Strato 4 (Transport Layer) Protocolli TCP e UDP

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1 Strato 4 (Transport Layer) Protocolli TCP e UDP N. 1 Lo strato 4 (Transport Layer) Compito dello Strato 4 è fornire un servizio di trasporto dati affidabile e il più economico possibile, svincolando gli strati superiori da tutti i problemi di rete Fornisce l interfaccia fra gli strati superiori (le applicazioni) e lo strato di rete L interazione avviene attraverso un punto di accesso al servizio T-s.a.p. che negli standard di Internet è chiamato Porta identificato da un Numero di porta N. 2 1

2 L interfaccia Socket Gli standard non specificano come gli applicativi debbano interagire con i protocolli L interfaccia, che non è standardizzata e dipende dall implementazione del sistema operativo, viene comunemente chiamata Socket Si dice Indirizzo della Socket (Socket Address) un Numero di porta concatenato ad un indirizzo di rete e costituisce un end-point Si dice connessione l associazione di due end points che la individuano completamente un singolo end-point può essere condiviso tra più connessioni sulla stessa macchina N. 3 Processi client e processi server Le comunicazioni fra calcolatori sono originate da Processi applicativi (Applicazioni) che devono scambiare messaggi con altre Applicazioni Perché un calcolatore possa effettivamente utilizzare un messaggio che arriva, occorre che in esso in quel momento sia in esecuzione (running) un processo che va a leggere quel messaggio e sa cosa farsene La soluzione più frequente in Internet è l utilizzo di applicazioni distribuite, basate sul modello client server Ci sono calcolatori in cui girano processi Server che erogano servizi e si aspettano di ricevere interrogazioni da parte di processi Client N. 4 2

3 Processi client e processi server (segue) Il processo Server si predispone a ricevere una connessione eseguendo una apertura passiva Apre una socket, la collega ad una porta TCP e si mette in ascolto su quella porta in attesa dell arrivo di una richiesta di connessione (questo processo nel mondo Unix è chiamato Demone) Il processo Client esegue una apertura attiva tentando di collegarsi al processo server di destinazione Il client deve conoscere l indirizzo IP e il Numero di porta del della socket di destinazione In Internet si è convenuto che i server utilizzino dei numeri di porta convenzionali definiti in anticipo detti Well Known Socket Le Well Known Socket sono registrate presso IANA N. 5 Well-known-socket Numeri di porta Da 1 a1023 (in origine da1 a 255): numeri Riservati possono essere usati solo dai server da 1024 a 49151: : numeri Registrati Sono usati da alcuni servizi ma anche da client Da a numeri per i client Esempi di Well Known Socket N.Ro Nome Tipo di servizio 20 FTP-DATA trasferimento files (dati) 23 TELNET server Telnet 25 SMTP trasf. posta elettronica 53 DOMAIN Domain Name Server 80 HTTP Web server 109 POP Post Office Protocol N. 6 3

4 User Datagram Protocol UDP - RFC bit Source Port Message Lenght Destination Port Checksum (optional) Dati UDP è un protocollo di trasporto di tipo connectionless, per tutte quelle applicazioni per cui la completa gestione della connessione TCP non è necessaria Usato da quelle applicazioni che trasmettono pacchetti singoli, senza necessità di acknowledgement N. 7 User Datagram Protocol (segue) Anche per UDP esiste il concetto di porta, ed aggiunge ad IP la possibilità di distinguere diverse applicazioni entro uno stesso host Il campo checksum è opzionale È basato sul calcolo del bit di parità delle parole di 16 bit come in IP Viene controllato però tutto il datagramma, comprensivo di intestazione e campo dati, + uno pseudoheader contenente parte dell header IP Indirizzi IP sorgente e destinatario Protocol Lunghezza del payload IP N. 8 4

5 Transmission Control Protocol - RFC 793 Ha lo scopo di realizzare una comunicazione full-duplex affidabile e di tipo end-to-end fra processi applicativi di due host, facenti parte di un sistema di reti interconnesse E disegnato assumendo che: lo strato sottostante sia in grado di fornire solamente un semplice ed inaffidabile servizio di trasferimento dei pacchetti di tipo connection less (esattamente quello che fa l IP) Consente la Multiplazione: permette a più processi di utilizzare le sue funzioni di comunicazioni contemporaneamente N. 9 Connessioni e Multiplazione Host A Host C TCP TCP IP IP Host B TCP IP N. 10 5

6 Affidabilità del collegamento Il TCP garantisce la completa correttezza nella consegna dei dati A tale fine utilizza un protocollo Sliding Window basato su numerazione sequenziale dei dati, prendendo come unità di riferimento il byte conferma esplicita della ricezione di ogni blocco di byte da parte del ricevitore (acknowledge) ritrasmissione dei dati di cui non viene confermata la ricezione N. 11 Formato del pacchetto TCP (1) 32 bit Source Port Destination Port Sequence number Acknowledge number TCP header length Reserved U R G A C K P S H R S T S Y N F I N Window Checksum Urgent Pointer Opzioni Padding Dati N. 12 6

7 Formato del pacchetto TCP (2) Source (Destination) port: numero della porta sorgente (destinazione) Sequence number: numero di sequenza del primo byte del pacchetto; se è presente il bit SYN questo è il numero di sequenza iniziale su cui sincronizzarsi Acknowledge number: se il bit ACK è a 1 allora questo numero contiene il numero di sequenza del blocco di dati che il ricevitore si aspetta di ricevere TCP Header Length: numero di parole di 32 bit dell intestazione TCP; indica dove iniziano i dati Reserved: sei bit riservati per uso futuro N. 13 Formato del pacchetto TCP (3) Control bit: sono 6 bit di controllo - URG posto a 1 se si deve considerare il campo Urgent Pointer - ACK posto a 1 se si deve considerare il campo Acknowledge - PSH posto a 1 serve per la funzione di push, di cui non ci occupiamo - RST posto a 1 per resettare la connessione - SYN posto a 1 per sincronizzare i numeri di sequenza - FIN posto a 1 per indicare la fine dei dati N. 14 7

8 Formato del pacchetto TCP (4) Window: finestra del ricevitore, cioè il numero di byte che il ricevitore è disposto a ricevere, partendo dal numero di sequenza di quello contenuto nel campo acknowledge Checksum: controllo errore sull intestazione + dati + pseudoheader come in UDP Urgent Pointer: contiene puntatore a dati urgenti eventualmente presenti nel pacchetto (es. per abortire programma remoto in esecuzione), ha senso se il bit URG è posto ad 1 Options: contiene opzioni per la connessione Padding: bit aggiuntivi per fare in modo che l intestazione sia multipla di 32 bit N. 15 Apertura della connessione TCP SIN=1, SeqN=x ACK=0 SIN=1, SeqN=y ACK=1, AckN=x+1 SIN=0, SeqN=x+1 ACK=1, AckN=y+1 L apertura della connessione è difficile perché la rete può perdere,duplicare o ritardare i pacchetti Questo schema è detto three way handshake ed è molto robusto Il three way hanshake ignora pacchetti di apertura ritardatari e resiste alla instaurazione contemporanea di due connessioni N. 16 8

9 Chiusura della connessione TCP Il TCP cerca di realizzare la chiusura ordinata (soft release) della connessione, garantendo che non vadano persi dati Questo problema non può essere risolto in modo rigoroso su una rete inaffidabile La soluzione TCP, che funziona con buona probabilità, è la seguente Le due direzioni vengono rilasciate in modo indipendente emettendo un segmento con FIN=1 Quando questo segmento riceve l Ack la direzione si considera chiusa Se dopo due segmenti non arriva l Ack il mittente del FIN rilascia comunque la connessione L altra direzione può continuare a trasmettere dati finché non decide di chiudere N. 17 Dimensione delle Transfer Unit La T-entity che trasmette segmenta i messaggi troppo grandi passatigli dall Applicazione: deve scegliere la dimensione massima del segmento (Maximum Transfer Unit MTU). Tiene conto Delle dimensioni del buffer di cui dispone Dei limiti imposti dalla rete a cui è collegato La T-entity remota ha vincoli analoghi ma non sono conosciuti dal trasmettitore È possibile negoziare la dimensione della MTU attraverso una opzione In ogni caso non è possibile sapere i vincoli imposti alla dimensione del pacchetto da ogni rete intermedia che va attraversata La rete ha il meccanismo per la frammentazione dei pacchetti Questo può condurre a inefficienza, soprattutto in caso di una grande quantità di dati da trasmettere su una connessione, È stato definito un algoritmo detto MTU discovery basato su ICMP, che però non sempre funziona per problemi già citati di ICMP N. 18 9

10 Protocollo a finestra Il TCP usa un protocollo a finestra per rendere affidabile la connessione Rispetto ai protocolli di linea TCP affronta un problema molto più complicato perché Sono molto variabili le connessioni che deve instaurare ed i ritardi che le caratterizzano Per ogni connessione il ritardo è a sua volta una variabile aleatoria con grande varianza Sono molto variabili gli interlocutori con cui si connette ed i servizi che deve espletare Pertanto si sceglie di gestire dinamicamente la dimensione della finestra, che viene aggiornata ad ogni segmento trasmesso mediante il campo Window Se Window=0 vuol dire che il ricevitore per il momento non vuole altri dati (è una forma di controllo di flusso) N. 19 Protocollo a finestra (segue) Per avere la massima flessibilità si sceglie inoltre di assegnare un numero non ai segmenti ma ai singoli byte trasportati nei segmenti I dati trasportati sono pensati come un unico flusso (stream) di byte Si comincia a numerare da un numero x scelto a caso all atto della apertura della connessione Il campo Seq. number numera i primo byte del segmento I riscontri vengono dati mettendo nel campo Ack. Number il numero del byte successivo all ultimo ricevuto (del primo byte che ci si aspetta di ricevere) Gli Ack sono cumulativi e per default la procedura è goback-n Si può negoziare la selective repeat con le Opzioni N

11 Problemi della finestra, controllo di congestione Questo meccanismo può dare luogo a inefficienze in casi particolari Applicazione in trasmissione lenta, per esempio che trasmette un carattere per volta Applicazione in ricezione lenta ad accettare i dati, per esempio legge un byte alla volta e comunica una dimensione di finestra molto piccola Esistono algoritmi per tentare di rimediare almeno in parte a queste inefficienze Se il trasmettitore è veloce a emettere dati ed il ricevitore li accetta velocemente comunicando una grande dimensione di finestra, può succedere che la rete che sta in mezzo vada in congestione Il TCP/IP affida al TCP il compito di accorgersene e di porvi rimedio In sostanza deve operare un controllo di congestione detto endto-end windowing N. 21 Algoritmo di controllo di congestione Il trasmettitore oltre alla finestra comunicata dal protocollo (Receiver Window RW) mantiene una Finestra di Congestione (Congestion Window CW), con il seguente algoritmo (Jacobson) All inizio la CW è posta a 1 MTU Dopo trasmesso il segmento si ferma ed aspetta l Ack Se l Ack. arriva entro il Timeout prefissato si pone CW=2 MTU e trasmettono 2 segmenti Se ancora tutto va bene pone CW=4 e così via, raddoppiando ad ogni nuovo passo (crescita esponenziale) Questa crescita è detta slow start Quando CW ha raggiunto un valore di soglia T prefissato (all inizio 64 Kbyte), CW cresce di una MTU ad ogni passo (crescita lineare) e si continua fino a raggiungere il valore RW N

12 Algoritmo di controllo di congestione (segue) Se però in un qualunque momento un segmento non viene riscontrato prima della scadenza del Time out il trasmettitore assume che c è congestione e Pone il valore della soglia T a metà della CW corrente Riparte da CW=1 con lo slow start In questo modo TCP si adatta dinamicamente alle variazioni di capacità della rete, tendendo ad occupare tutta la banda disponibile (protocollo greedy) Recentemente sono state proposte nuove implementazioni di TCP, con una gestione più sofisticata dello slow start e della soglia T, che risultano più efficienti Se la rete è molto inaffidabile (per esempio una rete radio) non si può attribuire ogni perdita di pacchetto a congestione e occorrono algoritmi speciali N. 23 TCP Congestion Control An example of the Internet congestion algorithm. N

13 Gestione dei timer Ogni volta che si trasmette un segmento viene fatto partire il Transmission Timer e si attende il riscontro, che deve arrivare prima che sia scaduto È molto difficile scegliere un valore corretto per il valore del Timeout perché ogni connessione è diversa e variabile aleatoriamente Algoritmo di Jacobson usato da molti TCP Si stima il tempo di andata e ritorno di un segmento o Ruond Trip Time (RTT) misurando continuamente il tempo t fra l istante di partenza del segmento e quello di arrivo dell Ack, e ponendo RTT = α RTT + (1-α) t Tipicamente α = 7/8 N. 25 Gestione dei timer Si stima poi una specie di deviazione standard di tale valore, detto deviazione media D, con la formula D = β D + (1- β) RTT-t Si può avere β = α oppure no Si pone infine Timeout = RTT + 4 D Il TCP mantiene diversi altri Timer per prevenire possibili situazioni di dead lock N