع الطاقة ، والذي يخدم وظيفة مختلفة في الأنظمة الكهربائية.
الوجبات السريعة الرئيسية
- تستخدم طبقة النقل وحدة بيانات البروتوكول ( PDU ) لإرسال البيانات.
- يستخدم TCP وحدة PDU تسمى المقطع. يستخدم UDP وحدة PDU تسمى مخطط البيانات.
- تضمن قطاعات TCP وصول البيانات بشكل صحيح ومنظم. أنها موثوقة.
- تقوم مخططات بيانات UDP بإرسال البيانات بسرعة. لا يضمنون التسليم أو الطلب.
- تساعد أرقام المنافذ طبقة النقل على إرسال البيانات إلى التطبيق الصحيح.
- يعد TCP مفيدًا لتصفح الويب والبريد الإلكتروني. يعد UDP مفيدًا لدفق الفيديو والألعاب عبر الإنترنت.
- اختيار الحق PDU يساعد التطبيقات على العمل بشكل أفضل.
فهم طبقة النقل ووحدة بيانات البروتوكول الخاصة بها
دور طبقة النقل في الشبكات
الموضع في نماذج OSI وTCP/IP
تحتل طبقة النقل موقعًا حاسمًا في بنية الشبكة. في نموذج الربط البيني للأنظمة المفتوحة (OSI)، يوجد كطبقة 4، مباشرة فوق طبقة الشبكة وتحت طبقة الجلسة. وبالمثل، في نموذج TCP/IP المطبق على نطاق أوسع، تقع طبقة النقل بين طبقة الإنترنت وطبقة التطبيق. يتيح هذا الموضع سد الفجوة بين تسليم البيانات على مستوى الشبكة والاتصالات الخاصة بالتطبيقات.
المسؤوليات الأساسية للاتصال الشامل
تتولى طبقة النقل مسؤوليات كبيرة لضمان الاتصال الفعال من طرف إلى طرف بين التطبيقات التي تعمل على مضيفين مختلفين. وهو يدعم التسليم من عملية إلى عملية ، مما يسمح لتطبيقات متعددة بمشاركة اتصال شبكة واحد. تنفذ هذه الطبقة تعدد الإرسال وإزالة تعدد الإرسال باستخدام أرقام المنافذ لتوجيه البيانات إلى عملية التقديم الصحيحة. كما أنه يقسم البيانات من الطبقات العليا إلى مقاطع (لـ TCP) أو مخططات بيانات (لـ UDP) ويضيف الرؤوس الضرورية. علاوة على ذلك، تعالج طبقة النقل اكتشاف الأخطاء وإعادة الإرسال والتسلسل للحفاظ على اتصال موثوق. فهو ينسق التحكم في التدفق لمنع التحميل الزائد على جهاز الاستقبال، وإدارة معدلات نقل البيانات لمنع المرسل السريع من إرباك المخزن المؤقت لبيانات جهاز الاستقبال.
مقدمة إلى وحدة بيانات بروتوكول طبقة النقل
ما هي وحدة بيانات البروتوكول؟
A وحدة بيانات البروتوكول (PDU) يمثل الوحدة الأساسية للتبادل بين الكيانات التي تتواصل عبر بروتوكول شبكي محدد. يستخدم محترفو الشبكات وحدات PDU عند العمل مع مجموعات بروتوكولات متعددة الطبقات وإدارة تفاعلات البروتوكول. تحدد بروتوكولات الشبكات، وخاصة تلك التي تم تطويرها ضمن النماذج المرجعية ذات الطبقات مثل نماذج OSI أو TCP/IP، وحدات تبادل البيانات الخاصة بها. على سبيل المثال، تعمل الحزمة كوحدة PDU لـ IP، والتي تتحكم في التفاعلات بين المضيفين المحددين بواسطة عناوين IP في طبقة الشبكة. تتكون وحدات PDU عادةً من رأس بروتوكول، يحتوي على بيانات محددة مثل عنوان الوجهة وعناوين المصدر، وحمولة، وهي المعلومات الفعلية المرسلة.
لماذا تحتاج طبقة النقل إلى وحدة PDU محددة؟
تتطلب طبقة النقل طبقة خاصة بها وحدة بيانات البروتوكول المحددة لإدارة تعقيدات الاتصال من عملية إلى عملية. على عكس طبقة الشبكة، التي تركز على التسليم من مضيف إلى مضيف، يجب أن تضمن طبقة النقل وصول البيانات إلى التطبيق الصحيح على ذلك المضيف. وهذا يتطلب معلومات إضافية داخل وحدة PDU، مثل أرقام المنافذ، لتحديد تطبيقات معينة. كما تحمل وحدة PDU أيضًا معلومات حول الموثوقية والتحكم في التدفق وإدارة الاتصال، اعتمادًا على بروتوكول النقل المختار.
شريحة TCP: وحدة بيانات بروتوكول موثوقة
تحديد شريحة TCP
خصائص شريحة TCP
يمثل مقطع TCP الوحدة الأساسية لنقل البيانات ضمن بروتوكول التحكم في الإرسال. يتكون كل جزء من رأس وحمولة. يحمل الرأس البيانات الوصفية الأساسية للإرسال. يتراوح حجمه عادةً من 20 بايت إلى 60 بايت كحد أقصى إذا تم تضمين الحقول الاختيارية، مثل الطوابع الزمنية أو الإقرارات الانتقائية. يحدد الحد الأقصى لحجم المقطع (MSS) أكبر كمية من البيانات، باستثناء الرأس، التي يمكن أن يحملها مقطع TCP. وهذا مفهوم الطبقة الرابعة يتأثر بشكل مباشر بوحدة الإرسال القصوى (MTU) لشبكة الطبقة الثانية الأساسية. يقوم مهندسو الشبكات بحساب MSS على أنه MTU - IPHeader - TCPHeader. على سبيل المثال، مع وحدة MTU لشبكة Ethernet تبلغ 1500 بايت، ورأس IP 20 بايت، ورأس TCP 20 بايت، تصبح MSS 1460 بايت. تتضمن قيم MSS الشائعة 512 بايت للشبكات الأقدم و1460 بايت، وهي القيمة الافتراضية في معظم شبكات Ethernet/IP.
الغرض من وحدة بيانات بروتوكول مقطع TCP
الغرض الأساسي من قطاع TCP وحدة بيانات البروتوكول هو توفير موثوقة ومرتبة ومصححة للأخطاء نقل البيانات بين التطبيقات. ينظم البيانات للنقل الآمن بين الخادم والعميل. وهذا يضمن سلامة البيانات بغض النظر عن كمية المعلومات المتبادلة. يضمن قطاع TCP استلام البيانات خالية من الأخطاء وبالترتيب الصحيح من خلال آليات مثل اكتشاف الأخطاء وإعادة إرسال الحزم والتسلسل.
المكونات الرئيسية لرأس مقطع TCP
أرقام منفذ المصدر والوجهة
يتضمن رأس مقطع TCP حقولًا مهمة لتحديد تطبيقات الاتصال. أ منفذ مصدر 16 بت يحدد الحقل رقم منفذ التطبيق الخاص بالمرسل. وبالمثل، أ حقل منفذ الوجهة 16 بت يحدد رقم منفذ التطبيق الخاص بجهاز الاستقبال. تعمل أرقام المنافذ هذه على تمكين تعدد الإرسال وإلغاء تعدد الإرسال، مما يضمن وصول البيانات إلى العملية الصحيحة على المضيف الوجهة.
أرقام التسلسل والإقرار
تعتبر الأرقام التسلسلية حيوية للتسليم المطلوب. أ حقل الرقم التسلسلي 32 بت يعين رقمًا فريدًا لكل بايت من البيانات. يشير هذا الرقم إلى رقم البايت البايت الأول في المقطع. يساعد على إعادة تجميع الأجزاء خارج الترتيب. ال حقل رقم الإقرار 32 بت يشير إلى الرقم التسلسلي المتوقع التالي من المرسل. يؤكد هذا استلام البايتات السابقة ويكون موجودًا عند تعيين علامة ACK.
التحكم في الأعلام وحجم النافذة
يحتوي رأس TCP على عدة إشارات تحكم، كل منها يخدم وظيفة محددة. وتشمل هذه:
- SYN (مزامنة) : يستخدم لبدء الاتصال أثناء المصافحة الثلاثية.
- ACK (شكرًا وعرفانًا) : يشير إلى أن حقل رقم الإقرار مهم.
- الزعنفة (النهاية) : يشير إلى نهاية نقل البيانات من المرسل.
- RST (إعادة تعيين) : إعادة تعيين الاتصال بسبب خطأ غير قابل للاسترداد.
- عاجل (عاجل): يشير إلى أن حقل المؤشر العاجل مهم، ويشير إلى البيانات العاجلة.
- PSH (الدفع) : يطلب التسليم الفوري للبيانات المخزنة إلى التطبيق.
حقل حجم النافذة، أ قيمة 16 بت ، أمر بالغ الأهمية للتحكم في التدفق. فهو يحدد كمية البيانات التي يرغب المتلقي في قبولها، مما يمنع المرسل السريع من إرباك جهاز الاستقبال الأبطأ. يمكن أن يصل حجم هذه القيمة إلى 1 جيجابايت أو أكثر باستخدام خيار Window Scale.
الوظائف التي يتم تمكينها بواسطة وحدة بيانات بروتوكول مقطع TCP
نقل موثوق للبيانات واسترداد الأخطاء
يضمن TCP نقل البيانات بشكل موثوق من خلال مجموعة من الإقرارات والمهلة وآليات إعادة الإرسال. يتضمن كل مقطع حقل المجموع الاختباري للكشف عن الفساد. في حالة تلف مقطع ما، يتجاهله بروتوكول TCP الوجهة، ويعامله على أنه مفقود. يستخدم TCP الإقرارات لتأكيد التسليم الناجح لمقاطع البيانات. تتم إعادة إرسال المقاطع المفقودة أو المتأخرة أو التالفة. يحدث هذا إما عندما يتلقى المرسل ثلاثة إقرارات مكررة، تُعرف باسم إعادة الإرسال السريع ، أو عند انتهاء مؤقت إعادة الإرسال، والذي يشار إليه بإعادة الإرسال بعد RTO. بروتوكولات خطوط الأنابيب مثل Go-Back-N والتكرار الانتقائي كما يمكنك التعامل مع البيانات المفقودة أو التالفة وحزم الإقرارات، مما يعزز الموثوقية بشكل أكبر.
التحكم في التدفق وإدارة الازدحام
يستخدم TCP آليات متطورة للتحكم في التدفق وإدارة الازدحام. يحد التحكم في التدفق من عدد المقاطع التي لم يتم الإقرار بها استنادًا إلى حجم نافذة الاستلام المُعلن عنها (RWND) الخاص بالمستلم. الحد الأقصى للبيانات أثناء الرحلة هو الحد الأدنى لـ RWND ونافذة الازدحام (CWND). لإدارة الازدحام، يستخدم TCP خوارزمية التحكم في الازدحام دمج الزيادة المضافة / النقص المضاعف (AIMD) وبداية بطيئة. تنظم نافذة الازدحام (CWND) معدل الإرسال، مما يحد من العدد الإجمالي للحزم غير المعترف بها أثناء النقل. تساعد البداية البطيئة تدفقات TCP على الوصول بسرعة إلى سعة الارتباط عن طريق زيادة CWND بشكل كبير. بمجرد استيفاء حد البداية البطيئة، يدخل التدفق في تجنب الازدحام، ويتولى AIMD المسؤولية، مما يؤدي إلى نمو CWND خطي.
إنشاء الاتصال وإنهائه
تعمل قطاعات TCP على تسهيل إنشاء الاتصال من خلال مصافحة ثلاثية الاتجاهات. يبدأ العميل عملية فتح نشطة عن طريق إرسال مقطع SYN برقم التسلسل الأولي الخاص به. يتعرف الخادم على SYN الخاص بالعميل ويرسل SYN الخاص به في مقطع واحد. وأخيرًا، يتعرف العميل على SYN الخاص بالخادم، مما يؤدي إلى إنشاء الاتصال. يتضمن إنهاء الاتصال أ مصافحة رباعية . يقوم أحد التطبيقات بإجراء إغلاق نشط عن طريق إرسال مقطع FIN، للإشارة إلى أنه ليس لديه المزيد من البيانات لإرسالها. يتلقى الطرف الآخر FIN، ويقر به، ويمرر نهاية الملف إلى تطبيقه. لاحقًا، يقوم هذا التطبيق بإغلاق المقبس الخاص به، مما يتسبب في إرسال TCP الخاص به لـ FIN. يتلقى النظام الذي أجرى الإغلاق النشط هذا FIN النهائي ويقر به، مما يكمل الإنهاء.
مخطط بيانات UDP: وحدة بيانات بروتوكول بدون اتصال
تعريف مخطط بيانات UDP
خصائص مخطط بيانات UDP
يمثل مخطط بيانات UDP أ بروتوكول طبقة نقل بسيط موجه نحو الرسائل . ويتضمن التحقق من التكامل من خلال المجموع الاختباري لكل من رأسه وحمولته. ومع ذلك، فهو لا يقدم أي ضمانات لتسليم الرسائل إلى بروتوكول الطبقة العليا. لا تحتفظ طبقة UDP بأي حالة من الرسائل بمجرد إرسالها، مما يؤدي إلى تصنيفها أحيانًا على أنها "بروتوكول مخطط البيانات غير الموثوق". ويجب تنفيذ أي موثوقية إرسال مطلوبة على مستوى التطبيق.
تمتلك مخططات بيانات UDP العديد من الخصائص الأساسية:
- هيكل بسيط وخفيف الوزن : يتضمن كل مخطط بيانات UDP حقولًا لمنفذ المصدر، ومنفذ الوجهة، والطول، والمجموع الاختباري (اختياري في IPv4، وإلزامي في IPv6)، والبيانات.
- عدم الموثوقية : لا يوفر UDP إقرارات أو عمليات إعادة إرسال. وهذا يعني أن الحزم المفقودة أو التالفة قد تمر دون أن يلاحظها أحد، مما يجعلها غير مناسبة للتطبيقات التي تتطلب تسليمًا مضمونًا.
- بروتوكول بدون اتصال : لا يقوم UDP بإنشاء اتصال قبل نقل البيانات. فهو يتعامل مع كل مخطط بيانات كوحدة مستقلة دون ضمانات التسليم أو الطلب.
- البساطة والكفاءة : يتميز بحمل أقل وزمن وصول أقل مقارنةً بـ TCP نظرًا لغياب إنشاء الاتصال وصيانته.
- عديمي الجنسية: لا يحتفظ المرسل ولا المتلقي بالمعلومات المتعلقة بالحالة أو الاتصال.
- لا يوجد تحكم في الازدحام : يرسل UDP البيانات بغض النظر عن ظروف الشبكة، مما قد يؤدي إلى فقدان الحزمة في حالة إرهاق الشبكة.
- لا يوجد تحكم في التدفق: فهو يفتقر إلى آليات لمنع المرسل من إغراق المتلقي بكمية كبيرة من البيانات.
- لا يوجد خطأ في الاسترداد أو التسلسل : لا يقدم UDP أي ضمانات بوصول الحزم أو وصولها بالترتيب أو وصولها مرة واحدة فقط؛ قد تكون الحزم معطلة أو مكررة أو مفقودة.
الغرض من وحدة بيانات بروتوكول مخطط بيانات UDP
يعمل بروتوكول مخطط بيانات المستخدم (UDP) بمثابة بروتوكول اتصال تم اختياره خصيصًا للتطبيقات الحساسة للوقت. وتشمل هذه الألعاب أو تشغيل الفيديو أو عمليات البحث في نظام اسم المجال (DNS). . وينبع اتصالها الأسرع من عدم قضاء الوقت في تكوين اتصال قوي بالوجهة قبل نقل البيانات. يستخدم UDP في المقام الأول لتأسيس اتصالات ذات زمن وصول منخفض وتحمل الخسارة بين التطبيقات على شبكة الإنترنت. فهو يعطي الأولوية للسرعة من خلال تمكين نقل البيانات قبل أن يقدم الطرف المتلقي اتفاقية. وهذا يجعله مفيدًا للاتصالات الحساسة للوقت مثل VoIP وعمليات بحث DNS وتشغيل الفيديو أو الصوت.
المكونات الرئيسية لرأس مخطط بيانات UDP
أرقام منفذ المصدر والوجهة
يحتوي رأس مخطط بيانات UDP على حقول أساسية لتحديد تطبيقات الاتصال. أ يحدد حقل منفذ المصدر منفذ المرسل عندما تكون موجودة. إذا لم يتم استخدامه، يتم ضبطه على الصفر. يحدد حقل منفذ الوجهة منفذ جهاز الاستقبال وهو حقل مطلوب. تسمح أرقام المنافذ هذه لطبقة النقل بتوجيه مخطط البيانات إلى عملية التطبيق الصحيحة على المضيف الوجهة.
حقول الطول والمجموع الاختباري
يحدد حقل الطول الطول الإجمالي لرأس UDP والبيانات بالبايت. الحد الأدنى للطول هو 8 بايت، وهو حجم الرأس نفسه. الحد الأقصى النظري هو 65.535 بايت، ولكن يحد IPv4 من طول البيانات إلى 65507 بايت . بالنسبة إلى مخططات IPv6 الضخمة، يكون حقل الطول صفرًا إذا تجاوز الطول الإجمالي 65.535 بايت. يمكن استخدام حقل المجموع الاختباري للتحقق من الأخطاء. وهو اختياري في IPv4 وإلزامي في معظم الحالات في IPv6. إذا لم يتم استخدامه، فإنه يحتوي على كافة الأصفار.
الوظائف التي يتم تمكينها بواسطة وحدة بيانات بروتوكول مخطط بيانات UDP
الاتصال بدون اتصال والحد الأدنى من النفقات العامة
يتيح UDP الاتصال بدون اتصال من خلال السماح للمرسلين بإرسال حزم البيانات (مخططات البيانات) مباشرة إلى المستلمين. يقوم بذلك دون إنشاء اتصال مخصص أو إجراء مصافحة أولاً. وهذا يعني عدم الحاجة إلى أي إقرار، مما يسهل تدفق البيانات دون انقطاع. UDP الحد الأدنى من النفقات العامة ينبع من العديد من خيارات التصميم. ويستخدم بنية حزم بسيطة، مما يقلل من وقت المعالجة والموارد اللازمة لكل من المرسل والمتلقي. على عكس TCP، لا يقوم UDP بتنفيذ التحكم في التدفق لتنظيم معدلات نقل البيانات. كما أنه يفتقر إلى إمكانية استرداد الأخطاء؛ لا يقوم UDP بإعادة إرسال الحزم المفقودة أو معالجة تصحيح الأخطاء. التطبيقات التي تستخدم UDP مسؤولة عن إدارة سلامة البيانات وإعادة الإرسال إذا لزم الأمر. هذا الإغفال لآليات الموثوقية يجعل UDP أسرع وأبسط.
السرعة على الموثوقية
UDP هو بروتوكول بدون اتصال يعطي الأولوية للسرعة . ولا يقوم بإنشاء اتصال رسمي أو التحقق من استلام البيانات. فهو ببساطة يرسل البيانات كوحدات بيانات فردية دون مصافحة، على غرار إرسال بطاقة بريدية. يؤدي هذا الأسلوب إلى تسليم غير موثوق لأنه لا يضمن التسليم أو الطلب أو تصحيح الخطأ. عند النظر في السرعة مقابل الموثوقية، تعد مخططات البيانات الأصغر حجمًا أكثر موثوقية لأنها أقل عرضة للفقد أو التلف أو إعادة الترتيب. كما أنهم أقل عرضة للتجزئة أو السقوط أو التأخير. تعد مخططات البيانات الأكبر حجمًا أكثر كفاءة وأسرع بسبب حمل المزيد من الحمولة لكل وحدة علوية، مما يقلل من عدد الحزم وحمل المعالجة. ومع ذلك، تكون مخططات البيانات الأكبر حجمًا أقل موثوقية لأنها أكثر عرضة للفقدان والفساد وإعادة الترتيب وازدحام الشبكة وزمن الوصول والارتعاش. كما أنها تستهلك المزيد من النطاق الترددي والموارد.
مقارنة وحدات بيانات بروتوكول طبقة النقل: المقطع مقابل مخطط البيانات
الاختلافات الأساسية في تصميم وحدة بيانات البروتوكول
الموثوقية والسرعة والمقارنة بين النفقات العامة
تظهر مقاطع TCP ومخططات بيانات UDP اختلافات أساسية في التصميم ، مما يؤثر بشكل مباشر على موثوقيتها وسرعتها ونفقاتها العامة. أولويات TCP ضمان سلامة البيانات. فهو يضمن تسليم البيانات بشكل موثوق ويعيد إرسال البيانات المفقودة. يستخدم TCP أرقام التسلسل لضمان إعادة تجميع البيانات بالترتيب الصحيح. يقوم بإجراء فحص قوي للأخطاء باستخدام المجاميع الاختبارية على كل من الرأس والبيانات. علاوة على ذلك، يتضمن بروتوكول TCP آليات مدمجة لمنع ازدحام الشبكة. وعلى العكس من ذلك، لا يقوم UDP بتتبع الحزم أو إعادة إرسالها، مما يؤدي إلى فقدان محتمل للبيانات. كما أنه يفشل في تتبع البيانات أو إعادة ترتيبها، مما قد يمثل مشكلة في المعالجة التسلسلية. يفتقر UDP إلى آليات لإبطاء الإرسال أثناء الازدحام.
تساهم ميزات TCP الشاملة في زيادة زمن الوصول بسبب المصافحة الثلاثية والإقرارات المستمرة. كما أنها تتكبد المزيد من النفقات العامة مع أ رأس أكبر 20-60 بايت ، تستهلك المزيد من عرض النطاق الترددي. يعد بروتوكول TCP كثيف الاستخدام للموارد، ويتطلب المزيد من الذاكرة والمعالجة لحالة الاتصال والمؤقتات وأرقام التسلسل. يمكن أن تؤدي الحزمة المفقودة في بروتوكول TCP إلى تأخير الحزم اللاحقة في الدفق، وهي ظاهرة تُعرف باسم حظر رأس الخط. ومع ذلك، يوفر UDP طريقة أسرع وأبسط وأكثر كفاءة . يؤدي رأسه الثابت ذو 8 بايت إلى حمل منخفض جدًا.
| ميزة | TCP (بروتوكول التحكم في الإرسال) | UDP (بروتوكول مخطط بيانات المستخدم) |
|---|---|---|
| مصداقية | يضمن تسليم البيانات. | لا يضمن تسليم البيانات. |
| سرعة | أبطأ نسبيا. | أسرع وأبسط وأكثر كفاءة. |
| طول الرأس | طول متغير (20-60 بايت). | طول ثابت (8 بايت). |
| النفقات العامة | منخفض، ولكنه أعلى من UDP. | منخفض جدًا. |
التوجه نحو الاتصال مقابل النهج غير المتصل
يميز أسلوب إنشاء الاتصال أيضًا بين وحدتي بيانات بروتوكول طبقة النقل. TCP موجه نحو الاتصال. يقوم بإنشاء اتصال مخصص باستخدام ملف المصافحة الثلاثية (SYN، SYN-ACK، ACK) قبل نقل البيانات. وينهي هذا الاتصال بمصافحة رباعية. يتتبع TCP حالة الاتصال بشكل نشط طوال الجلسة. في المقابل، UDP غير متصل. يرسل البيانات دون مصافحة أولية أو اتصال مخصص. يتم إرسال كل حزمة بشكل مستقل، ولا يتتبع UDP حالة الاتصال.
التطبيقات العملية لكل وحدة بيانات بروتوكول
حالات الاستخدام لقطاعات TCP
التطبيقات التي تتطلب نقل بيانات موثوقًا ومنظمًا ويتم التحكم في الأخطاء تستخدم في الغالب شرائح TCP. تطبيقات الاتصالات النصية مثل WhatsApp وInstagram وGoogle Chat وiMessage الاعتماد على TCP. يعد بروتوكول نقل الملفات (FTP) ضروريًا لنقل الملفات حيث يكون فقدان البيانات غير مقبول ويكون الترتيب الصحيح أمرًا بالغ الأهمية. يعمل بروتوكول نقل النص التشعبي (HTTP)، المستخدم للوصول إلى صفحات الويب، على تعزيز إمكانات TCP لتسليم البيانات بالترتيب، والتحكم في الأخطاء، والتحكم في التدفق، وإعادة إرسال أجزاء البيانات. يعتمد بروتوكول نقل البريد البسيط (SMTP)، وهو بروتوكول طبقة التطبيقات لإرسال رسائل البريد الإلكتروني، أيضًا على خدمات TCP.
حالات الاستخدام لـ UDP Datagrams
غالبًا ما تستخدم التطبيقات التي تعطي الأولوية للسرعة على الموثوقية مخططات بيانات UDP. البث المباشر للفيديو، الذي يستخدمه VoIP ومؤتمرات الفيديو ، يستفيد من انخفاض الحمل UDP والتسامح مع فقدان الحزمة، مما يقلل من زمن الوصول. يستخدم نظام اسم المجال (DNS) عادةً UDP للاستعلامات السريعة والخفيفة. يستخدم البث المتعدد لبيانات السوق UDP في التداول منخفض زمن الوصول لتوصيل بيانات السوق بكفاءة إلى العديد من المستلمين في وقت واحد. غالبًا ما تستخدم أجهزة إنترنت الأشياء (IoT) بروتوكول UDP لإرسال حزم البيانات الصغيرة. خدمات البث مثل YouTube وNetflix الاعتماد على UDP للتشغيل السلس في الوقت الفعلي عن طريق تقليل زمن الوصول والسماح بفقد طفيف للحزم. تفضل الألعاب متعددة اللاعبين أيضًا UDP لضمان الاستجابة في الوقت الفعلي وتجربة لعب سلسة، والتسامح مع فقدان بسيط للحزم.
أهمية وحدة بيانات بروتوكول طبقة النقل
كيف تقوم وحدات PDU بتسهيل عملية التسليم من عملية إلى عملية
دور أرقام المنافذ في توجيه PDU
تعد وحدات PDU لطبقة النقل، مثل المقاطع أو مخططات البيانات، ضرورية لتوسيع خدمة توصيل مضيف إلى مضيف لطبقة الشبكة إلى خدمة التسليم من عملية إلى عملية . يتضمن ذلك تعدد إرسال التطبيقات وإزالة تعدد الإرسال. على جانب الإرسال، تقوم طبقة النقل بتحويل رسائل التطبيق إلى وحدات PDU للنقل عن طريق تقسيمها إلى أجزاء أصغر وإضافة رأس طبقة النقل. ثم تمر وحدات PDU هذه إلى طبقة الشبكة. ومن ناحية الاستقبال، تستقبل طبقة النقل وحدات PDU هذه من طبقة الشبكة، وتزيل رأس النقل، وتعيد تجميع الرسائل، وتسليمها إلى عملية التطبيق الصحيحة. وهذا يضمن أن التطبيقات التي تعمل على مضيفين مختلفين يمكنها التواصل بشكل منطقي، حتى لو لم تكن متصلة فعليًا.
تعد أرقام المنافذ ضرورية في طبقة النقل لتحديد تطبيقات أو خدمات معينة على المضيف. عندما تصل البيانات إلى الوجهة، تستخدم طبقة النقل رقم المنفذ الموجود في الرأس لتوجيه البيانات إلى التطبيق الصحيح. على سبيل المثال، يتعامل المنفذ 80 مع حركة مرور HTTP، ويدير المنفذ 25 البريد الإلكتروني . تتيح هذه الآلية لتطبيقات متعددة على جهاز واحد التواصل في وقت واحد دون توجيه البيانات بشكل خاطئ.
التغليف والتفكيك لوحدة بيانات البروتوكول
في طبقة النقل، يتضمن التغليف إضافة إما ملف رأس TCP أو UDP إلى البيانات . تعتبر رؤوس TCP شاملة، بما في ذلك أرقام منافذ المصدر والوجهة والأرقام التسلسلية وأرقام الإقرار وحجم النافذة وعلامات التحكم. في المقابل، تكون رؤوس UDP أبسط، وتحتوي فقط على منفذ المصدر ومنفذ الوجهة والطول وحقول المجموع الاختباري. تقوم هذه العملية بتحويل البيانات إلى مقطع لـ TCP أو مخطط بيانات لـ UDP. تركز عملية إلغاء التغليف في هذه الطبقة على فحص أرقام المنافذ لتوجيه البيانات إلى التطبيق الصحيح. بالنسبة لـ TCP، يقوم أيضًا بإدارة أرقام التسلسل والإقرارات والتحكم في التدفق قبل إزالة رأس النقل وتسليم البيانات إلى التطبيق.
التأثير على أداء الشبكة وتصميم التطبيقات
اختيار وحدة بيانات البروتوكول المناسبة
يؤثر الاختيار بين مقطع TCP ومخطط بيانات UDP بشكل كبير على أداء الشبكة وتصميم التطبيق. يضمن TCP سلامة البيانات للتطبيقات الهامة مثل المعاملات المالية والسجلات الطبية، مع ضمان التسليم. ومع ذلك، يؤثر الحمل الزائد لـ TCP بشكل كبير على الأداء بسبب الرؤوس الإضافية، وحركة مرور الإقرارات، وعمليات إعادة الإرسال، واستهلاك النطاق الترددي وموارد المعالجة. يمكن أن يؤدي الحظر على رأس الخط أيضًا إلى تأخير أجزاء البيانات اللاحقة أثناء انتظار إعادة إرسال الأجزاء المفقودة، مما يؤثر بشكل خاص على الأداء في الشبكات ذات زمن الوصول العالي.
وعلى العكس من ذلك، يوفر UDP اتصالات خفيفة الوزن بأقل قدر من الحمل، وهو أمر بالغ الأهمية للتطبيقات الحساسة للوقت والتي لا يمكنها تحمل التأخير. تطبيقات مثل يفضل بث الفيديو (YouTube وNetflix) UDP . يُفضل إسقاط إطار واحد بدلاً من إيقاف الدفق مؤقتًا لإعادة الإرسال، حيث قد يلاحظ المستخدمون خللًا بسيطًا فقط. تستفيد الألعاب عبر الإنترنت أيضًا من UDP؛ إن تلقي معلومات قديمة بعض الشيء أفضل من الحصول على معلومات كاملة بعد فوات الأوان.
الأمثل لاحتياجات الاتصالات المختلفة
يتضمن تحسين احتياجات الاتصال اختيار بروتوكول طبقة النقل المناسب وتنفيذ استراتيجيات محددة. على سبيل المثال، أ جهاز توجيه PDU (PduR) يقوم بتوجيه وحدات PDU بكفاءة بين بروتوكولات الاتصال المختلفة. إنه بمثابة بوابة لنقل وحدات PDU المستلمة بين وحدات الواجهة أو وحدات التحكم الخاصة بالحافلة. يعمل بروتوكول النقل CAN (CanTp) على تحسين حجم الرسالة عن طريق تجزئة وحدات PDU الكبيرة وإعادة تجميعها في جهاز الاستقبال، بما في ذلك التحكم في التدفق. يأخذ المطورون في الاعتبار نوع البيانات ومتطلبات النطاق الترددي واحتياجات الموثوقية وتكاليف الأجهزة عند اختيار البروتوكولات.
طبقة النقل وحدة بيانات البروتوكول إما أن يكون مقطع TCP أو مخطط بيانات UDP. تضمن قطاعات TCP تسليم بيانات موثوقة ومنظمة ومدققة في الأخطاء. تعمل مخططات بيانات UDP على تحسين الإرسال السريع وغير المتصل ومنخفض الحمل. يخدم كل نوع من أنواع PDU متطلبات اتصال مميزة. وهذا يجعل الاختيار بينهما أمرًا بالغ الأهمية لأداء التطبيق وكفاءة الشبكة. يعد فهم وحدات PDU هذه أمرًا أساسيًا لفهم كيفية انتقال البيانات عبر الشبكات ووصولها إلى العملية المقصودة.
التعليمات
ما هو الفرق الأساسي بين مقطع TCP ومخطط بيانات UDP؟
توفر شريحة TCP تسليم بيانات موثوقًا ومنظمًا ومدققًا في الأخطاء. وعلى العكس من ذلك، يوفر مخطط بيانات UDP إرسالًا سريعًا وغير متصل ومنخفض الحمل. يختار المطورون بينهم بناءً على احتياجات التطبيق.
لماذا تستخدم التطبيقات شرائح TCP؟
تستخدم التطبيقات شرائح TCP عندما تتطلب تسليمًا مضمونًا للبيانات. يتضمن ذلك تصفح الويب والبريد الإلكتروني ونقل الملفات. يضمن TCP وصول البيانات بشكل صحيح وبالتسلسل الصحيح.
متى يكون مخطط بيانات UDP هو الخيار الأفضل للتطبيق؟
تعطي التطبيقات الأولوية للسرعة على الموثوقية عند استخدام مخططات بيانات UDP. تشمل الأمثلة البث المباشر للفيديو والألعاب عبر الإنترنت وعمليات البحث عن نظام أسماء النطاقات (DNS). تتحمل هذه التطبيقات فقدانًا بسيطًا للبيانات لتقليل زمن الوصول.
ما الدور الذي تلعبه أرقام المنافذ في وحدات PDU لطبقة النقل؟
تحدد أرقام المنافذ تطبيقات محددة على المضيف. إنها تسمح لطبقة النقل بتوجيه البيانات الواردة إلى عملية البرنامج الصحيحة. وهذا يتيح لتطبيقات متعددة التواصل في وقت واحد.
هل يوفر UDP أي شكل من أشكال التحقق من الأخطاء؟
نعم، يتضمن UDP حقل المجموع الاختباري. يساعد هذا المجموع الاختباري على اكتشاف الفساد في الرأس والحمولة. ومع ذلك، لا يقوم UDP بإعادة إرسال مخططات البيانات المفقودة أو التالفة.
ما هو الغرض من تسلسل TCP وأرقام الإقرار؟
تضمن الأرقام التسلسلية تسليم البيانات المطلوبة. وهي تحدد موضع البيانات داخل الدفق. تؤكد أرقام الإقرار استلام البيانات بنجاح، مما يتيح الموثوقية وإعادة الإرسال.
هل يمكن لتطبيق واحد استخدام كلاً من TCP وUDP؟
نعم، يمكن لأي تطبيق استخدام كلاً من TCP وUDP لوظائف مختلفة. على سبيل المثال، قد يستخدم أحد تطبيقات الألعاب UDP لبيانات اللعب في الوقت الفعلي وTCP لميزات تسجيل الدخول أو الدردشة.