Introduzione al protocollo TCP. Facoltà di Ingegneria 2 Cesena Lauree specialistiche Reti di Telecomunicazioni LS Prof.

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1 Introduzione al protocollo TCP Facoltà di Ingegneria 2 Cesena Lauree specialistiche Reti di Telecomunicazioni LS Prof. Franco Callegati

2 Lo strato 4 (Transport Layer) Compito dello Strato 4 Svincolare gli strati superiori dai problemi di rete Fornisce l interfaccia fra le applicazioni e lo strato di rete In relazione alla tipologia di informazioni da trasmettere fornire un servizio di trasporto dati: affidabile il più economico possibile T-s.a.p. è il punto di accesso al servizio Punto di interazione fra applicazioni e TCP Negli standard di Internet è chiamato Porta identificato da un Numero di porta 2

3 Trasporto in Internet Architettura protocollare tradizionale di Internet: Tipologia di servizio: dati Due protocolli di trasporto: TCP: connection oriented UDP: connectionless Nuovi servizi multimediali: Emergono problematiche di trasporto real time Vengono definiti nuovi protocolli di trasporto RTP, RTCP 3

4 Transmission Control Protocol - RFC 793 Obiettivi: Controllo della comunicazione end-to-end e fullduplex fra processi applicativi Garanzia di affidabilità del trasporto Assume che: lo strato di rete fornisca solamente un semplice ed inaffidabile servizio di trasferimento dei pacchetti di tipo connectionless (quello che fa l IP) Consente la Multiplazione: permette a più processi applicativi di utilizzare le sue funzioni di comunicazione in contemporanea 4

5 RFC 793: introduzione The Transmission Control Protocol (TCP) is intended for use as a highly reliable host-to-host protocol between hosts in packet-switched computer communication networks, and in interconnected systems of such networks. the primary purpose of the TCP is to provide reliable, securable logical circuit or connection service between pairs of processes requires facilities in the following areas: Basic Data Transfer Reliability Flow Control Multiplexing Connections Precedence and Security 5

6 L interfaccia Socket Gli standard non specificano come gli applicativi debbano interagire con i protocolli L interfaccia fra applicazione e TCP non è standardizzata 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 Esempio: :80 6

7 End-point e Connessione End-point o socket = numero di porta concatenato all indirizzo di rete Connessione = associazione di due end-point Le connessioni TCP sono Full-duplex Punto-punto (non viene gestito il multicast) Il TCP opera in modo connection-oriented applica le funzioni di controllo alle connessioni deve prevedere tutte le procedure per l instaurazione il controllo del corretto andamento la chiusura di ogni connessione 7

8 Transmission Control Block La gestione di una connessione richiede il mantenimento di una serie di informazioni relative alla connessione stessa Connection-oriented state-full variabili di stato Transmission Control Block (TCB) Area di memoria dove vengono mantenute le variabili relative ad una connessione TCP Numeri di porta Puntatori alle aree di memoria utilizzate per i buffer di trasmissione e ricezione Contatori Ecc. 8

9 Connessioni e Multiplazione Host A Host C TCP TCP IP IP Host B TCP IP 9

10 Implementazioni dei servizi in Internet Comunicazioni fra calcolatori (Host) = scambio di messaggi fra processi applicativi (Applicazioni) Un messaggio in arrivo ad un host è utilizzabile se è in esecuzione (running) un processo applicativo che legge il messaggio e sa cosa farsene Client-server Gli host in rete sono classificabili in due tipologie: Server: mettono a disposizione risorse di elaborazione e dati Client: ospitano applicazioni che, al fine di svolgere le relative funzioni, si connettono ai server per ottenere risorse ed informazioni Peer-to-peer (P2P) Gli host in rete sono tutti equivalenti (peer, appunto) e fungono alternativamente sia da client che da server verso altri nodi In una rete P2P qualsiasi nodo utilizza e mette a disposizione contemporaneamente risorse ed informazioni in rete 10

11 Client-server Il processo Server si predispone a ricevere una connessione eseguendo una apertura passiva Crea 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 dell end-point di destinazione Si è convenuto che i server utilizzino dei numeri di porta convenzionali definiti in anticipo detti Well Known Ports Le Well Known Ports sono registrate presso IANA 11

12 Classificazione dei numeri di porta Numeri di porta Da 1 a1023 (in origine da1 a 255): Riservati possono essere usati solo dai server da 1024 a 49151: Registrati Sono usati da alcuni servizi ma anche da client Da a 65535: ad uso dei client Esempi di Well Known Ports 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 12

13 Affidabilità del collegamento Il TCP garantisce la correttezza nella consegna dei dati utilizzando un protocollo Sliding Window basato su numerazione sequenziale dei dati unità di riferimento il byte conferma esplicita della ricezione di ogni byte da parte del ricevitore (acknowledge) ritrasmissione dei dati di cui non viene confermata la ricezione Il TCP garantisce il controllo di flusso in relazione Alla capacità del ricevitore Alla capacità della rete 13

14 CONTROLLO DI FLUSSO SU CANALE SEQUENZIALE E PROTOCOLLI ARQ Facoltà di Ingegneria 2 Cesena Lauree specialistiche Reti di Telecomunicazioni LS Prof. Franco Callegati

15 Richiami I protocolli ARQ vengono utilizzati nello strato di linea ed in quello di trasporto Controllano: Il singolo collegamento nello strato di linea Tipicamente singolo flusso seriale di bit La connessione end-to-end nello strato di trasporto Tipicamente cascata di nodi e collegamenti con tecnologie e prestazioni diverse Le problematiche dei protocolli di linea sono diverse da quelle dei protocolli di trasporto perché è diverso il tipo di canale 15

16 Canale di comunicazione Protocolli di linea Operano su di un collegamento diretto di tipo puntopunto o punto-multipunto Le trame arrivano nella stessa sequenza con cui sono inviate a meno degli errori Tutte sperimentano ritardi di propagazione circa uguali Protocolli di trasporto Fanno riferimento ai punti terminale di un trasferimento di dati tramite rete Perdite di dati (errori di trasmissione, scarto nei nodi) Duplicazione dei dati Ritardi variabili Arrivi fuori sequenza 16

17 Automatic Repeat request (ARQ) Garantisce un corretto trasferimento dei dati se la rivelazione degli errori di trasmissione è corretta Nello strato 2, il protocollo permette di Individuare trame errate, utilizzando codici a rivelazione d'errore trame replicate o fuori sequenza utilizzando la numerazione Il ricevitore Ignora le trame errate Scarta le trame replicate o fuori sequenza Può far partire le procedure di ritrasmissione Il trasmettitore Ritrasmette le trame non correttamente ricevute Su indicazione del ricevitore Alla scadenza del time-out 17

18 Numerazione delle trame Trasmettitore e ricevitore mantengono due contatori: N(S) conta in modo sequenziale le trame inviate N(R) conta le trame ricevute in modo corretto se si comincia a numerare la trame da N(S)=0 N(S) riporta il numero dell ultima trama inviata N(R) riporta il numero successivo a quello dell ultima trama correttamente ricevuta A N(S) = 0 N(R) = 0 B N(S) = 1 N(R) = 0 N(S) = 0 N(R) = 1 N(S) = 2 N(R) = 1 N(S) = 1 N(R) = 3 N(S) = 3 N(R) = 2 18

19 Conferma (Acknowledge) Il trasmettitore non può sapere se le trame inviate siano state correttamente ricevute a meno di ricevere una conferma dal ricevitore La corretta ricezione viene confermata dal ricevitore inviando al trasmettitore il proprio valore di N(R) Quando una trama viene ricevuta in modo corretto allora N(R) viene aumentato di 1 Quando una trama viene ricevuta in modo non corretto viene ignorata e N(R) non viene modificato La conferma della corretta ricezione può essere Esplicita Ogni trama ricevuta correttamente genera una trama di conferma Implicita (cumulativa) Una trama di conferma con N(R)=n conferma la ricezione corretta della trama n-1 e di tutte le trame precedenti non ancora confermate In piggybacking Viaggia inserita (a cavalluccio ) in una trama contenente dati utili 19

20 Trame ACK Servono trame specializzate per inviare la sola conferma nel caso in cui Il protocollo ARQ non possa usare il piggybacking Il trasmettitore non abbia trame da trasmettere Le trame di acknowledge o trame ACK Sono trame specializzate che non portano dati di utente ma solamente informazioni di controllo per il protocollo Non è necessario numerare le trame ACK trasmesse I protocolli ARQ tipicamente confermano la ricezione delle trame che portano dati d utente non confermano la ricezione delle trame ACK (conferma della conferma) Non è necessario controllare la sequenza delle trame ACK 20

21 Finestra di trasmissione e Numerazione Finestra di trasmissione W W = numero massimo di trame che il trasmettitore può inviare senza ricevere alcuna conferma La numerazione delle trame viene effettuata modulo M M = 2 n dove n è il numero di bit utilizzati per la numerazione La numerazione delle trame trasmesse scorre nel tempo (sliding window) Finestra W=4 Trasmetto 0, 1, 2, 3 Ricevuto ACK 1 Trasmetto 4 Ricevuto ACK 2 Trasmetto 5 21

22 Time out Il protocollo può entrare in stallo (deadlock) N(S) = 0 N(R) = 0 Se le trame informative sono perdute Se gli ACK sono perduti È necessario un time out per riprendere il dialogo N(S) = 1 N(R) = 0 X X N(R) = 1 N(R) = 2 Un orologio parte al termine della trasmissione di ciascuna trama Time out N(S) = 0 N(R) = 0 Se si raggiunge il time out senza avere conferma si ritrasmette la trama N(S) = 1 N(R) = 0 22

23 Quanto deve essere lungo il Time out? Time out troppo breve Non si attende l arrivo dell ACK Invio non necessario di trame duplicate Time out troppo lungo Inutile attesa prima di ritrasmettere le trame errate Time out Time out Troppo presto Tempo perso In entrambi i casi Si spreca capacità di trasmissione (banda) Degradano le prestazioni 23

24 Dimensione della finestra Per quale motivo imporre W finito e sospendere la trasmissione delle trame? Garantire unicità di numerazione delle trame Lo spazio di numerazione Dipende dal numero di bit dedicati alla numerazione nell intestazione Ha necessariamente dimensioni limitate Se si continuasse a trasmettere all infinito non si avrebbe più una corrispondenza biunivoca trame-numero Le trame con uguale numerazione sono indistinguibili Garantire controllo di flusso automatico 24

25 Finestra e numerazione Campo di numerazione finito (k bit M =2 k diversi numeri di sequenza) deve essere W M-1 Esempio: W=2 k=1 M=2 N(S) N(R) 0 0 N(S) N(R) Esempio: W=2 k=2 M=4 N(S) N(R) 0 0 N(S) N(R) Trame nuove o ritrasmesse? 3 0 Trame nuove 25

26 Controllo di flusso Accorda la velocità del trasmettitore alla capacità di elaborare informazioni del ricevitore Il ricevitore Deve essere in grado di gestire un intera finestra Memorizzazione ed elaborazione di W trame Accorda il flusso di trame in arrivo tramite le conferme A regime un nuova trama ogni T e T e = tempo necessario per elaborare una trama N(S) N(R) N(S) N(R) T e Esempio: W=4 k=3 M= ACK -- 2 ACK -- 3 ACK -- 4 ACK 26

27 Recupero dell errore: go-back-n ARQ Viene persa la trama N Il ricevitore Scarta tutte le trame successive a quella errata Segnale al trasmettitore la mancata ricezione della trama N Il trasmettitore Ritrasmette tutte la trame a partire dalla numero N Vantaggi Semplicità operativa Ridotta complessità nel ricevitore Svantaggi Inefficienza Si ritrasmettono trame senza che questo sia strettamente necessario N(S) = 5 N(S) = 6 N(S) = 7 N(S) = 5 N(S) = 6 N(S) = 7 W=3 X RJ,N(R)=5 RJ,N(R)=5 N(R) = 6 N(R) = 7 27

28 Selective repeat ARQ Viene persa la trame N Il ricevitore Scarta solamente la trama errata Segnala la mancata ricezione della trama N Il trasmettitore Ritrasmette solamente la trama N Il ricevitore Riordina le trame nella memoria di ricezione Vantaggi Maggiore efficienza Svantaggi Complessità del ricevitore Deve tenere in memoria le trame correttamente ricevute fintanto che non può consegnarle allo strato superiore nella giusta sequenza N(S) = 0 N(S) = 1 N(S) = 2 N(S) = 0 W=3 X SRJ,N(R)=0 N(R) = 3 28

29 Esempio 3 bit di numerazione W=3 Conferma esplicita Durante il dialogo La sequenza di ACK e REJECT garantisce il corretto recupero degli errori Il time-out viene utilizzato se si perde Un intero gruppo di ACK L ultima trama N(S) N(R) Start Go-back-n Time-out 6 1 N(S) N(R) -- 1 ACK 0 2 ACK in piggybak ACK -- 4 ACK -- 4 REJECT -- 4 REJECT -- 5 ACK ACK -- 7 ACK 29

30 Efficienza di un protocollo ARQ Rapporto fra T d = tempo strettamente necessario ad inviare i bit di dati T 0 = tempo totale effettivamente impiegato In generale T d = D/C T 0 dipende dal protocollo e dalla qualità del canale D : dimensione campo dati in bit H : dimensione dell header (PCI) in bit, F=D+H : lunghezza totale del frame, A : lunghezza dell'ack, Canale simmetrico C = velocità del canale (bit al secondo) I = R+E = tempo di propagazione del segnale più tempi di elaborazione per il controllo del frame in arrivo e per la preparazione del frame in partenza T 0 T d R E 30 H/C D/C E A/C R

31 Efficienza In generale T d > T 0 Efficienza: η = T d / T 0 = D / (C T 0 ) = D/[C (T d + T a )] Overhead C T d = D C T a = O Costo del protocollo ARQ espresso come bit equivalenti Overhead minimo Sola intestazione O = H Efficienza massima overhead minimo η max = D / (D + H) 31

32 Finestra W: in assenza di errori È necessario distinguere due casi T 0 tempo necessario per completare la trasmissione T 0 = (D + H + 2I)/C 1. W F C T 0 In T 0 completo la trasmissione di una trama ma ne trasmetto W η = (W D)/(D+2H+2IC) = D / [D+(2H+2IC-(W-1)D)/W] O = (2H+2IC-(W-1)D)/W T 0 H+2IC (W-1) F/C 2. W F > C T 0 il trasmettitore non interrompe mai la trasmissione delle trame per cui risulta: O = H η = D/(D+H) W F/C T 0 32

33 Finestra W: caso con errore Supponiamo di metterci nel caso W F > C T 0 (non ci sono tempi morti) Distinguiamo due casi: Caso Selective Repeat ARQ C T medio = F + F P F D + H + D 2 P e D = ott H Pe,! ott = D ott Dott + 2H Caso Go-back-n detto w il numero di trame ritrasmesse in caso di errore C T medio = F + w F P F D + H + w D 2 P e H D ott =, wpe! ott = D ott Dott + 2H 33