Capitolo 3 - parte 3. Corso Reti ed Applicazioni Mauro Campanella

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1 Capitolo 3 - parte 3 Corso Reti ed Applicazioni Mauro Campanella

2 Elementi Base Trasporto Affidabile Problema Conseguenza nel protocollo Errori nei dati Errori nei messaggi Perdite di pacchetti Efficenza : controllo errori in ogni pacchetto scambio informazioni e messaggi di controllo : numeri di sequenza : timer per ritrasmissione : finestra di trasmissione (Go-Back-N) intervallo grande di numeri di sequenza Il modello è rappresentabile con una macchina a stati finiti, sia per il mittente, che per il ricevente M. Campanella Corso Reti ed Applicazioni - Como 2004 Cap 3-3 pag. 2

3 Transmission control protocol (TCP) RFCs 793 TCP - la definizione originale - ett TCP Maximum egment ize (opt) 896 Nagle s algorithm (TCP_NODELAY socket option) 1122 Requirements for Internet Hosts 1323 TCP Extensions for high speed (window scale opt.) elective ACKnowlegements (opt) TCP congestion control 2582 New Reno modification to TCP's Fast Recovery 2988 Computing TCP retransmission timer 3042 Enhancing TCP's Loss Recovery M. Campanella Corso Reti ed Applicazioni - Como 2004 Cap 3-3 pag. 3

4 Transmission Control Protocol (TCP) Protocollo di trasporto che offre: - un servizio affidabile - orientato alla connessione - punto - punto - fra mittente e destinatario (end to end) - trasporta uno stream di byte (non riconosce o inserisce delimitazioni nel flusso di dati passato dall applicazione) - in grado di riordinare i dati nei segmenti ricevuti - in grado di eliminare i duplicati M. Campanella Corso Reti ed Applicazioni - Como 2004 Cap 3-3 pag. 4

5 Transmission Control Protocol (TCP) Effettua una trasmissione che è sempre creata full duplex : flusso dati ed informazione è bidirezionale nella stessa connessione Usa buffer di spedizione e ricezione in modalità sliding window : applicazione applicazione ocket ocket TCP send buffer TCP receive buffer segmenti TCP send buffer TCP receive buffer segmenti M. Campanella Corso Reti ed Applicazioni - Como 2004 Cap 3-3 pag. 5

6 Transmission Control Protocol (TCP) M: maximum segment size: i dati dell applicazione sono spezzati da TCP in segmenti che hanno M come massima dimensione (in byte). M è decisa all inizio della connessione (attraverso una esplicita opzione TCP o attraverso il valore di default) I dati sono spediti in segmenti di dimensione variabile decisa da TCP di volta in volta, in base allo stato della connessione. Aknowledgement: lo scambio di informazione è basato su ACK, spediti dal ricevente, normalmente con un leggero ritardo rispetto alla ricezione del pacchetto. M. Campanella Corso Reti ed Applicazioni - Como 2004 Cap 3-3 pag. 6

7 Transmission Control Protocol (TCP) Pipelining: realizzato attraverso l esistenza di buffer con finestra scorrevole, di tipo Go-Back-N Controllo di flusso: dato che, ai capi della connessione, i nodi forniscono uno spazio di buffering finito, attraverso i messaggi di ACK vi è un aggiustamento reciproco della velocità di trasmissione. Controllo di congestione: la perdita di pacchetti è usata come indice di congestione e fa scattare meccanismi per diminuire la velocità di trasmissione, prima dell esaurimento dei buffer. M. Campanella Corso Reti ed Applicazioni - Como 2004 Cap 3-3 pag. 7

8 Header TCP: parti note porta del mittente porta del destinatario In parole da 32 bit! (60 byte massimo) lungh. head. riservati numero di sequenza numero di acknowledgement U R G A C K P H R T Y N F I N Opzioni (se presenti) dimensione finestra checksum num. sequenza urgente dati M. Campanella Corso Reti ed Applicazioni - Como 2004 Cap 3-3 pag. 8

9 pseudo header zero protocollo lunghezza TCP 32 bit indirizzo IP sorgente 32 bit indirizzo IP destinazione porta del mittente porta del destinatario TCP: segmento per checksum lungh. head. riservati numero di sequenza numero di acknowledgement U R G A C K P H R T Y N F I N Opzioni (se presenti) dimensione finestra checksum num. sequenza urgente dati M. Campanella Corso Reti ed Applicazioni - Como 2004 Cap 3-3 pag. 9

10 Header TCP: i numeri di sequenza Tutti i numeri di sequenza indicano il numero d ordine di un byte nel byte flow (dati), non il numero del segmento. - Numero di sequenza (32 bit - circa 4 miliardi): punta al primo byte della parte dati del pacchetto. YN e FIN sono un eccezione e contano come un (1) byte. All inizio di ogni connessione il primo valore è scelto a caso - Acknowledge sequence number: indica il numero di sequenza del primo byte del prossimo segmento atteso. - Urgent pointer: valido solo con il flag URG attivo. L offset positivo dal numero di sequenza del segmento corrente in cui vi è l ultimo byte (o il seguente ) dei dati urgenti (non l inizio! ) M. Campanella Corso Reti ed Applicazioni - Como 2004 Cap 3-3 pag. 10

11 Header TCP: campi numeri di sequenza porta del mittente porta del destinatario numero di sequenza numero di acknowledgement lungh. head. riservati U R G A C K P H R T Y N F I N dimensione finestra checksum num. sequenza urgente Opzioni (se presenti) dati M. Campanella Corso Reti ed Applicazioni - Como 2004 Cap 3-3 pag. 11

12 Esempio di scambio di numeri di sequenza L utente invia C Nodo invia l ACK di ricevuta di C Nodo A Nodo B eq=42, ACK=79, data = C eq=79, ACK=43, data = C eq=43, ACK=80 Nodo invia l ACK di ricevuta di C, manda l eco di C tempo Esempio con telnet M. Campanella Corso Reti ed Applicazioni - Como 2004 Cap 3-3 pag. 12

13 Header TCP: FLAG ACK: numero di seq. ACK valido porta del mittente porta del destinatario URG: urgent data (raramente usato) PH: push dati (raramente usato) RT, YN, FIN: comandi connessione (reset, creazione, termine) lungh. head. riservati numero di sequenza numero di acknowledgement U R G A C K P H R T Y N F I N Opzioni (se presenti) dati dimensione finestra checksum num. sequenza urgente M. Campanella Corso Reti ed Applicazioni - Como 2004 Cap 3-3 pag. 13

14 Header TCP: Flags ingoli bit on (valore = 1) od off (valore = 0) che forniscono informazioni di validità di altri campi dell header o segnalano eventi URG : il puntatore contenuto nal campo urgent è valido ACK PH RT YN FIN : il numero di sequenza di acknowledge è valido : il ricevente deve passare l informazione allo strato superiore prima possibile : reset (e termine) della connessione : richiesta di sincronizzare i numeri di sequenza per iniziare una connessione : richiesta di chiudere la connessione (in un senso) M. Campanella Corso Reti ed Applicazioni - Como 2004 Cap 3-3 pag. 14

15 Header TCP: FLAG porta del mittente porta del destinatario numero di sequenza numero di acknowledgement lungh. head. riservati U R G A C K P H R T Y N F I N dimensione finestra checksum num. sequenza urgente Opzioni (se presenti) dati M. Campanella Corso Reti ed Applicazioni - Como 2004 Cap 3-3 pag. 15

16 Window ize: Header TCP: Window ize il numero di byte, cominciando da quello nel campo di ACK, che il mittente del pacchetto è disposto ad accettare. E un numero di 16 bit (massimo valore 65535), ma attraverso l opzione TCP di Window caling può essere aumentato fino a 65535*2 14 (circa 1 GB) ACK number window size Ricevuti inviato ACK receive buffer size M. Campanella Corso Reti ed Applicazioni - Como 2004 Cap 3-3 pag. 16

17 Header TCP: end buffer ize receive window size Inviati e ricevuto ACK Inviati NON ricevuto ACK send buffer size Pronti da Inviare liberi per ricevere dalla applicazione M. Campanella Corso Reti ed Applicazioni - Como 2004 Cap 3-3 pag. 17

18 Header TCP: Opzioni porta del mittente porta del destinatario numero di sequenza numero di acknowledgement lungh. head. riservati U R G A C K P H R T Y N F I N dimensione finestra checksum num. sequenza urgente Opzioni (se presenti- MAX 40 bytes) dati M. Campanella Corso Reti ed Applicazioni - Como 2004 Cap 3-3 pag. 18

19 TCP options Composte di tre campi: tipo, lunghezza e dati (TLD). La lunghezza totale delle opzioni non può superare 40 byte. Opzione tipo lungh. (byte) dati Fine Opzioni 0 1 no No Operation 1 1 no Maximum egment ize 2 4 M (2 byte) Window cale 3 3 hift (1 byte) elective ACK permesso 4 2 no elective ACK 5 varia seq.number Timestamp 8 10 Time (8 byte) M. Campanella Corso Reti ed Applicazioni - Como 2004 Cap 3-3 pag. 19

20 TCP Options Fine lista delle opzioni tipo=0 Maximum egment ize tipo=2 lun=4 valore M 1 byte 1 byte 1 byte 2 byte Nessuna operazione tipo=1 Window scale Factor tipo=3 lun=3 valore shift 1 byte 1 byte 1 byte 1 byte Timestamp tipo=8 lun=10 valore timestamp echo reply timestamp 1 byte 1 byte 4 byte 4 byte M. Campanella Corso Reti ed Applicazioni - Como 2004 Cap 3-3 pag. 20

21 TCP Apertura connessione tretta di mano a tre fasi (three way handshake): 1: un nodo manda un segmento contenente il flag YN (apertura attiva) un proprio nuimero di sequenza iniziale nessun dato opzioni per M, Window scale, timestamp 2: il ricevente replica al YN con un segmento con YN ed ACK: viene creato stato nel nodo (aperura passiva) il ricevente sceglie il proprio numero di sequenza iniziale invia la sua scelta di opzioni 3: Il primo nodo risponde con segmento con solo flag ACK ed eventuali primi dati M. Campanella Corso Reti ed Applicazioni - Como 2004 Cap 3-3 pag. 21

22 TCP Apertura connessione stato client server stato CLOED YN 14155:14155 (0) LITEN YN_ENT YN 2347:2347 (0) ACK YN_RCVD ETABLIHED ACK 2348 (0) ETABLIHED M. Campanella Corso Reti ed Applicazioni - Como 2004 Cap 3-3 pag. 22

23 TCP: Chiusura connessione La chiusura deve essere esplicita per ognuno dei due versi della connessione. Il primo nodo: 1: invia un segmento con FIN 2: riceve un segmento con l ACK del FIN Quindi, il secondo nodo: 3: invia un segmento con FIN 4: riceve ACK e chiude la connessione M. Campanella Corso Reti ed Applicazioni - Como 2004 Cap 3-3 pag. 23

24 TCP: Chiususra connessione chiusura attiva chiusura passiva ETABLIHED ETABLIHED FIN FIN_WAIT_1 ACK CLOE_WAIT FIN_WAIT_2 FIN TIME_WAIT (2 ML timeout) ACK LAT_ACK CLOED M. Campanella Corso Reti ed Applicazioni - Como 2004 Cap 3-3 pag. 24

25 TCP Chiusura connessione Lo stato finale di TIME_WAIT corrisponde ad un periodo di attesa di 2 Maximum egment Lifetime (2 ML). 2 ML è scelto dalle diverse realizzazioni di TCP tra 30 secondi e 2 minuti, anche se l RFC iniziale specifica 2 minuti. La permanenza in questo stato permette: - di reinviare un ACK nel caso vada perso - di bloccare la socket (cioè le coppie indirizzo, porta) per un tempo sufficente a scartare segmenti duplicati ancora nella rete. Questo impedisce che una nuova incarnazione della socket possa prendere vecchi segmenti come nuovi. M. Campanella Corso Reti ed Applicazioni - Como 2004 Cap 3-3 pag. 25

26 TCP: FM tipica per un client in attesa per 2 ML L applicazione inizia la connessione TCP invio YN riceve FIN invia ACK ricevuto YN+ACK invia ACK ricevuto ACK rimane in attesa invio FIN L applicazione inizia la chiusura della connessione M. Campanella Corso Reti ed Applicazioni - Como 2004 Cap 3-3 pag. 26

27 TCP: FM tipica per un server riceve ACK non invia nulla L applicazione apre una socket TCP invia FIN ricevuto YN invia YN+ACK ricevuto FIN invia ACK riceve ACK non invia nulla M. Campanella Corso Reti ed Applicazioni - Como 2004 Cap 3-3 pag. 27

28 TCP FM appl: send data send: YN Transizione normale per un client appl: close send: FIN Transizione normale per un server M. Campanella Corso Reti ed Applicazioni - Como 2004 Cap 3-3 pag. 28

29 TCP: timer principali TCP mantiene 4 tipi di timer diversi per ogni connessione: 1 - timer per le ritrasmissioni usato nell attesa di un ACK 2 - timer di persistenza usato per continuare a scambiare informazioni sulla dimensione della finestra anche quando uno dei due nodi ha dichiarato di non avere spazio disponibile 3 - timer di keepalive usato per evidenziare un reboot od un crash dell altro nodo, anche se in una fase di quiete. 4 - timer di 2 ML usato quando la connessione è nello stato di TIME_WAIT M. Campanella Corso Reti ed Applicazioni - Como 2004 Cap 3-3 pag. 29

30 TCP stima di RTT La scelta del valore del timeout è fondamentale per un buon funzionamento di TCP. Deve variare da connessione a connessione ed essere legato al valore di RTT, ma: se troppo breve: ritrasmissioni inutili. se troppo lungo: reazione lenta alla congestione tima di RTT (amplertt): tempo trascorso tra l emissione di un segmento ed il ricevimento dell ACK relativo - ignorando le ritrasmissioni - ambiguità per perdita di ACK amplertt varia da segmento a segmento. i desidera avere una stima più affidabile basata su varie misure. M. Campanella Corso Reti ed Applicazioni - Como 2004 Cap 3-3 pag. 30

31 TCP stima del Round Trip Time Il calcolo attuale del valore è basato su un algoritmo di Van Jacobson che modifica le specifiche iniziali di TCP. EstimatedRTT = (1- α)*estimatedrtt + α*amplertt Effettua il calcolo di un valore medio mobile, con peso esponenziale. L influenza dei campioni passati descresce in modo esponenziale. Il valore tipico è : α = M. Campanella Corso Reti ed Applicazioni - Como 2004 Cap 3-3 pag. 31

32 Esempio di calcolo di RTT RTT: gaia.cs.umass.edu to fantasia.eurecom.fr RTT (milliseconds) time (seconnds) amplertt Estimated RTT M. Campanella Corso Reti ed Applicazioni - Como 2004 Cap 3-3 pag. 32

33 TCP RTT e valore per il Timeout Il valore del Timeout viene basato sulla stima del valore dell RTT (EstimtedRTT) aumentato di un margine di sicurezza. Per questo si usa anche la stima della variazione dell RTT DevRTT = DevRTT + β*( amplertt-estimatedrtt - DevRTT ) (normalmente, β = 0.25) Finalmente l intervallo di timeout è calcolato come: TimeoutInterval = EstimatedRTT + 4*DevRTT M. Campanella Corso Reti ed Applicazioni - Como 2004 Cap 3-3 pag. 33