TCP กับ UDP: ไขข้อสงสัยเกี่ยวกับการถกเถียงเรื่องความน่าเชื่อถือกับประสิทธิภาพ

วันนี้ เราจะเริ่มต้นด้วยการเน้นที่ TCP ก่อน ในบทเรื่องการแบ่งชั้น เราได้กล่าวถึงประเด็นสำคัญประเด็นหนึ่ง ในชั้นเครือข่ายและชั้นที่ต่ำกว่านั้น การสื่อสารจะเน้นไปที่การเชื่อมต่อระหว่างโฮสต์ ซึ่งหมายความว่าคอมพิวเตอร์ของคุณจำเป็นต้องรู้ว่าคอมพิวเตอร์อีกเครื่องอยู่ที่ไหนเพื่อที่จะเชื่อมต่อได้ อย่างไรก็ตาม การสื่อสารในเครือข่ายมักเป็นการสื่อสารระหว่างกระบวนการมากกว่าการสื่อสารระหว่างเครื่อง ดังนั้น โปรโตคอล TCP จึงนำเสนอแนวคิดของพอร์ต พอร์ตหนึ่งสามารถถูกใช้งานได้โดยกระบวนการเพียงหนึ่งเดียวเท่านั้น ซึ่งช่วยให้สามารถสื่อสารโดยตรงระหว่างกระบวนการแอปพลิเคชันที่ทำงานอยู่บนโฮสต์ที่แตกต่างกันได้

หน้าที่ของเลเยอร์การขนส่งคือการจัดหาวิธีการสื่อสารโดยตรงระหว่างกระบวนการแอปพลิเคชันที่ทำงานอยู่บนโฮสต์ที่แตกต่างกัน ดังนั้นจึงเรียกอีกอย่างว่าโปรโตคอลแบบเอนด์ทูเอนด์ เลเยอร์การขนส่งจะซ่อนรายละเอียดหลักของเครือข่าย ทำให้กระบวนการแอปพลิเคชันมองเห็นราวกับว่ามีช่องทางการสื่อสารแบบเอนด์ทูเอนด์เชิงตรรกะระหว่างเอนทิตีทั้งสองของเลเยอร์การขนส่ง

TCP ย่อมาจาก Transmission Control Protocol และเป็นที่รู้จักในฐานะโปรโตคอลแบบเชื่อมต่อ (connection-oriented protocol) ซึ่งหมายความว่าก่อนที่แอปพลิเคชันหนึ่งจะเริ่มส่งข้อมูลไปยังอีกแอปพลิเคชันหนึ่งได้ กระบวนการทั้งสองจะต้องทำการจับมือ (handshake) ก่อน การจับมือเป็นกระบวนการเชื่อมต่อเชิงตรรกะที่ช่วยให้มั่นใจได้ว่าการส่งข้อมูลมีความน่าเชื่อถือและการรับข้อมูลเป็นไปอย่างเป็นระเบียบ ในระหว่างการจับมือ จะมีการสร้างการเชื่อมต่อระหว่างโฮสต์ต้นทางและปลายทางโดยการแลกเปลี่ยนแพ็กเก็ตควบคุมหลายชุด และตกลงกันในพารามิเตอร์และกฎบางอย่างเพื่อให้มั่นใจได้ว่าการส่งข้อมูลจะประสบความสำเร็จ

TCP คืออะไร? (มายลิงก์กิ้งเน็ตเวิร์ก แทปและตัวกลางส่งแพ็กเก็ตเครือข่ายสามารถประมวลผลแพ็กเก็ต TCP หรือ UDP ก็ได้)
TCP (Transmission Control Protocol) เป็นโปรโตคอลการสื่อสารระดับชั้นการขนส่งแบบเชื่อมต่อที่มีความน่าเชื่อถือและใช้สตรีมไบต์เป็นพื้นฐาน

มุ่งเน้นการเชื่อมต่อการสื่อสารแบบเชื่อมต่อโดยตรง (Connection-oriented) หมายความว่า การสื่อสาร TCP เป็นแบบหนึ่งต่อหนึ่ง กล่าวคือ การสื่อสารแบบจุดต่อจุดจากต้นทางถึงปลายทาง ซึ่งแตกต่างจาก UDP ที่สามารถส่งข้อความไปยังโฮสต์หลายเครื่องพร้อมกันได้ ดังนั้นจึงไม่สามารถสื่อสารแบบหนึ่งต่อหลายได้
เชื่อถือได้ความน่าเชื่อถือของ TCP ช่วยให้มั่นใจได้ว่าแพ็กเก็ตจะถูกส่งไปยังผู้รับอย่างน่าเชื่อถือโดยไม่คำนึงถึงการเปลี่ยนแปลงของลิงก์เครือข่าย ซึ่งทำให้รูปแบบแพ็กเก็ตโปรโตคอลของ TCP ซับซ้อนกว่าของ UDP
อิงตามสตรีมไบต์ลักษณะการทำงานแบบสตรีมไบต์ของ TCP ช่วยให้สามารถส่งข้อความขนาดใดก็ได้และรับประกันลำดับของข้อความ: แม้ว่าข้อความก่อนหน้าจะยังไม่ได้รับการรับอย่างสมบูรณ์ และแม้ว่าไบต์ถัดไปจะได้รับการรับแล้ว TCP ก็จะไม่ส่งต่อไปยังเลเยอร์แอปพลิเคชันเพื่อประมวลผล และจะทิ้งแพ็กเก็ตที่ซ้ำกันโดยอัตโนมัติ
เมื่อโฮสต์ A และโฮสต์ B สร้างการเชื่อมต่อกันแล้ว แอปพลิเคชันก็เพียงแค่ใช้สายสื่อสารเสมือนเพื่อส่งและรับข้อมูล ซึ่งจะช่วยให้การส่งข้อมูลเป็นไปอย่างราบรื่น โปรโตคอล TCP มีหน้าที่ควบคุมงานต่างๆ เช่น การสร้างการเชื่อมต่อ การตัดการเชื่อมต่อ และการคงสถานะการเชื่อมต่อ ควรสังเกตว่าในที่นี้เรากล่าวว่าสายเสมือนหมายถึงการสร้างการเชื่อมต่อเท่านั้น การเชื่อมต่อตามโปรโตคอล TCP เพียงแค่บ่งชี้ว่าทั้งสองฝ่ายสามารถเริ่มต้นการส่งข้อมูลได้ และเพื่อรับประกันความน่าเชื่อถือของข้อมูล การกำหนดเส้นทางและโหนดการขนส่งจะถูกจัดการโดยอุปกรณ์เครือข่าย โปรโตคอล TCP เองไม่ได้เกี่ยวข้องกับรายละเอียดเหล่านี้

การเชื่อมต่อ TCP เป็นบริการแบบฟูลดูเพล็กซ์ ซึ่งหมายความว่าโฮสต์ A และโฮสต์ B สามารถส่งข้อมูลได้ทั้งสองทิศทางในการเชื่อมต่อ TCP กล่าวคือ ข้อมูลสามารถถ่ายโอนระหว่างโฮสต์ A และโฮสต์ B ได้ในทิศทางการไหลแบบสองทาง

TCP จะจัดเก็บข้อมูลชั่วคราวไว้ในบัฟเฟอร์ส่งข้อมูล (send buffer) ของการเชื่อมต่อ บัฟเฟอร์ส่งข้อมูลนี้เป็นหนึ่งในแคชที่ตั้งค่าไว้ระหว่างการจับมือสามขั้นตอน (three-way handshake) จากนั้น TCP จะส่งข้อมูลในแคชส่งข้อมูลไปยังแคชรับข้อมูล (receive cache) ของโฮสต์ปลายทางในเวลาที่เหมาะสม ในทางปฏิบัติ แต่ละฝ่ายจะมีแคชส่งข้อมูลและแคชรับข้อมูล ดังแสดงในภาพนี้:

บัฟเฟอร์ส่งข้อมูล (Send Buffer) คือพื้นที่หน่วยความจำที่ดูแลโดยการใช้งาน TCP ทางฝั่งผู้ส่ง ซึ่งใช้สำหรับจัดเก็บข้อมูลที่จะส่งชั่วคราว เมื่อทำการจับมือสามขั้นตอน (Three-way handshake) เพื่อสร้างการเชื่อมต่อ แคชส่งข้อมูล (Send Cache) จะถูกตั้งค่าและใช้เพื่อจัดเก็บข้อมูล บัฟเฟอร์ส่งข้อมูลจะถูกปรับเปลี่ยนแบบไดนามิกตามความหนาแน่นของเครือข่ายและข้อมูลป้อนกลับจากผู้รับ

บัฟเฟอร์รับข้อมูลคือพื้นที่หน่วยความจำที่ดูแลโดยการใช้งาน TCP ทางฝั่งผู้รับ ซึ่งใช้สำหรับจัดเก็บข้อมูลที่ได้รับชั่วคราว TCP จะจัดเก็บข้อมูลที่ได้รับไว้ในแคชรับข้อมูลและรอให้แอปพลิเคชันฝั่งต้นทางอ่านข้อมูลนั้น

โปรดทราบว่าขนาดของแคชสำหรับการส่งและรับมีจำกัด เมื่อแคชเต็ม TCP อาจใช้กลยุทธ์บางอย่าง เช่น การควบคุมความแออัด การควบคุมการไหลของข้อมูล ฯลฯ เพื่อให้มั่นใจได้ว่าการส่งข้อมูลมีความน่าเชื่อถือและเครือข่ายมีความเสถียร

ในเครือข่ายคอมพิวเตอร์ การส่งข้อมูลระหว่างโฮสต์จะดำเนินการโดยใช้เซ็กเมนต์ ดังนั้น เซ็กเมนต์แพ็กเก็ตคืออะไร?

TCP สร้างเซ็กเมนต์ TCP หรือเซ็กเมนต์แพ็กเก็ต โดยการแบ่งกระแสข้อมูลที่เข้ามาออกเป็นส่วนย่อยๆ และเพิ่มส่วนหัว TCP ให้กับแต่ละส่วนย่อย เซ็กเมนต์แต่ละอันสามารถส่งได้ในระยะเวลาจำกัดเท่านั้น และต้องไม่เกินขนาดเซ็กเมนต์สูงสุด (MSS) ระหว่างการส่งข้อมูล เซ็กเมนต์แพ็กเก็ตจะผ่านเลเยอร์ลิงก์ เลเยอร์ลิงก์มีหน่วยส่งข้อมูลสูงสุด (MTU) ซึ่งเป็นขนาดแพ็กเก็ตสูงสุดที่สามารถส่งผ่านเลเยอร์ลิงก์ข้อมูลได้ โดยปกติแล้วหน่วยส่งข้อมูลสูงสุดจะเกี่ยวข้องกับอินเทอร์เฟซการสื่อสาร

แล้ว MSS กับ MTU ต่างกันอย่างไร?

ในเครือข่ายคอมพิวเตอร์ สถาปัตยกรรมแบบลำดับชั้นมีความสำคัญมาก เพราะคำนึงถึงความแตกต่างระหว่างระดับต่างๆ แต่ละชั้นมีชื่อเรียกต่างกัน ในชั้นการขนส่ง ข้อมูลเรียกว่า เซ็กเมนต์ (segment) และในชั้นเครือข่าย ข้อมูลเรียกว่า แพ็กเก็ต IP ดังนั้น หน่วยการส่งข้อมูลสูงสุด (MTU) จึงอาจคิดได้ว่าเป็นขนาดแพ็กเก็ต IP สูงสุดที่สามารถส่งได้โดยชั้นเครือข่าย ในขณะที่ขนาดเซ็กเมนต์สูงสุด (MSS) เป็นแนวคิดของชั้นการขนส่งที่หมายถึงปริมาณข้อมูลสูงสุดที่สามารถส่งได้โดยแพ็กเก็ต TCP ในแต่ละครั้ง

โปรดทราบว่าเมื่อขนาดเซ็กเมนต์สูงสุด (MSS) มีขนาดใหญ่กว่าหน่วยการส่งข้อมูลสูงสุด (MTU) การแบ่งส่วนข้อมูล IP จะเกิดขึ้นที่เลเยอร์เครือข่าย และ TCP จะไม่แบ่งข้อมูลขนาดใหญ่เหล่านั้นออกเป็นส่วนๆ ที่เหมาะสมกับขนาด MTU จะมีส่วนที่อธิบายเกี่ยวกับเลเยอร์ IP โดยเฉพาะในเลเยอร์เครือข่าย