Reti di Telecomunicazioni 1

Transcript

1 Reti di Telecomunicazioni 1 AA2011/12 Parte 10 Ing. Francesco Zampognaro zampognaro@ing.uniroma2.it 1 OSI Internet: TCP/IP 2 1

2 IP Il protocollo IP (RFC 791, 919, 922, 950, 1349) è il protocollo portante dell architettura TCP/IP di Internet è un protocollo di strato di rete (secondo il modello OSI) opera con modalità di trasferimento connectionless (senza connessione), ovvero a datagramma (ciascun pacchetto è trattato indipendentemente da tutti gli altri) non ci sono garanzie che un pacchetto IP giunga a destinazione, né sui tempi di trasferimento i pacchetti posso essere consegnati errati, non consegnati, o consegnati fuori sequenza e seguire percorsi diversi in tempi diversi 3 Livello IP - Funzionalità Definire il trasferimento dei dati a pacchetto (senza connessione) definire lo schema di indirizzamento definire la strada che un unità dati deve percorrere per arrivare a destinazione (routing) specificare un insieme di regole che host e routers devono seguire per processare le unità informative (processamento locale o instradamento) commutazione frammentare e ri-assembla le unità dati Controllare l integraità degli header 4 2

3 IPv4 E la prima versione stabile definita all inizio degli anni 80 ed utilizzato tutt oggi sulla rete Permette un indirizzamento a 32 bit (4 miliardi di HOST) Utilizza in pratica indirizzi nel formato binario a 32 bit o l equivalente decimale puntato: (4 numeri tra 0 e 255 che rappresentano un byte ciascuno) Ogni Host su Internet ha un IP univoco Noi conosciamo solitamente indirizzi mnemonici ( trasformati in formato numerico da un servizio chiamato DNS = IPv4 - Frammentazione Se necessario il pacchetto IP (max. 64kB) deve essere frammentato per poter attraversare segmenti di reti che supportano una dimensione massima di pacchetto più piccola (MTU) Ethernet : 1500B SLIP (Serial Line modem 56k): 1066B X.25: 576B Può introdurre sprechi di banda: ogni frammento ripropone l intero header IP Ogni frammento può percorrere un tragitto differente, un singolo frammento perso compromette l intero pacchetto. 6 3

4 IPv4 - Frammentazione MTU: Maximum Transmission Unit 7 Indirizzamento IPv4 Internet consente ad ogni nodo (IP) connesso alla rete di comunicare con ogni altro nodo (IP), realizzando un servizio «senza connessione» Al tal fine utilizza un metodo globale di identificazione e indirizzamento di tutti i nodi (host e router) connessi alla rete tale schema di indirizzamento è indipendente da quello utilizzato nelle singole sottoreti dai protocolli sottostanti (Ethernet, X.25, PSTN, etc.) Un indirizzo è associato ad ogni interfaccia di rete di un Host Se un nodo è connesso a più di una rete avrà un indirizzo IP per ogni interfaccia di rete; ciò avviene tipicamente sui router: Un router ha come compito quello di identificare l interfaccia di rete corretta dove inoltrare il pacchetto per raggiungere la destinazione (instradamento). 8 4

5 Instradamento (Routing) Il routing è la funzionalità di commutazione di Internet tramite l inoltro di pacchetti IP a sottoreti diverse. Effettuato da router: Permette di raggiungere sottoreti non connesse direttamente all Host, tramite tabelle di routing presenti su ciascun router Subnet1 Subnet2 Subnet3 Subnet4 Host 1 Host 2 9 Routing I dettagli sulle operazioni di routing non fanno parte del programma Per ogni pacchetto IP ricevuto, il router identifica la destinazione presente nell intestazione del pacchetto IP e decide: 1. Se è un pacchetto destinato a se stesso lo passa ai suoi livelli superiori 2. Se è un pacchetto destinato ad un Host che fa parte di una delle sottoreti a cui è direttamente connesso localmente (strato 2): Il pacchetto viene consegnato tramite le funzionalità di trasporto di strato 2 della interfaccia corrispondente, direttamente all Host 10 5

6 Routing 3. Altrimenti analizza le tabelle di instradamento e determina l indirizzo IP del router successivo per raggiungere la destinazione e tramite quale interfaccia: Il pacchetto viene consegnato tramite le funzionalità di trasporto di strato 2 della interfaccia corrispondente al prossimo router Operazione senza stato (senza connessione) ogni pacchetto viene processato indipendentemente dagli altri 11 Livello IP Servizi offerti agli strati superiori Consegna di segmenti informativi tra due Host di rete, senza connessione (senza quindi garanzie di arrivo a destinazione o ordine nella consegna, con possibli perdite dovute a congestione, routing sbagliato, etc.) frammentare e ri-assembla le unità dati Controllare l integrità degli header Altro protocollo di trasporto è l UD Tale servizio viene offerto al livello 4 di trasporto TCP (stack TCP/IP), ormai pilastro portante e praticamente indiscindibile da IP. Altro protocollo di trasporto è l UDP 12 6

7 TCP/IP Vi sono nodi HOST che realizzano l intero stack TCP/IP e ospitano le applicazioni Vi sono nodi Router che lavorano a livello di rete e connettono le sottoreti, realizzando le funzionalità di IP descritte 13 Protocolli di trasporto Layer 4: Supportare la comunicazione tra due applicazioni (Layer 5) residenti su due Host distinti e sfruttando le funzionalità di IP (Layer 3): UDP, senza connessione TCP, con connessione; include funzionalità di controllo di errore, controllo di congestione e flusso e riordino dei pacchetti Ulteriori protocolli di trasporto specifici (applicazioni più recenti): SCTP: stream control TCP, per connessioni multi-homed RTP: real time protocol DCCP: UDP con controllo di congestione 14 7

8 Principi di base Due applicazioni su due Host distinti per comunicare (trasmissione e ricezione) devono utilizzare un identificativo univoco: SOCKET, l insieme di informazioni di livello 3 e 4 (per questo si parla di stack TCP/IP) Socket: Indirizzo IP (Strato 3) Porta (Strato 4) Protocollo di trasporto adottato (campo Protocol) 15 Principi di base Modello client-server: Un Host è in ascolto su di un socket specifico STATICO per pacchetti in arrivo (listen) Server Un Host conosce l indirizzo IP del Server (e la porta, che tipicamente dipende dal servizio) ed inizia la comunicazione da una porta assegnata DINAMICAMENTE dal S.O. Client Modello Peer to Peer: Ogni nodo ha la componente Client e Server e può iniziare o servire una connessione alla pari Può usare un unico Socket per trasmettere e ricevere Necessita di un Host noto per l inizializzazione con la lista dei peer disponibili 16 8

9 Stack TCP/IP e socket nel terminale utente Socket App1 App2 App3 App4 UDP TCP TCP UDP TCP TCP UDP Indirizzo IP Interfaccia di rete 17 UDP User Datagram Protocol Consegna di messaggi (datagram) senza garanzia di ricezione (riscontro), senza riordino (Sequence Number) o controllo di duplicazione Aggiunge ad IP le porte sorgente e destinazione per indirizzare lo strato sovrastante (applicazione). E quindi l arricchimento di IP con gli indirizzi del SAP di livello 4 (porte). Aggiunge rispetto ad IP un CRC sulla parte informativa del pacchetto, per scartare quelli corrotti Specifica la lunghezza del messaggio ( bytes), eventualmente su più frammenti di pacchetti IP (vedi frammentazione) Se un solo frammento viene perso tutto il datagramma viene scartato 18 9

10 UDP Non ha bisogno di instaurare la comunicazione: Invio direttamente all IP di destinazione sulla porta N Se l Host ha una applicazione in attesa di pacchetti UDP sulla porta N, gli vengono inoltrati Altrimenti i pacchetti vengono scartati senza notifiche o azioni particolari Lo stesso succede in caso di congestione (troppi pacchetti ricevuti non processati nelle code del sistema operativo) o nei router Viene solitamente considerato traffico meno importante MA E fondamentale per servizi con piccoli messaggi frequenti (ad es. DNS) o che non richiedono uno stato della connessione (ad es. SNMP) Ultimamente è invece molto rivalutato per il VoIP Può offrire un servizio in multi/broadcast 19 TCP Transmission Control Protocol Stabilisce una pipe bidirezionale per lo scambio di un flusso di bytes (stream) direttamente tra due Hosts (e due solamente!) Offre un servizio con connessione, affidabile (riscontro esplicito della ricezione), con riordino dei pacchetti ricevuti (SN), riconoscimento di eventuali pacchetti duplicati, controllo integrità dello stream Prevede solitamente procedure per il recupero di errori (ritrasmissioni) ed il controllo del flusso dei dati e della congestione 20 10

11 Header TCP (N-PCI): Porta sorgente e destinazione (indirizzo N-SAP) Sequence number ed Acknowledgment number Advertised window Altro TCP - Header Pacchetto TCP: H Pacchetto IP: H Il TCP gestisce la connessione con i Numeri di sequenza ed i Riscontri, con un meccanismo a finestra! 21 TCP Numeri di sequenza e ACK Un pacchetto inviato contiene un valore di sequenza che identifica il numero di ordine del primo byte contenuto nel messaggio: Se il pacchetto A contiene 1000 byte di dati (+40 bytes di header) ed è il primo pacchetto dati inviato, il suo SN=1 (contiene il byte n.1 fino al byte n. 1000); un successivo pacchetto B conterrà un SN=1001. Alla ricezione di un pacchetto (in maniera corretta), il destinatario conferma la corretta ricezione con una pacchetto ACK indicando come ACK number il numero del prossimo byte che si aspetta di ricevere: Ciò implicitamente significa che fino ad ACK -1 tutto è stato ricevuto correttamente Alla ricezione del pacchetto A, il destinatario risponde con un ACK number 1001 (primo byte che si aspetta di ricevere; fino a 1000 tutto ok; 1001 sarà il SN del prossimo messaggio inviato B) 22 11

12 TCP SN, ACK HOST HOST 1000 bytes SN=1 ACK=No Data Stream to Application 1000 bytes ACK=1001 ACK=Yes SN=1001 ACK=No Data Stream to Application 23 TCP più nel dettaglio Da qui in poi gli argomenti trattati non fanno parte del programma In questo modo è troppo inefficiente! La trasmissione non viene bloccata per la ricezione di un ACK concetto di finestra: può essere inviata una quantità di byte (più pacchetti) senza riscontro in base ad una variabile interna chiamata CWND Un pacchetto dati solitamente contiene sia il proprio SN che l ACK della trasmissione nell altro verso I pacchetti ACK puri ci sono solo se la trasmissione è unidirezionale; Gli ACK sono solitamente cumulativi/ritardati I numeri di sequenza/riscontro sono prevedibili (la connessione potrebbe essere manomessa): Il Numero di sequenza viene scelto in maniera casuale e negoziato all instaurazione! 24 12

13 TCP - CWND Indica la quantità di byte che possono essere trasmessi senza riscontro: su un canale capiente deve essere alta per permettere un flusso continuo di dati! Dinamica: ad esempio in caso di congestione deve essere ridotta, per evitare un sovraccarico e peggiorare ulteriormente la situazione 25 TCP 3-way handshake Inizializzazione della comunicazione e scambio SN iniziale (random) Analogo alla chiusura (FIN invece che SYN) Possibilità di chiusura unidirezionale con pacchetto flag Reset 26 13

14 Trasmissione TCP, ACKs e ritrasmissioni Vengono trasmessi tutti i bytes all interno della finestra data dall ultimo ACK valido ricevuto e da CWND. All invio di un pacchetto viene inizializzato un timer; se non viene ricevuto un riscontro che includa tutti i bytes del pacchetto inviato alla scadenza del timer viene effettuata una ritrasmissione Se il ricevitore verifica un buco nello stream di byte ricevuto (salto di SN), in accordo allo standard, per ogni successivo pacchetto ricevuto invia un ACK con lo stesso ACK number Questa informazione (ACK duplicati) può essere utilizzata per effettuare la ritrasmissione senza attendere il timeout! (e se possibile mantenere i pacchetti già ricevuti) 27 TCP DupACK HOST CWND SN=1 HOST SN=1001 SN=2001 SN=3001 OK!! ACK=1001 ACK=1001 Timeout Timeout ACK=1001 SN=

15 TCP controllo di congestione Algoritmi per l aggiornamento della CWND: Aumento in caso di rete scarica Diminuzione in caso di errore/congestione/timeout (Più recenti TCP) stima della velocità di trasmissione ottimale per raggiungerla più velocemente Algoritmi indiretti per la stima del carico della rete, non vi è conoscenza dello stato dei nodi intermedi 29 Ack e Advertised Window Advertised Window è uno dei campi dei pacchetti TCP Serve per suggerire un limite superiore alla finestra di trasmissione (CWND)» Per limitare la trasmissione in particolari casi (ad esempio se il buffer in ricezione è pieno)» Può bloccare del tutto la trasmissione (freeze) se impostata a zero 30 15

16 TCP esempio di variazione CWND (AIMD) Inizio della connessione: Slow Start Viene inviato un pacchetto (CWND = 1), ogni ACK ricevuto viene incrementata la CWND di 1 pacchetto crescita esponenziale (1, 2, 4, 8, etc.) Questo algoritmo termina ad un valore predeterminato chiamato ssthresh (inizialmente infinito) Superata la ssthresh, si procede con la fase chiamata Congestion Avoidance: La CWND viene incrementata di 1/CWND per ogni ACK ricevuto (crescita lineare) Quando si riscontra una perdita (o un timeout) la CWND e la ssthresh vengono adeguate: in caso di perdita recuperata CWND=CWND/2 e fase Congestion Avoidance in caso di timeout ssthresh=cwnd/2, CWND=1 e fase Slow Start 31 TCP esempio di variazione CWND (AIMD) 32 16

17 TCP In definitiva I precedenti concetti vengono tutti riassunti nel TCP come: Controllo di flusso: I dati vengono inviati in base alla dimensione della finestra di trasmissione (CWND), tenendo conto delle eventuali limitazioni del ricevitore (Advertised Window); la finestra scorre man mano che vengono ricevuti gli ACK Controllo di congestione: la CWND viene aggiornata continuamente dal TCP e riflette implicitamente il carico della rete e le perdite riscontrate (in maniera differente a seconda della versione TCP) incremento/decremento Recupero di errore: i pacchetti non recapitati sono riconosciuti (tramite DupACK oppure allo scadere di un timeout dinamico ) e ritrasmessi: Se possibile i pacchetti vengono riordinati all interno della finestra e non scartati (es. Ricevo pacchetto n.3, n.4, n.6, n.7, n.5) 33 TCP Vita della connessione Fase 1) Instaurazione della comunicazione (3-way HS) Fase 2) Trasferimento a livello di byte di uno stream di dati, in uno solo od entrambi i versi. Ogni pacchetto trasferito con successo viene riscontrato esplicitamente Fase 3) Abbattimento della comunicazione con uno scambio di messaggi mutuo 1b) l altro host non risponde come previsto, dopo un timeout la connessione non viene instaurata 2b) e 3b) a seguito di un timeout (più lungo del precedente) o se l applicazione associata al socket TCP termina (anomalia?) provoca un reset con abbattimento unidirezionale della connessione 34 17