Corso di Reti di Telecomunicazioni

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1 Corso di Reti di Telecomunicazioni Ingegneria ELETTRONICA e delle TELECOMUNICAZIONI (D.M. 270/04) A.A. 2011/12 maggiora@de .poliba.it

2 Architettura protocollare TCP/IP: strato di trasporto 2

3 UDP e TCP [1] Ch. 22; ; [D1] Ch. 6 User Datagram Protocol (UDP): fornisce un servizio inaffidabile e non orientato alla connessione. La sua unica funzione è quella del multiplexing [RFC 768] Transmission Control Protocol (TCP): fornisce un servizio affidabile e orientato alla connessione [RFC 793]. Funzioni: Controllo di Flusso end-to-end Controllo di Congestione end-to-end Ritrasmissione di SDU perse o corrotte Consegna nella corretta sequenza delle unità dati 3

4 Porte e socket 1/3 Al fine di multiplexare più flussi dati utilizzando un unico indirizzo IP sono definiti i numeri di porta Il protocollo di trasporto in Internet è responsabile del multiplexing/demultiplexing Ogni flusso dati in Internet è identificato da 5 parametri: Numero di porta locale Indirizzo IP host locale Numero di porta remoto Indirizzo IP host remoto Protocollo di Trasporto Socket 4

5 Porte e socket 2/3 Well-known ports: Riservate ad applicazioni specifiche e assegnate su base universale sia per il TCP che per l UDP Reserved ports: L uso può essere registrato dallo IANA, ma gli utenti possono comunque utilizzarle senza vincoli Dynamic ports Uso totalmente libero ed assegnabili dinamicamente dalle applicazioni 5

6 Porte e socket 3/3 Well-known ports: esempi 80/tcp 20/tcp 21/tcp 22/tcp 23/tcp 25/tcp 53/udp World Wide Web HTTP ftp-data ftp-control SSH Remote Login Protocol Telnet Simple Mail Transfer Domain Name System 6

7 UDP 32 bit Source port Length Data Destination port Checksum Source, Destination Port: numeri di porta associati alle applicazioni mittente/destinataria del datagram Length: Lunghezza del datagram (espressa in byte) Checksum: somma di controllo per rivelare eventuali errori (calcolata sommando 16 bit a 16 bit il contenuto del datagram e dello pseudoheader, contenente indirizzi IP mittente e destinatario, e calcolandone il complemento a 1) Pseudo Header Source IP Address Destination IP Address zero Protocol Type UDP length Source port Destination port Length Checksum Data 7

8 TCP Offre un servizio affidabile e orientato alla connessione Ogni connessione è full-duplex I byte trasmessi in ognuna delle direzioni sono numerati con un numero intero progressivo a 32 bit (sequence number) L affidabilità è assicurata mediante un meccanismo di riscontri cumulativi positivi Controllo di flusso end-to-end regolazione del rate di trasmissione al fine di non saturare il buffer di ricezione del ricevitore Controllo di congestione end-to-end regolazione del rate di trasmissione al fine di utilizzare completamente la banda disponibile in rete evitando collassi della stessa 8

9 TCP: formato del segmento 1/9 32 bit HLEN Source port Destination port Sequence Number Acknowledgement Number Flags Advertised Window Checksum Urgent Pointer Options Data 9

10 TCP: formato del segmento 2/9 32 bit HLEN Source port Destination port Sequence Number Acknowledgement Number Flags Advertised Window Checksum Urgent Pointer Options Data Source, Destination Port: numeri di porta associati alle applicazioni mittente/destinataria del segmento 10

11 TCP: formato del segmento 3/9 32 bit HLEN Source port Destination port Sequence Number Acknowledgement Number Flags Advertised Window Checksum Urgent Pointer Options Data Sequence Number: numero di sequenza associato al primo byte contenuto nel campo Data 11

12 TCP: formato del segmento 4/9 32 bit HLEN Source port Destination port Sequence Number Acknowledgement Number Flags Advertised Window Checksum Urgent Pointer Options Data Acknowledgement Number: identifica il numero di sequenza del successivo byte atteso dal ricevitore 12

13 TCP: formato del segmento 5/9 32 bit HLEN Source port Destination port Sequence Number Acknowledgement Number Flags Advertised Window Checksum Urgent Pointer Options Data Header Length: lunghezza header espressa in parole da 32 bit 13

14 TCP: formato del segmento 6/9 32 bit HLEN Source port Destination port Sequence Number Acknowledgement Number Flags Advertised Window Checksum Urgent Pointer Options Data Flags (6 bit): URG: indica se il segmento contiene dati urgenti ACK: indica se il segmento contiene informazioni di riscontro PSH: indica se il ricevitore deve passare immediatamente i dati al livello superiore RST, SYN e FIN: utilizzati per stabilire e interrompere la connessione 14

15 TCP: formato del segmento 7/9 32 bit HLEN Source port Destination port Sequence Number Acknowledgement Number Flags Advertised Window Checksum Urgent Pointer Options Data Advertised window: utilizzata per il controllo di flusso, indica lo spazio (in byte) disponibile nel buffer del ricevitore (la sorgente del messaggio) 15

16 TCP: formato del segmento 8/9 32 bit HLEN Source port Destination port Sequence Number Acknowledgement Number Flags Advertised Window Checksum Urgent Pointer Options Data Checksum: somma di controllo per rivelare errori nel segmento, è calcolata come per UDP 16

17 TCP: formato del segmento 9/9 32 bit HLEN Source port Destination port Sequence Number Acknowledgement Number Flags Advertised Window Checksum Urgent Pointer Options Data Urgent Pointer: spiazzamento (offset) in byte rispetto al primo byte del segmento indicante dove finiscono i dati urgenti 17

18 Creazione Connessione Client SYN SEQ_No=x Server ISN viene determinato in maniera pseudocasuale per evitare problemi di sovrapposizione dei sequence number SYN+ACK SEQ_No=y ACK_No=x+1 ACK SEQ_No=x+1 ACK_No=y+1 time Three-way Handshake time 18

19 Rilascio Connessione Client Server FIN ACK I mezza chiusura FIN ACK Attesa II mezza chiusura time time Chiusura connessione TCP 19

20 TCP Client: tipica sequenza di stati Attesa 30s Closed SYN inviato Time_Wait SYN_Sent FIN Ricevuto ACK inviato SYN + ACK Ricevuto ACK inviato FIN_Wait_2 Established ACK ricevuto FIN_Wait_1 FIN inviato 20

21 TCP Server: tipica sequenza di stati ACK ricevuto Closed Last_ACK Listen FIN inviato SYN Ricevuto SYN + ACK inviato Close_Wait SYN_Rcvd FIN ricevuto ACK inviato Established ACK Ricevuto 21

22 Maximum Segment Size (MSS) Dimensione massima del payload di un segmento TCP (caratterizzata dalla MTU a livello 2 oppure dalla dimensione del buffer in ricezione) Ethernet: MSS = MTU-40=1460 byte Generalmente viene concordata in fase di instaurazione della connessione considerando il valore minimo tra i due proposti, diversamente sarà necessario provvedere alla frammentazione dei datagrammi IP Poiché il valore di default della MTU è di 576 byte, il valore di default della MSS è di 536 byte 22

23 Ritrasmissione segmenti Si assume che un segmento sia stato perso quando si verifica uno dei seguenti eventi Ricezione 3 ACK Duplicati (3 DUPACK) Fast Retrasmit Scadenza Retransmission Timeout (RTO) N.B.: il parametro RTO viene valutato dinamicamente 23

24 Ricezione 3 DUPACK Ricezione 3DUPACK Fast Retransmit Sender Seq_no=1000 Seq_no=2000 Seq_no=3000 Seq_no=4000 Seq_no=5000 Seq_no=6000 Receiver Ack_no=2000 Ack_no=2000 Ack_no=2000 Ack_no=2000 Ack_no=2000 Retransmitted Segment Segment ACK Seq_no=2000 Seq_no=7000 Ack_no=

25 Retransmission Timeout (RTO) Misura RTT RTT Sender Seq_no=1000 Seq_no=2000 Seq_no=3000 Receiver Ack_no=2000 Seq_no=4000 È Scaduto il Timeout Seq_no=5000 Ack_no=2000 RTO Retransmitted Segment Segment ACK Seq_no=2000 Ack_no=

26 Calcolo RTO Ogni RTT, viene misurato un campione dello stesso RTT (RTT k ) RTO k =SRTT k +4 DEV k SRTT k =a(srtt k-1 )+(1-a) RTT k DEV k =b(dev k-1 )+(1-b) SRTT k -RTT k In seguito a timeout successivi RTO è progressivamente raddoppiato sino ad un numero massimo di volte Tipici valori a: (=7/8) b: 0.75 (=3/4) 26

27 Calcolo RTO: esempio RTT/RTO/ SRTT RTT SRTT RTO time 27

28 Controllo di Flusso 1/4 Dati generati dall applicazione Dati Buffer di Trasmissione TCP Sender TCP Receiver Buffer di Ricezione Advertised Window (Awnd) Aggiornamento W Internet 28

29 Controllo di Flusso 2/4 Finestra Scorrevole (W) Segmenti riscontrati Segmenti in volo (non riscontrati) Segmenti in attesa di essere trasmessi La finestra avanza man mano che pervengono nuovi ACK self-clocking La dimensione della finestra influenza il rate di trasmissione 29

30 Controllo di Flusso 3/4 Sender Receiver R T T Finestra=3 Rate medio=3/rtt Segment ACK time time 30

31 Controllo di Flusso 4/4 Il controllo di flusso regola il tasso di trasmissione dei segmenti al fine di non saturare il buffer di ricezione L Advertised Window (awnd) detta anche Receiver Window (rwnd) contenuta negli ACK indica lo spazio libero nel buffer di ricezione Essa è utilizzata dall entità TCP mittente come limite superiore alla sliding window In questo modo si evita di saturare il buffer di ricezione Può capitare che la rete sia in congestione e non sia in grado di trasmettere tutti i dati consentiti dall apertura della finestra. La stazione trasmittente, quindi, realizza anche un controllo di congestione. 31

32 Controllo di Congestione 1/3 Regola il tasso di trasmissione dei segmenti al fine di utilizzare pienamente la banda disponibile, evitando collassi di rete La banda disponibile: Non è nota a priori Varia nel tempo Analogamente al controllo di flusso è definita una finestra di congestione (cwnd) per limitare la dimensione della finestra scorrevole W = min(cwnd,awnd) è la finestra di trasmissione Il valore di cwnd è dinamicamente modificato nel tempo per mezzo di un opportuno algoritmo di controllo di congestione 32

33 Controllo di Congestione 2/3 Il paradigma Additive Increase Multiplicative Decrease (AIMD) utilizza due fasi per la regolazione dinamica di cwnd La fase Additive Increase incrementa progressivamente cwnd sino a quando si verifica un episodio di congestione La fase Multiplicative Decrease riduce drasticamente cwnd in seguito ad un episodio di congestione per scongiurare il collasso della rete Episodi di congestione: Ricezione di 3 ACK Duplicati Scadere di un RTO 33

34 Controllo di Congestione 3/3 Inizialmente la cwnd è pari a 1 MSS (Maximum Segment Size) Si introduce la variabile sstresh (slow start trheshold, tipicamente byte) inizialmente posta al valore massimo (fase di probing; si tenta di sfruttare tutta la banda disponibile) All avvio della connessione, il TCP è in fase slow start. La cwnd è aumentata di 1 (MSS) per ogni segmento riscontrato (ACK ricevuto) ovvero è raddoppiata ogni RTT (ogni riscontro dell intera finestra stessa) Quando si verifica un episodio di congestione (3DUPACK o scadenza RTO), la cwnd e la soglia sono settate in accordo al particolare algoritmo di controllo di congestione usato (es., Tahoe, Reno, New Reno, ecc.) Qualora la cwnd sia maggiore della sstresh, si passa in fase di congestion avoidance. La cwnd è incrementata di 1/cwnd ogni segmento riscontrato ovvero è aumentata di 1 (MSS) ogni RTT (ogni riscontro dell intera finestra stessa) cwnd [MSS] ssthresh Congestion Slow Start Congestion Avoidance time [RTT] 34

35 TCP Tahoe Ricezione ACK If (cwnd < sstresh) then cwnd cwnd +1 else cwnd cwnd+1/cwnd (fase di slow start) (fase di congestion avoidance) con sstresh (slow start threshold): soglia per stabilire l inizio della fase di congestion avoidance Ricezione 3 DUPACK sstresh cwnd/2 cwnd = 1 Timeout sstresh cwnd/2 cwnd = 1 cwnd [MSS] ssthresh Congestion Avoidance 3DUPACK Timeout Non c è differenza tra 3 DUPACK e Timeout Slow Start 35

36 TCP Reno Ricezione ACK: If (cwnd < sstresh) then cwnd cwnd +1 else cwnd cwnd+1/cwnd (fase di slow start) (fase di congestion avoidance) Ricezione 3 DUPACK (Fast Recovery) sstresh cwnd/2 cwnd = sstresh cwnd [MSS] 3DUPACK Timeout Timeout: sstresh cwnd/2 cwnd = 1 ssthresh Congestion Avoidance Fast Recovery Nella fase di fast recovery si ritrasmettono i segmenti persi (fast retransmit) Slow Start time [RTT] 36

37 TCP New Reno Nel TCP Reno, l uscita dalla fast recovery avviene a ricezione dell ACK relativo al segmento che ha causato l ingresso nella fast recovery stessa Si ha basso throughput nel caso di perdite multiple nella medesima finestra perché la finestra viene ridotta più volte Nel TCP New Reno, l uscita dalla fast recovery avviene quando viene riscontrata l intera finestra di segmenti outstanding (in volo) all istante dell ingresso nella fast recovery La cwnd è dimezzata solo una volta nell ambito di una stessa finestra Se vi è solo un 3 DUPACK in una finestra, New Reno e Reno sono ovviamente indistinguibili cwnd 3DUPACK Timeout Congestion Avoidance ssthresh Slow Start Fast recovery time 37

38 Es. : andamento della cwnd con TCP Reno cwnd [MSS] 3DUPACK Timeout Congestion Avoidance ssthresh Fast Recovery Slow Start time [RTT] 38

39 Analisi in condizioni stazionarie (semplice modello) - Si descrive un semplice modello per analizzare la relazione tra troughput del TCP, RTT e probabilità p di perdita di un segmento - In condizioni stazionarie, considerando solo la perdita di segmenti per 3DUPACK, la cwnd varia linearmente (1 MSS ogni RTT) tra il valore della soglia (pari a cwnd/2 = M/2)eilsuovaloremassimoM (retta con pendenza 1/RTT) - Considerando il tempo medio T che intercorre tra la perdita di due segmenti e il coefficiente angolare della retta, si ha pertanto M 1 M T M T = M = + - La probabilità p di perdita di 2 un segmento RTT 2 RTT è il rapporto tra il numero di segmenti persi (pari a 1 nell intervallo T) e il numero di segmenti inviati (integrale del rate =cwnd/rtt nell intervallo T, cioè l area di uno dei triangoli della figura diviso RTT) cwnd [MSS] M = 1 T p 2 2RTT M T = ( M + / ) - Combinando le due equazioni precendenti 2 RTT 3p M/2 poiché il throughput è dato dal numero di segmenti inviati nell intervallo T T time [RTT] Throughput = 1 pt 1 RTT p 39

40 TESTI DI RIFERIMENTO [1] A. Pattavina, Reti di Telecomunicazione, Networking e Internet, Seconda Edizione, McGraw-Hill,

41 TESTI DI APPROFONDIMENTO [2] Behrouz A. Forouzan, Reti di calcolatori e Internet, McGraw-Hill, 2007 [3] J. F. Kurose, K. W. Ross, Reti di Calcolatori e Internet, Un approccio top-down, III ed., Pearson Education Italia, 2005 [4] J. Walrand, P. Varaiya, High-Performance Communication Networks- Second edition, Morgan Kaufmann Publishers, [5] S. Gai, P. L. Montessoro, P. Nicoletti, Reti Locali, dal cablaggio all internetworking, Scuola Superiore G. Reiss Romoli,

42 TESTI DI APPROFONDIMENTO [6] B. A. Forouzan, I protocolli TCP/IP, McGraw-Hill, 2006 [7] F. Halsall, Networking e Internet, V ed., Pearson Education Italia, [8] Comer Douglas E., Internetworking con TCP/IP, vol. 1, Principi, protocolli e architetture, Pearson Education Italia, 2006 [9] W. R. Stevens, TCP/IP Illustrated, Volume 1, Addison-Wesley, [10] L. L. Peterson, B. S. Davie, Computer Networks, III ed., Morgan Kauffmann Pub.,