Funzioni del protocollo TCP

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1 Funzioni del protocollo TCP Prof. Ing. Carla Raffaelli Anno accademico Il TCP Il TCP e un protocollo orientato alla connessione utilizzato per gestire il trasferimento end-to-end di informazioni e renderlo affidabile Schema di riferimento applicazione byte TCP Send buffer segmenti applicazione byte TCP Receive buffer 1

2 La famiglia dei protocolli TCP/IP Applicazioni ,ftp,telnet,www TCP UDP ICMP IP ARP RARP IEEE 802-Ethernet-X25-Aloha ecc. Collegamento fisico Transmission Control Protocol - RFC 793 Protocollo di tipo connection-oriented Ha lo scopo di realizzare una comunicazione fullduplex affidabile e di tipo end-to-end fra processi applicativi di due host, facenti parte di un sistema di reti interconnesse E progettato assumendo che: il livello inferiore 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) 2

3 Scopo del TCP Affidabilità del collegamento: il TCP garantisce la completa correttezza nella consegna dei dati a meno di partizioni della rete dovute a guasti ai collegamenti fisici A tale fine utilizza: 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 Funzioni del TCP Controllo dell errore per il riconoscimento degli errori di trasmissione viene effettuato un controllo mediante 16 bits Controllo di flusso: meccanismo a finestra che permette al trasmettitore di regolare il flusso dati inviati in relazione allo stato del ricevitore Controllo di congestione meccanismo a finestra che permette al trasmettitore di regolare il flusso di dati in base allo stato percepito della rete 3

4 Procedura connection-oriented Per garantire affidabilità e controllo di flusso, il TCP lavora in modo connection-oriented l instaurazione della connessione la chiusura della connessione Multiplazione: permette a più processi di utilizzare le funzioni di comunicazione contemporaneamente Connessioni Una connessione è costituita da una coppia di endpoints: il numero di porta, concatenato con il numero IP dell host costituisce un end-point una coppia di end-points identifica in modo univoco una particolare connessione, così che un singolo end-point può essere condiviso tra più connessioni sulla stessa macchina E un identificativo che equivale concettualmente al Service Access Point (SAP) secondo la terminologia OSI, per identificare il processo destinazione L host che inizia la connessione deve comunicare a quale porta si vuole connettere e qual è il numero di porta da lui utilizzato 4

5 Connessioni e Multiplazione Host A Host C TCP TCP IP IP Host B TCP IP Attivazione della connessione TCP La procedura viene innescata dalla active open lato client Viene inviato un segmento TCP con SYN=1. Il client sceglie anche un numero di sequenza iniziale per il segmento TCP. Il segmento viene incapsulato in un datagramma IP e inviato al server Il server risponde con un segmento TCP con SYN=1 e predispone i buffer per la ricezione Quando il client riceve la conferma dal server predispone le risorse per la trasmissione e invia un segmento TCP con SYN=0. La connessione e stabilita 5

6 Apertura connessione TCP A CLOSED SYN-SENT SENT ESTABLISHED ESTABLISHED ESTABLISHED TCP B LISTEN SeqN=100 SYN=1 ACK=0 SYN-RECEIVED SYN-RECEIVED ESTABLISHED ESTABLISHED TCP A attiva una porta e cerca di connettersi ad una well-known socket di TCP B, che è in attesa TCP A inviaun pacchetto di apertura con il bit SYN=1 ed il suo numero di sequenza iniziale Apertura connessione TCP A CLOSED SYN-SENT SENT ESTABLISHED ESTABLISHED ESTABLISHED TCP B LISTEN SeqN=100 SYN=1 ACK=0 SYN-RECEIVED SeqN=300 AckN=101 SYN=1 ACK=1SYN-RECEIVED SeqN=101 AckN=301 SYN=0 ACK=1ESTABLISHED DATI ESTABLISHED TCP B risponde con ACK=1 e SYN=1 e propone il suo numero di sequenza TCP A conferma l avvenuta apertura della connessione con un ACK=1 6

7 Three ways handshake TCP A CLOSED SYN-SENT SENT ESTABLISHED ESTABLISHED ESTABLISHED TCP B LISTEN SeqN=100 SYN=1 ACK=0 SYN-RECEIVED SeqN=300 AckN=101 SYN=1 ACK=1SYN-RECEIVED SeqN=101 AckN=301 SYN=0 ACK=1ESTABLISHED DATI ESTABLISHED Three ways handshake è robusto anche se si tenta di instaurare connessioni contemporaneamente TCP tende ad ignorare un vecchio pacchetto di inizio connessione (esempio un duplicato o un ritardo a livello IP), una volta instaurata la connessione Messaggio di reset usato per recuperare l errore Connessione a server web La porta di riferimento sul server e la porta 80 Il server distingue i segmenti dei differenti client dagli indirizzi IP di sorgente e dai numeri di porta di sorgente I server web creano in genere un nuovo processo per ogni nuova connessione Porta X Porta Y P1 P2 PORTA 80 IP address del client IP address del server 7

8 Formato del pacchetto TCP 32 bit Source Port Destination Port Sequence number Acknowledge number Data Offset 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 Formato del pacchetto TCP (2) Source/Destination port: numero delle porte sorgente e 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 Data offset: numero di parole di 32 bit dell intestazione TCP; indica dove iniziano i dati Reserved: sei bit riservati per uso futuro 8

9 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, per la consegna immediata delle informazioni - 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 Formato del pacchetto TCP (4) Window: il numero di byte, partendo dal numero di sequenza di quello contenuto nel campo acknowledge, che il ricevitore è disposto a ricevere Checksum: controllo errore sull intestazione e dati 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 9

10 La famiglia dei protocolli TCP/IP Applicazioni ,ftp,telnet,www TCP UDP ICMP IP ARP RARP IEEE 802-Ethernet-X25-Aloha ecc. Collegamento fisico User Datagram Protocol - RFC bit Source Port Message Lenght Destination Port Checksum (optional) Dati UDP è un protocollo di tipo connectionless a livello 4, 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 10

11 User Datagram Protocol - RFC 768 (2) Utilizzati solamente i campi di source e destination port Anche per UDP esiste il concetto di porta, ed aggiunge ad IP la possibilità di distinguere diverse applicazioni entro uno stesso host Port 7: echo; Port 69: trivial file transfer protocol (TFTP) Riepilogo Per attivare una connessione TCP occorre: Attivare le socket per i processi client e server Definire la quadrupla porta-client, IP-client, porta-server, IP-server Effettuare la procedura TCP di handshake a tre vie 11

12 Controllo di flusso nel TCP Il trasmettitore non deve saturare il ricevitore Utilizzo un meccanismo a finestra scorrevole Differenze dall analogo meccanismo a livello di linea: Ritardi di andata e ritorno non costanti Possibilita di pacchetti fuori sequenza Diversa velocita delle connessioni Nell intestazione del pacchetto TCP e contenuto il campo advertised window Meccanismo a finestra Al piu W pacchetti non confermati possono essere in trasmissione La dimensione della finestra viene messa a punto dinamicamente sulla base di informazioni dal ricevente e dalla rete Minimo tra advertised window (dal ricevente) e congestion window (dalla situazione di rete) Sender s window Acks received Not transmitted 12

13 Controllo di flusso a finestra Sender s window Ack 5 L ack per il pacchetto 5 consente alla finestra di spostarsi di due posizioni cosi che i pacchetti 9 e 10 possono essere trasmessi Sender s window Buffer di trasmissione Il buffer di trasmissione viene riempito dai byte generati dalla applicazione Il trasmettitore non puo avere piu di AW byte in attesa di riconoscimento Buffer di trasmissione Appl. Last byte acknowledged Last byte sent Last byte written Effective window EW= AW-(last byte sent-last byte acknowledged) t 13

14 Buffer di ricezione Il processo ricevente legge byte dal buffer di ricezione I dati possono arrivare fuori ordine Buffer di ricezione Appl. last byte read next byte expected last byte received Il valore di AW e lo spazio disponibile nel buffer del ricevitore di dimensione B AW= B (last byte received last byte read) t Attuazione del controllo Come un ricevitore lento blocca un trasmettitore piu veloce Il buffer di ricezione si riempie -> AW va a 0 Il trasmettitore blocca la trasmissione perche EW va a 0 Ripresa della trasmissione Il processo ricevente legge dal buffer AW diventa >0 Il trasmettitore inizia a trasmettere Appena arrivano gli ack si libera il buffer di trasmissione Il processo trasmittente inizia a trasmettere Durante il blocco il trasmettitore continua ad inviare segmenti di 1 byte per avere risposta dal ricevitore 14

15 Controllo di congestione TCP cerca di adattare la dimensione della finestra in relazione alle condizioni della rete Idea base: se si verifica congestione in rete si rallenta la trasmissione Quando si verifica una perdita si riduce W Quando gli ack arrivano correttamente W viene aumentata Congestion window Il TCP mantiene una variabile detta CW (Congestion Window) MAXWIN = min(cw, AW) EW= MAXWIN- (last byte sent-last byte acknowledged) TCP da un valore a CW in base alla percezione di congestione che riceve dalla rete. Non c e in genere comunicazione esplicita di CW 15

16 Dimensione ideale della finestra Wid= ritardo*banda Rappresenta la quantita di informazione che utilizza al 100% la tratta tra trasmettitore e ricevitore Se W < Wid: si spreca banda Se W > Wid: e necessario accodare nei router intermedi e cresce il ritardo e quindi potenzialmente anche la perdita Massimo throughput ottenibile: W/RTT RTT: Round Trip Time Valori della finestra ideale Ipotesi RTT= 100 ms Calcolo del prodotto banda x ritardo Banda T1 (1.5 Mbit/s) Ethernet (10 Mbit/s) T3 (45 Mbit/s) FDDI (100 Mbit/s) STS-3 (155 Mbit/s) STS-12 (622 Mbit/s) STS-24 (1.2 Gbit/s) Banda x ritardo 18 KB 122 KB 549 KB 1.2 MB 1.8 MB 7.4 MB 14.8 MB Con 16 bit di receiver windows si arriva la massimo a 64 KB Opzione window scale consente di moltiplicare il valore della AW per un fattore di scla concordato alla instaurazione della connessione (RFC 1323) 16

17 Incremento additivo/decremento moltiplicativo AIMD La causa principale per cui un pacchetto va perduto e la congestione Quando scatta il time out la sorgente dimezza il valore di CW (multiplicative decrease) Per incrementare CW si usano modalita di tipo additivo (additive increase) Meccanismi di incremento della finestra Slow start Si applica inizialmente, W cresce di 1 per ogni ack ricevuto Consente un incremento rapido della finestra (esponenziale) e quindi del throughput Congestion avoidance Dopo aver raggiunto la soglia W si incrementa di 1 per RTT (1/W ogni ack) Evita di saturare la banda disponibile 17

18 Esempio di aggiornamento della finestra W=1 all inizio W=(2..3) dopo il primo ack (1 RTT) W=(3..5) dopo il secondo ack (2 RTT) W=(4..7) dopo il terzo ack (2 RTT) W=(8..15) dopo il gruppo di 4 ack (3 RTT) L ampiezza della finestra raddoppia ad ogni RTT Esempio di evoluzione della finestra cwnd Congestion Window size (segments) Congestion avoidance Slow start Time (round trips) Slow start threshold (ssthresh) 18

19 Meccanismo di ack Gli ack sono cumulativi Un ack si riferisce a tutti i dati ricevuti in modo contiguo TCP assegna numeri di sequenza per byte Per semplicita si assumono qui numeri di sequenza di pacchetti Ack(i) rappresenta l ack per il pacchetto i Ack cumulativi data ack Un nuovo ack viene generato solo quando viene ricevuto un nuovo pacchetto in sequenza 19

20 Ack ritardati Un ack e ritardato fino a che e stato ricevuto un ulteriore pacchetto Scatta un timer di ack (200 ms) Si riduce il traffico di ack Nuovo ack generato all arrivo del pacchetto 37 anziche del pacchetto 36 Perdita di pacchetto Il TCP riconosce la perdita di pacchetto mediante Presenza di ack duplicati Scadere del time out di ritrasmissione (delayed acks) No ack 20

21 Time out (RTO) Se un ack non arriva per un certo tempo il trasmettitore conclude che il pacchetto e andato perduto Restringe la finestra a 1 e inizia la trasmissione slow start La ritrasmissione avviene a partire dal pacchetto piu vecchio non riconosciuto Problema: occorre tempo per accorgersi della perdita (ordine del secondo contro ordine di qualche ms per la trasmissione) La soglia viene posta alla meta del valore che aveva la finestra prima della perdita Effetto del time out Congestion window (segments) After timeout cwnd = 20 ssthresh = 8 ssthresh = Time (round trips) 21

22 Descrizione in pseudo codice rwnd=aw Slow start Congestion avoidance 1) cwnd=1mss ssthresh=rwnd, finestra imposta dal ricevitore 2) cwnd=cwnd+1 ad ogni ack fino a che cwnd>ssthresh go to 3) se si ha RTO: ssthresh=min(cwnd,rwnd)/2 cwnd=1 go to 2) 3) cwnd=cwnd+1/cwnd ad ogni ack se si ha RTO: ssthresh=min(cwnd,rwnd)/2 cwnd=1 go to 2) Ack duplicati data ack Dup ack 22

23 Fast retransmit/recovery Gli ack duplicati sono una indicazione del fatto che puo esserci stata perdita Se si ricevono tre ack per lo stesso pacchetto si effettua ritrasmissione (fast retransmit) Si riduce la soglia alla meta del valore corrente della finestra Si pone la finestra pari al valore della soglia+3 (per tenere degli ack duplicati ricevuti) Il segmento supposto perduto viene ritrasmesso e si entra nella fase di fast recovery Si trasmettono segmenti nuovi fino a che non arriva l ack per il pacchetto perduto la finestra di congestione viene incrementata di 1 per ogni ack ricevuto come nella fase di slow start Quando arriva l ack per il pacchetto perduto finisce la fase di fast recovery, il trasmettitore entra in congestion avoidance partendo dal valore impostato per ssthr Finestra di congestione: fast retransmit/fast recovery Valore massimo della finestra slow start tre ack duplicati: ssthr=cw/2 cw=ssthr+3 Finestra di congestione (segmenti) ssthr: coda vuota fast retransmit Tempo (s) Transitorio iniziale con perdite multiple 23

24 Occupazione della coda di trasmissione Occupazione coda (segmenti) Tempo (s) Fairness del meccanismo AIMD Due connessioni condividono la banda di un singolo link con capacita B B1+B2 = B (al massimo) Equita : B1=B2 B In presenza di perdita si attua La riduzione moltiplicativa (retta per l origine che passa per 2) 3 1 In congestion avoidance la finestra (e quindi anche il throughput) aumenta in maniera additiva (retta a 45 gradi) B1 24

25 Altre versioni di TCP Problema delle perdite multiple nel RTT Fast recovery puo portare al time out in caso di perdite multiple nel RTT TCP New Reno Rimane in fast recovery fino a che tutte le perdite nella finestra non sono state recuperate Recupera una perdita per RTT TCP- SACK (Selective Acknowledgment) Fornisce informazioni sui pacchetti ricevuti fuori sequenza Puo recuperare piu pacchetti perduti per RTT TCP New Reno RFC2582 Se in una finestra vengono perduti piu segmenti si innesca un processo di riduzione della cwnd che spesso porta il trasmettitore a non poter piu trasmettere segmenti per generare dupack di ritorno. Scatta il time out e si innesca lo slow start New Reno in presenza di ack parziale assume che il segmento immediatamente successivo a quello riconosciuto sia andato perduto e lo ritrasmette Fast recovery inizia con tre ack duplicati e finisce quando sono stati riconosciuti tutti i segmenti in trasmissione nel momento in cui e iniziato il fast retransmit. Gli ack parziali decrementano il valore della finestra corrente della quantita di dati riconosciuta, la incrementano di un segmento e ri-innescano il fast recovery 25

26 TCP with selective acknowledgements TCP SACK: il ricevitore indica al trasmettitore quali segmenti sono stati ricevuti correttamente su un certo insieme in modo che il trasmettitore ritrasmette solo quelli Solo quando nessun segmento trasmesso richiede ulteriori ritrasmissioni vengono trasmessi nuovi segmenti In SACK viene mantenuta una nuova variabile pipe che indica il numero di segmenti in trasmissione Nella fase di fast recovery vengono inviati segmenti (nuovi o ritrasmessi) solo se pipe <cwnd Il valore della pipe viene incrementato ogni volta che viene trasmesso un segmento e decrementato ogni volta che si riceve un ack. La fase di fast recovery termina quando tutti i segmenti in corso di trasmissione all inizio della procedura sono stati riconosciuti TCP Vegas La dinamica della finestra di trasmissione si basa su una stima del throughput ottenuta nel modo seguente: Expected=Windowsize/BaseRTT, dove BaseRTT e il minimo valore di RTT riscontrato Per ciascun segmento viene misurato RTT e il numero di byte trasmessi in tale tempo Se la differenza tra il throughput atteso e il throughput calcolato e minore di α si incrementa linearmente la finestra cwnd nel RTT successivo; Se la differenza e superiore a β cwnd viene decrementato linearmente nel RTT successivo Slow start modificato: cerca di individuare il valore corretto della finestra senza incorrere in una perdita Quando il throughput corrente e inferiore al throughput atteso si passa da ss a ca La ritrasmissione avviene dopo un ack duplicato se la stima di RTT e superiore al valore del time out 26

27 IETF RFCs 2018 SACK 2481 Explicit congestion notification increasing inizial window size 2581 slow start, congestion avoidance,fast retransmit, fast recovery 2582 New Reno 2988 Retransmission timer (RTO) ccomputation Riepilogo: versioni del TCP Tahoe Slow-start Congestion avoidance Fast retransmit Reno Implementa anche il fast recovery New Reno Fast recovery per recuperare perdite multiple SACK Ritrasmissione selettiva VEGAS Stima della finestra di congestione 27

28 Ritrasmissione adattativa Differentemente da quanto avviene sulla singola linea RTT non e costante Il timeout che regola il meccanismo a finestra del TCP deve essere determinato in modo dinamico L idea base e di mantenere aggiornato un valore medio del RTT e di calcolare il time out in funzione di esso Ogni volta che il TCP invia un segmento registra il tempo e lo sottrae al tempo di arrivo dell ACK ad esso relativo ottenendo la grandezza s-rtt La stima di RTT si ottiene con la seguente media pesata tra il vecchio valore e il nuovo campione: ertt= α ertt + (1-α) srtt α=0.125 valore tipico T out =2eRTT Associazione degli ACK ai segmenti trasmessi ACK e la conferma della ricezione dei dati e non di una particolare trasmissione Se un pacchetto viene ritrasmesso piu volte non so con quale valore dell istante di partenza calcolare e-rtt Sender Receiver Sender Receiver SampleRTT Original transmission Retransmission ACK SampleRTT Original transmission ACK Retransmission (a) (b) 28

29 Algoritmo Karn/Partridge S-RTT viene misurato soltanto per i segmenti che vengono inviati una volta sola Ad ogni ritrasmissione il TCP raddoppia il time out Comunque ogni volta che arriva l ACK si ricalcola con l ultimo valore di ertt secondo la formula Questo meccanismo e una forma di controllo di congestione che fa si che il trasmettitore aspetti un tempo via via piu lungo prima di ritrasmettere un segmento per cui non ha ancora ottenuto riscontro Variazioni di RTT (RFC2988) Se le variazioni tra i campioni di RTT sono piccole non ha senso calcolare il time out secondo la formula T out =2eRTT Viene effettuato sulla base della stima del RTT e della deviazione del valore del campione di RTT rispetto alla stima Si calcola la deviazione del valore del campione di RTT (srtt) rispetto alla stima ertt: devrtt= (1-β) devrtt+ β srtt-ertt Calcolo del time out Tout= e-rtt +4 devrtt Se le fluttuazioni sono piccole time out e circa uguale a e-rtt altrimenti time out > e-rtt in modo piu consistente β=0.25 e il valore raccomandato 29