TECN.PROG.SIST.INF. TCP/IP Livello TRASPORTO Roberta Gerboni

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1 Roberta Gerboni

2 Caratteristiche del livello Trasporto Il livello Trasporto si occupa del trasferimento delle informazioni, chiamate segmenti, tra due processi in esecuzione su due computer collegati in rete (comunicazione end-to-end), garantendo che il pacchetti di un messaggio arrivino corretti e nel giusto ordine. I suoi compiti principali sono: Instradare verso il processo destinatario (service point routing): una volta arrivato al computer di destinazione, il messaggio deve essere consegnato solo al processo che lo attende, dato che in genere su un computer ci sono molti processi attivi. Offrire servizi connection-oriented e connectionless; nel secondo caso ogni pacchetto proveniente dal livello rete è trattato in modo indipendente. Svolgere il controllo di flusso; questo avviene anche nel livello Data Link, ma avviene per ogni singolo collegamento, invece nel livello Trasporto agisce tra host mittente e host ricevente. Attivare il controllo d errore assicurando che l intero messaggio arrivi al livello Trasporto destinatario senza errori (pacchetti persi, duplicati o danneggiati). In caso d errore viene richiesta la ritrasmissione delle parti danneggiate o dell intero messaggio. 2

3 Per sviluppare applicazioni per comunicare in rete si può scegliere di usare a livello Trasporto tra due protocolli: TCP (TrasmissionControlProtocol) RFC 793? UDP (UserDatagramProtocol) RFC 768 3

4 UDP È non affidabile e non orientato alla connessione può perdere i messaggi e quelli che arrivano possono essere non ordinati (non esiste il concetto di timeout, di acknoledgement e di ritrasmissione). Scambia messaggi detti datagram e ogni datagram è trattato in modo indipendente. Per ogni datagram c è un unica operazione di scrittura (mittente) c è un unica operazione di lettura (destinatario). Mittente e destinatario sono interscambiabili (ruoli simmetrici). Molto efficiente. Semplice. L applicazione che utilizza UDP necessita di contenere controlli sulla correttezza della comunicazione. 4

5 TCP È affidabile e orientato alla connessione (si stabilisce una connessione virtuale tra i dispositivi). È assicurata la ricezione di tutti i messaggi e nel corretto ordine in quanto è predisposto un buffer per il riordino e senza duplicazioni. I dati vengono trasmessi come flusso di byte (streaming) È bidirezionale. Le operazioni di lettura (destinatario) non necessariamente corrispondono a quelle di scrittura dei byte (mittente). Mittente e destinario non sono interscambiabili (ruoli asimmetrici): il client chiede la connessione; il server accetta la connessione. L applicazione che utilizza TCP non necessita di contenere controlli sulla correttezza della comunicazione. 5

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7 Vantaggi di UDP (UDP) Può essere utilizzato per la trasmissione broadcast o multicast. È un modello di comunicazione non basato sulla connessione, quindi il tempo di latenza all'avvio delle applicazioni distribuite è molto bassa. Invia solo i datagrammi richiesti dal livello applicativo. È molto rapido ed efficiente per le applicazioni leggere. Ad esempio, è usato spesso per la trasmissione di informazioni audio o video. Ha assenza di ritardo e quindi consente la trasmissione tempestiva delle trasmissioni video e audio (streaming). Ha meno informazioni da memorizzare rispetto al TCP. 7

8 Svantaggi di UDP (UDP) Non ci sono garanzie che un pacchetto sia consegnato o consegnato due volte o consegnato fuori ordine. Se si vogliono indicazioni su questo se ne deve fare carico il programma applicativo in ascolto a destinazione. Non ha nessun controllo di flusso o controllo di congestione. Per questo può creare intasamenti negli host e nei router e causare rilevanti perdite di pacchetti. I datagram sono falsificabili molto più facilmente dei flussi TCP, dato che non esiste una connessione, né numeri progressivi. Le applicazioni coinvolte devono provvedere autonomamente all autenticazione. 8

9 Vantaggi di TCP (TCP) Dà garanzie sulla consegna dei dati e sull arrivo dei vari segmenti. Controllo di flusso: evita che un host veloce saturi un ricevitore lento. Il TCP in ricezione non consente alla stazione trasmittente di inviare una quantità di dati che superi lo spazio disponibile nel proprio buffer. Controllo della congestione: evita che un host saturi la rete trasmettendo sempre alla velocità massima consentita dal ricevitore (regola il pkt rate in base ai pacchetti persi). Full-duplex in quanto sulla stessa connessione si può trasmettere e ricevere contemporaneamente. Comunicazione punto-punto (un solo mittente e un solo destinatario). 9

10 Svantaggi di TCP Non può concludere una trasmissione senza che tutti i dati siano arrivati. Non può essere utilizzato per la trasmissione broadcast o multicast. La connessione richiede spesso del tempo (overhead). Per stabilire, mantenere e chiudere una connessione è necessario inviare pacchetti di servizio. Gestione complessa e minore velocità. (TCP) TCP non ha confini di blocco. Il trasferimento infatti avviene sotto forma di un flusso di dati. Non vengono trasferite informazioni sulla lunghezza o indicazioni sull'inizio e la fine dell'informazione. Il ricevente non può quindi riconoscere dove, nel flusso di dati, una notizia termina e dove inizia la successiva. Perciò il trasmettitore deve definire una struttura delle informazioni che possa essere interpretata dal ricevente. La struttura delle informazioni può essere composta dai dati e da un carattere di controllo di chiusura come "carriage return", tramite il quale viene segnalata la fine dell'informazione. 10

11 La scelta del protocollo del livello trasporto (TCP o UDP) da utilizzare dipende dalle esigenze dell applicazione di rete richiesta. Le differenze tra i due sono le funzioni specifiche che ogni protocollo implementa. UDP TCP 11

12 I servizi disponibili su Internet sono realizzati come applicazioni client/server e usano i protocolli del livello applicazione per la comunicazione e i protocolli TCP e UDP per il trasporto dei dati Trivial FTP: utilizzato per il trasferimento unidirezionale su UDP Remote Procedure Call: utilizzato per le chiamate a procedure nei sistemi distribuiti Kerberos: utilizzato per l autenticazione tramite crittografia simmetrica Domain Name System: risoluzione dei nomi di dominio. Viene utilizzato da altri protocolli: HTTP, SMPT, FTP,, ma utilizza UDP per datagrammi di lunghezza < 512 caratteri e TCP per quelli di lunghezza superiore. Simple Network Management Protocol: utilizzato per la gestione di reti geografiche e il monitoraggio degli apparati di rete. Network File System: gestione di file system in un sistema distribuito Voice Over IP: conversazione telefonica su connessione Internet a commutazione di pacchetto con protocollo IP. 12

13 Il protocollo IP ha un ruolo importante a livello rete per trasportare i dati attraverso Internet e portarli a destinazione, ma non è minimamente interessato a quali applicazioni inviino e ricevano dati nella rete. Le applicazioni, al contrario, non necessitano di conoscere il tipo di computer, il percorso, i mezzi trasmissivi, ma sono interessate solamente a scambiare dati e informazioni. Quindi, una volta che il datagram o la sequenza di byte sono stati consegnati al destinatario (dispositivo identificato dall indirizzo IP) servono altre informazioni per individuare l applicazione destinataria del messaggio (processo). L applicazione destinataria può essere un programma applicativo di sistema o un programma applicativo di un utente. Per questo motivo si utilizzano i numeri di porta (Well Known) a 16 bit assegnati a livello internazionale da IANA (Internet AssignedNumbers Authority). 13

14 Ci sono molte applicazioni o servizi in esecuzione su ogni host della rete. A ognuna di queste applicazioni o servizio è assegnato un indirizzo di porta in modo che il livello Trasporto sia in grado di determinare a quale di esse sono destinati i vari segmenti che giungono all host. 14

15 Esempi di impostazioni di account nella posta elettronica con Microsoft Outlook. 15

16 Per avviare una comunicazione che utilizza il protocollo UDP o per richiedere la connessione ad un server TCP l host mittente deve inviare un messaggio indicando: l indirizzo IP del destinatario il numero di porta di destinazione all interno dell host remoto che identifica la porta verso la quale un certo processo invia una richiesta ed è per questo che per i protocolli del livello applicativo i numeri di porta sono stati standardizzati. Tuttavia un servizio standard può anche essere attivato su una porta diversa. Ogni messaggio dovrà contenere al suo interno: destination port che sarà presente sull host ricevente source port che sarà presente sull host mittente sulla quale è in attesa il processo che riceve le risposte dal destinatario I numeri di porta sono divisi in tre gruppi in base al range di appartenenza: Tipo di porta Porte conosciute (Well Known) (RFC 1700) Intervallo Numeri riservati per i servizi più comuni gestiti dai sistemi operativi e per le applicazioni come: HTTP (server web), POP3/SMTP ( server). Usate solo dai server. porte registrate (Registered) Possono essere registrati, presso l'autorita IANA, per offrire specifici servizi. Sono usati anche dai client. porte dinamiche e/o private Non possono essere registrate e sono usate liberamente. (Dynamic/Private) Sono di solito assegnate dinamicamente alle applicazioni client quando inizia una connessione. 16

17 I client definiscono le porte per le loro connessioni utilizzando numeri in genere elevati e scelti in modo da essere unici sull host. Ad esempio nella richiesta di connessione adun server HTTPsi può avere: client port serverport 80 17

18 Può accadere che sia UDP che TCP utilizzino lo stesso intervallo di numeri di porta anche se sono considerati indipendenti. Quindi è possibile che il numero di porta UDP 77 si riferisca a un processo del livello Applicazione e il numero della porta TCP 77 si riferisca ad un processo completamente diverso. Non vi è alcuna ambiguità perché ogni pacchetto IP contiene un campo protocollo che specifica se sta portando un messaggio TCP o un messaggio UDP. Header di un pacchetto IP 18

19 Per le funzioni che devono essere svolte, in ogni strato compare la coppia di indirizzi specifici: numeri di porta, indirizzi IP, indirizzi MAC 19

20 Header di un pacchetto UDP Facoltativa È la dimensione in byte del datagram UDP (header+dati) È un campo opzionale. Se il dispositivo destinatario ricalcolando il codice si accorge che il datagam UDP è danneggiato, esso viene scartato. La dimensione massima del campo dati di un datagram UDP è byte ( ) poiché deve essere contenuto in un pacchetto IP (header 20 byte) che al massimo è 64 KB (65536 byte). Tuttavia il limite effettivo può essere inferiore in quanto non tutte le librerie di interfaccia ai socket permettono datagrammi così grandi; la maggior parte permette 8192 byte. Inoltre può capitare che l'applicativo ricevente ha un buffer di ricezione molto limitato e di conseguenza tronca il datagramma in ricezione. 20

21 Header di un segmento TCP È il numero progressivo del 1 byte contenuto nel segmento (numerazione dall inizio della connessione) Valore del prossimo Sequence number atteso (ultimo ricevuto +1) È un campo obbligatorio. Se il dispositivo destinatario ricalcolando il codice si accorge che il segmento TCP è danneggiato, esso viene inviato di nuovo dal mittente (se non riceve ACK). Window size: Numero di byte che il mittente potrà spedire a partire dal byte confermato (ACK) ; equivale alla capacità del buffer dell host ricevente. (0 indica al mittente di non inviare dati fino a quando il destinatario non invierà un valore diverso) Espressa in multipli di 32 bit: min 20 byte, max 60 byte ( dipende dalla lunghezza del campo opzioni) Sono dei flag di controllo (ad esempio: URG=indica che il campo Urgente contiene un valore valido e va quindi letto, ACK=indica che il campo Acknowledgement number contiene un valore valido e va quindi letto, RST =Reset per indicare che la connessione deve essere resettata, SYN=Synchronize per richiedere la connessione, FIN= Finish per indicare che il mittente non ha più dati da inviare) 21

22 Segmento TCP La dimensione massima (MSS Maximum Segment Size) del campo dati di un segmento TCP è byte ( ) poiché deve essere contenuto in un pacchetto IP. pacchetto IP La dimensione in genere è configurabile. Si devono comunque rispettare i limiti imposti ai pacchetti dalle reti che deve attraversare e che hanno una Maximum Trasfer Unit (MTU). Ad esempio un tipico valore per MTU sono i 1500 byte imposti da Ethernet. In generale non è possibile sapere la MTU di ogni rete intermedia che va attraversata e per questo la rete ha un meccanismo per la frammentazione dei pacchetti. 22

23 (RTP e RTCP) Protocolli per le applicazioni multimediali Real-Time interattive: RTP e RTCP I protocolli di livello Trasporto, TCP e UDP, non sono adatti per il traffico generato dalle applicazioni Real- Time. Una comunicazione Real-Time che avviene tra due o più host ha come primaria importanza il vincolo temporale. Le applicazioni di tipo interattivo non prevedono nessuna ritrasmissione di dati. Parametri da minimizzare: il Jitter (scostamento del tempo di arrivo dal ritardo medio) che indica la variazione del ritardo di consegna; il delay (ritardo di ricezione) garantendo anche un corretto playback dei dati (riproduzione) lato receiver in modo da dare coerenza all'informazione trasportata. RTP (Real Time Transport Protocol) RFC 3550 Nasce quasi spontaneamente col crescere delle applicazioni real-time. Poiché ogni produttore reinventava il protocollo in modo molto simile ai concorrenti fu deciso di standardizzare un protocollo ad hoc per gestire questo tipo di dati: il protocollo RTP. Non si occupa in prima linea del trasporto (non garantisce l'arrivo dei pacchetti, l'ordine, il tempo di arrivo etc...) il tutto è demandato agli strati sottostanti. 23

24 Il protocollo RTP è stato creato per supportare conferenze, ma può essere utilizzato in svariati campi (giochi, sorveglianza, videoconferenza, uso di sensori per misurazioni e video analisi per la protezione perimetrale e di aree sensibili). Si colloca tra il livello trasporto e il livello applicazione. Si interfaccia generalmente con il protocollo UDP. La collocazione di RTP nello stack dei livelli è comunque considerata ibrida in quanto: Assolve a compiti di trasporto ma viene implementato nello strato applicativo RTP è un processo attivo a livello di end-system e specifica la struttura che devono avere i pacchetti che trasportano dati audio/video. Esempio: Consideriamo una sorgente audio (microfono) il cui output sia codificato in PCM a 64 kbit/s e che ogni pacchetto contenga 20ms di dati campionati. In trasmissione questo pacchetto viene incapsulato in RTP, poi in UDP, a sua volta in IP e viene inviato al destinatario. In ricezione, i dati devono essere estratti dai pacchetti RTP e passati al player per la riproduzione. (RTP) 24

25 (RTCP) RTP viene usato insieme a un altro protocollo: RTCP. RTCP (Real Time Transport Control Protocol) RFC 3550 Svolge la funzione di controllo e monitoraggio della qualità delle trasmissioni a livello Trasporto per le applicazioni multicast e unicast. Ha il compito di raccogliere statistiche al fine di ottimizzare le prestazioni e fornisce un feedback sulla qualità della distribuzione dei dati. I rapporti statistici contengono dati sul numero di pacchetti inviati, persi, jitter ecc. e sono usati dall'applicazione per modificare la velocità di trasmissione della sorgente. Tutti i partecipanti a una sessione (relativa, per esempio, a una partita on line con più giocatori) ricevono uno stream RTP e periodicamente inviano pacchetti RTCP alla sorgente per riferire sulla qualità della ricezione. I pacchettirtcp sono inviati sia dai mittenti che dai destinatari. Per evitare che l'invio di pacchetti RTCP da parte di tutti i partecipanti alla sessione crei congestione è stata definita una regola: la banda totale usata per i pacchetti RTCP deve essere il 5% della banda utilizzata per la sessione RTP e di questa ne viene riservato il 25% al mittente e il 75% ai destinatari. Esempio: Si supponga di avere la trasmissione di un video a 2Mbps; il 5% della banda è riservato ai pacchetti RTCP, quindi 100Kbps; di questi il 75% è usato dai destinatari, quindi 75Kbps. 25

26 Cosa significa RFC? Le RFC (Request For Comments) sono un insieme di documenti di riferimento per la Comunità Internet che descrivono, specificano, aiutano nell'implementazione, standardizzano e discutono la maggioranza delle norme, standard, tecnologie e protocolli legati a Internet e alle reti in generale. Per chi sono state scritte le RFC? La serie di protocolli TCP/IP rappresenta un insieme di norme stabilite dall ente IETF (Internet Engineering Task Force). IETF studia le soluzioni tecniche per il superamento di ogni possibile tipo di problema sulla rete e pubblica ufficialmente i suoi rapporti (RFC) sotto forma di richieste, disponibili per tutti, che permettono di chiarire un gran numero di argomenti relativi al TCP/IP. Ognuno di questi documenti rappresenta una proposizione di specifica che in ogni momento può diventare obsoleta a causa di un nuovo documento RFC. Così, le RFC sono dei file di testo il cui nome è "rfcxxxx.txt" dove xxxx è un numero progressivo per ogni nuova RFC. Ne esistono attualmente più di 2000, per una dimensione di circa 130Mb. 26