TCP. Università di Palermo TCP 1

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1 TCP TCP 1

2 Transport Control Protocol Protocollo di trasporto usato più largamente nel mondo La RFC 793 recita: TCP is a connection-oriented, end-to-end reliable protocol designed to fit into a layered hierarchy of protocols which support multi-network applications. The TCP provides for reliable inter-process communication between pairs of processes in host computers attached to distinct but interconnected computer communication networks. Very few assumptions are made as to the reliability of the communication protocols below the TCP layer. TCP 2

3 Evoluzione del TCP Formalizzato nel Sep 1981 RFC 793 Transmission Control Protocol TCP fu definito formalmente in RFC 793 anche se successivamente furono scoperti vari errori e inconsistenze che vennero corrette con la pubblicazione di nuove RFC (Cfr. RFC 813, RFC 1122, RFC 1323) In breve tempo è divenuto così popolare che l ISO derivò da esso uno standard, il TP-4 TCP 3

4 Evoluzione del TCP (cont) A partire dalla nascita evoluzione continua RFC 813 Delayed ACK RFC 1072 TCP Extension for Long-Delay Paths RFC 1122 Requirements for Internet Hosts RFC 1185 TCP Extension for High-Speed Paths RFC TCP Extensions for High Performance RFC 2001 TCP Slow start, Congestion avoidance, Fast retransmit and. RFC 2581 TCP Congestion Control RFC 2988 TCP s computing retransmission timer TCP 4

5 Protocol Architecture TCP sopra IP (un layer connection-less e con poche funzioni) Ampio range di richieste in un ambiente dinamico Upper Layers Upper Layers TCP End-to-End communication TCP IP IP IP IP Data Link Data Link Data Link Data Link Physical Physical Physical Physical S.net_1 S.net_2 S.net_3 TCP 5

6 Overview TCP non risiede nei router IP non fornisce sequenziamento TCP deve fornire sequenziamento IP non fornisce traffic acknowledgment TCP deve fornire reliability IP è connectionless TCP deve fornire flow control TCP deve fornire multiplexing TCP 6

7 Major Features of TCP Servizi all ULP: Connection oriented data management Reliable data transfer Resequencing Go-back n protocol Flow control (sliding window / credits) Multiplexing Full-duplex transmission Precedence and security Graceful close Stream oriented data transfer Push function TCP 7

8 Stream Data Transfer L applicazione consegna quantità arbitrarie di dati al TCP come un un flusso (stream) senza confini di record; il TCP non garantisce che i dati verranno ricevuti negli stessi blocchi come trasmessi Il TCP spezza questi dati in segmenti, ciascuno dei quali si adatta ad un datagram IP Lo stream originario è numerato per byte Il segmento, formato da un numero intero di bytes, contiene il numero di sequenza dei byte di dati TCP 8

9 TCP connection Process X Process Y connections port N port M sockets TCP reliable TCP connection TCP IP IP IP addresses unreliable host A IP datagrams host B TCP 9

10 Transport address Conosciamo Physical, Data Link e Network adddresses In uno stesso host possibili più applicazioni contemporanee Insufficienza degli address degli strati inferiori Servono indirizzi per gli strati di trasporto e applicazione In OSI T-SAP In TCP/IP Protocol ID, Port, Socket TCP 10

11 Layer s addresses Sending computer Receiving computer User names User Application User Application User names Ports Internet Application Internet Application Ports Protocol ID Transport Transport Protocol ID IP address Network Network IP address SAPs EtherType LLC LLC SAPs EtherType MAC address MAC MAC MAC address Physical Physical TCP 11

12 Port & Socket Numeri di Port 255 per porte usate frequentemente (Well Known) 23 Telnet 25 SMTP 137 NETBIOS-NS Socket = Port + IP Address Una coppia di socket identifica una connessione TCP 12

13 TCP Flow Control TCP use a credit scheme to perform the flow control This feature decouples acknowledgement from flow control Each transmitted segment have to include in its header three fields required for this flow control type: Sequence Number Acknowledgement Number Window (SN) (AN) (W) TCP 13

14 TCP Segments Source Port Destination Port Sequence Number (SN) Acknowledgment Number (AN) Data Offset Reserved Flags Window Checksum Urgent pointer Options + Padding Data TCP 14

15 Sequence Number Rappresenta (a parte un valore iniziale) il numero del primo byte di dati nel segmento Si tratta di un numero di 32 bit, quindi può avere come valore 32 massimo 2-1 Tutti i calcoli riguardanti i sequence numbers devono essere modulo 2 32 TCP 15

16 Data Offset/Reserved bits Data Offset (4 bits) Il numero di word da 32 bit presenti nell header TCP Indica il punto di inizio del campo data Reserved bits (6 bits) Reserved for future use Must be zero TCP 16

17 Flags 6 control bits URG: Urgent Pointer field significant ACK: Acknowledgment field significant PSH: Push Function RST: Reset the connection SYN: Synchronize sequence numbers FIN: No more data from sender TCP 17

18 Window/Urgent Pointer Window TCP è un protocollo sliding window Il numero di Bytes di dati, ad iniziare da quello indicato nel campo Acknowledgement che il sender del segmento è disposto ad accettare Urgent Pointer Questo valore, sommato al sequence number del segmento, fornisce il sequence number dell ultimo ottetto in una sequenza di dati urgenti Il ricevitore viene a conoscere la quantità di dati urgenti TCP 18

19 Pseudo Header 32 Source IP Address Destination IP Address zero Protocol TCP Length TCP 19

20 Options Kind Length Option In origine solo tre options: Oggi molte altre 0 - End of option list 1 - No operation 2 4 Maximum segment size 3 3 Window scale factor N SACK Permitted SACK Echo (obsoleted by option 8) Echo Reply (obsoleted by option 8) Timestamp Partial Order Connection Permitted Partial Order Service Profile CC CC.NEW 13 CC.ECHO 14 3 TCP Alternate Checksum Request 15 N TCP Alternate Checksum Data MD5 Signature TCP 20

21 Window Scale Option Definita nella RFC 1323 Con TCP normale la SEG.WND definita tramite un campo da 16 bit Dimensione massima della finestra = = Bytes Dimensione troppo piccola nel caso delle LFT (elephan) Con Window Scale Option finestra definita con 32 bit Per compatibilità SEG.WND espressa sempre con 16 bit Nella option è trasmesso uno shift.cnt che fornisce lo shift per passare dall una all altra finestra Entambi i sistemi devono accettare la option, altrimenti non si applica L option è negoziata soltanto nell handshake iniziale (SYN) TCP 21

22 Port Assignmet Host A Host B Host C Source Port = 400 Destination Port = 25 + IP Address Source Port = 400 Destination Port = 25 Source Port = 401 Destination Port = 25 + IP Address + IP Address TCP 22

23 Passive and Active Opens Instaurazione di connessione: Controllo dell esistenza del corrispondente Negoziazione dei parametri opzionali Allocazione delle risorse Due tipologie: Passive-open Active-open TCP 23

24 Transmission Control Block Insieme di variabili che identifica la connessione ed il suo stato Local and remote socket numbers Pointers to send and receive buffers Pointers to the retransmit queue Security and precedence value for the connection Current segment Variables associated with send and receive sequence numbers ISS Initial send sequence number SND.UP Sequence number of last octet of urgent data RCV.NXT Sequence number of next octet to be received RCV.IRS Initial receive sequence number TCP 24

25 Retransmission Operation TCP non usa NAK In assenza di ACK, ritrasmissione A B { 7 8 SN = 303 (300 bytes sent) AN = 303 SN = 3 (300 bytes sent) SN = 603 (300 bytes sent) AN = 303 SN = 303 (300 bytes sent) SN = 603 (300 bytes sent) AN = 903 AN = 303 TCP 25

26 User Interfaces Service Request Primitives UNSPECIFIED-PASSIVE OPEN FULL-PASSIVE-OPEN ACTIVE-OPEN ACTIVE-OPEN-WITH-DATA SEND RECEIVE ALLOCATE Service Response Primitives OPEN-ID OPEN-FAILURE OPEN-SUCCESS DELIVER CLOSING TERMINATE STATUS-RESPONSE ERROR CLOSE ABORT STATUS TCP 26

27 Items Passed to IP Il TCP passa alcuni parametri al sottostante modulo IP Precedence Normal/Low Delay Normal/High Throughput Normal/High Reliability Security TCP 27

28 Connection Establishment Process A Active OPEN Process B Passive OPEN, waits for active request SYN = 1; SN = k SYN = 1; ACK = k+1; SN = j ACK = j+1 TCP 28

29 Initial Sequence Numbers (ISN) Possibili diverse istanze (incarnazioni) della stessa connessione Problema: Come evitare confusioni con i segmenti duplicati delle incarnazioni precedenti? Bisogna evitare che i segmenti di una incarnazione utilizzino gli stessi SN dei segmenti di una precedente incarnazione che possono ancora trovarsi in rete Alla creazione di una connessione, uso di generatore di ISN legato al tempo Scatto di un bit ogni 4 µs Riciclo dopo 2^32 * 4*10^-6 4,55 h Tempo di riciclo > MSL TCP 29

30 Connection Management Passive OPEN Create TCB CLOSED CLOSE Delete TCB CLOSE Delete TCB Active OPEN Create TCB Send SYN SYN RCVD rcv SYN snd SYN, ACK LISTEN rcv SYN, snd ACK SYN SENT CLOSE snd FIN FIN WAIT-1 rcv ACK of FIN FIN WAIT-2 rcv ACK of SYN Closed Snd FIN rcv FIN Snd ACK rcv FIN snd ACK ESTAB CLOSING rcv ACK of FIN TIME WAIT rcv SYN, ACK snd ACK Time=2 MSL del TCB rcv FIN snd ACK CLOSE WAIT CLOSE snd FIN ST-ACK rcv ACK of FIN CLOSED TCP 30

31 Retransmission Timer Problema: Stima del timer per Ritrasmissione Send Delay (SD) A B Processing Time (PT) Receive Delay (RD) RTT = SD + RD + PT TCP 31

32 Early Version Media semplice ARTT( k) k RTT( i) i = = 1 k k 1 RTT( k) ARTT( k) = ARTT( k 1) + k > 1 k k 15 Valori crescenti 20 Valori descrescenti 10 5 Osservazione Media semplice TCP 32

33 Smoothed Round-Trip Time 1 2 k RTT( k) + RTT( k 1) + RTT( k 2) SRTT( k ) = cost 0 1 RTT(1) Per congruenza: SRTT( ) = RTT i=1 i cost = RTT Da cui cost = i = 0 i i= 0 i = 1 1 < 1 i= 1 ki SRTT( k) (1 ) RTT( i) = k TCP 33

34 Smoothed Round-Trip Time (2) SRTT( k) = (1 ) RTT( k) + k 1 i= 1 ki (1 ) RTT( i) SRTT( k) = (1 ) RTT( k) + k 1 i= 1 k1i (1 ) RTT( i) k 1 i= 1 1 = i k (1 ) RTT( i) SRTT( k 1) In conclusione relazione ricorsiva: SRTT( k) = (1 ) RTT( k) + SRTT( k 1) TCP 34

35 Smoothed and Simple Average Valori crescenti Valori decrescenti Osserv. Med. semplice Med. sm.d a=0,5 Med. sm.d a=0, Osserv. 6 Med. semplice Med. sm.d a=0,5 4 Med. sm.d a=0, TCP 35

36 Retransmission Timeout IL Value for Timeout (VT) non può essere uguale a SRTT VT = SRTT+ Logica scorretta Logica migliore VT = SRTT ( >1) RFC 793 presenta as an illustration la relazione VT [ ( )] = min Ubound,max Lbound, SRTT = 0,8 0,9 = 1,3 2 Ubound = 60 s Lbound = TCP 36 1 s

37 Round Trip Time variance SRTT( k) = (1 ) RTT( k) + SRTT( k 1) ( ) [ ( ) ( ] SRTT( k) = SRTT( k 1) + 1 RTT k SRTT k 1) Lo standard originale non funziona bene con varianza elevata 3 problemi: Con bit rate basso stima dipendente fortemente dai dati Brusche ed imprevedibili variazioni di RTT provocata dal traffico internet Possibile assenza di un riscontro immediato dei singoli segmenti TCP 37

38 Round Trip Time Variance (2) RFC 793 tiene conto della variabilità di RTT con il fattore costante Procedura migliore: basarsi sulla varianza di RTT mean deviation mdev [ ]] mdev ( X ) = E X E[ X mdev( X ) = n i= 1 x E[ X ] i p i TCP 38

39 Round Trip Time Variance (3) Nel caso presente = 1 mdev( X ) x i E[ X ] n n i= 1 mdev 2 1 ( X ) = n 2 n i= 1 x i E[ X ] 2 n = 1 ( X ) [ n ( x i E X ) 2 ] i= 1 2 X n^2 n i= 1 x i E[ X ] 2 n ( x i E[ X ]) n i= 1 2 TCP 39

40 Round Trip Time Variance (4) Per distribuzione gaussiana mdev 2 ( X ) 2 2 = ( X ) mdev approssimazione della varianza Si vuole stimare mdev Si definiscono ARRT( i) = round -trip time stimato AERR( i) = RTT( i) ARTT( i 1) = errore di stima TCP 40

41 Round Trip Time Variance (5) Si può esprimere la mean deviation calcolata su k samples come k = 1 mdev RTT( i) E[ X ] k k i= 1 Si sostituisce ad E[X] il valor medio stimato su i -1 samples ARTT(i -1) Si ottiene un valore stimato ADEV della mean deviation ADEV( k) = 1 k k i= 1 RTT( i) ARTT( i 1) ADEV( k) = 1 k k i= 1 AERR( i) TCP 41

42 Round Trip Time variance (6) ADEV( k) = k 1 ADEV( k k 1 1) + k AERR(k) Valore di ADEV ottenuto con media semplice Opportunità di pesare in modo differente i samples Procedura di Van jacobson Uso della media esponenziale Espressione di SRTT SRTT( k) = (1 ) RTT( k) + SRTT( k 1) TCP 42

43 Round Trip Time Variance (7) 1 - g SRTT( k) = (1 g) SRTT( k 1) + g RTT( k) In analogia a: AERR(k) = RTT(k) - ARTT(k-1) Errore per media smoothed SERR(k) = RTT(k) - SRTT(k-1) TCP 43

44 Round Trip Time Variance (8) In analogia alla media smoothed di RTT media smoothed della deviation SDEV(k) = (1-h) SDEV(k-1) + h SERR(k) Ora più correttamente: RTO(k) = SRTT(k) + f SDEV(k) Van Jacobson ha proposto: g = 0,125 ( = 0,875) h = 0,25 f = 2 f = 4 TCP 44

45 Round Trip Time Variance (9) Valori crescenti Valori decrescenti Osserv. SDEV RTO f = 2 RTO f = TCP 45

46 Window Management TCP self-clocking P r P b Sender Receiver A b A s A r TCP 46

47 Window Management (2) Congestion Window Congestion Window fissata dal sender Allowed_Window = min (receiver_advertisement, congestion_window) Strategy: Multiplicative Decrease Congestion Avoidance: Upon loss of a segment, reduce the congestion window by half (down to a minimum of at least one segment). For those segments that remain in the allowed window, backoff the transmission timer exponentially. TCP 47

48 Window Management (3) Slow-start Segment Sequence Number [KB] Send Time [s] TCP 48

49 Window Management (4) Con RFC 2001 introduzione di una partenza graduale Avvio con finestra da un segmento e incremento fino al massimo Slow Start (additive) Recovery Whenever starting traffic on a new connection or increasing traffic after a period of congestion, start the congestion window at the size of a single segment and increase the congestion window by one segment each time an acknowledgement arrives. TCP 49

50 Window Management (5) Congestion window increases exponentially RTT Increase by 1 segment per ACK Time T opening ( W ) = RTT log 2 W Sender Receiver TCP 50

51 Backoff esponenziale dell RTO RTO = Round trip Time Out Siccome il timeout è dovuto probabilmente ad una congestione (pacchetto perduto o round trip lungo), il mantenimento di RTO non è una buona idea RTO viene incrementato ogni volta che un segmento è ritrasmesso RTO = *RTO Normalmente = 2 Binary exponential backoff TCP 51

52 Delayed ACK - SWS Silly Window Syndrome ( SWS) RFC 793 asserisce genericamente che i dati devono essere promptly acknowledged Il receiver invia al sender la offered window Il sender in base alla offered window calcola la usable window Usable Window = Offered Window Unacknowledged Data Esempio: Ricevitore 1000 bytes Sender invia 5 segmenti da 200 Dopo il primo segmento il receiver invia un ACK Al ricevitore nuovamente disponibile spazio per 1000 TCP 52

53 Silly Window Syndrome Il sender ricalcola la Usable Window = = 200 Il sender ha 50 bytes da inviare fino all arrivo di un push point Il sender invia un segmento da 50 bytes Il sender invia un segmento da 150 bytes Il receiver riceve il segmento da 50 bytes e comunica una offered window di 1000 bytes Nuova usable window di 50 bytes Il sender invia un segmento da 50 bytes (anche in presenza di molti bytes) TCP 53

54 Silly Window Syndrome (2) Occasionalmente, a causa di confini naturali, la finestra viene spezzata in due La finestra non viene riunita naturalmente Continuo invio di piccoli segmenti Silly Window Syndrome Per evitarla: Improved Window Algorithm # Quando il receiver dispone di una piccola quantità di dati, riduce la O_w Il sender non può inviare altri dati Quando il receiver ha ricevuto abbastanza dati incremento la O_w TCP 54

55 Silly Window Syndrome (3) Quando si deve riaprire la finestra? Troppo presto SWS Troppo tardi Ritardo Rule of thumb Reduce the offered window until the reduction constitutes one half of the available space Altro algoritmo: Il sender calcola una U_w, La confronta con la O_w, Si ferma finchè la U_w non è maggiore di una frazione della O_w Tipicamente 25 % TCP 55

56 RTT Measurement RTT calcolato partendo dalla differenza tra l istante di trasmissione e quello di arrivo ACK Problema: Gli ACK non portano informazione circa il pacchetto a cui si riferiscono Ambiguità dell Acknowledgement Scelta dell istante della prima trasmissione Sovrastima di RTT Scelta dell istante di ritrasmissione Sottostima di RTT TCP 56

57 Karn Algorithm Risoluzione del problema della ambiguità con: Echo option (Oct. 1988) Algoritmo di Karn (Nov. 1991) In caso di segmenti ritrasmessi il sender non misura RTT ( e non aggiorna RTO) In caso di ritrasmissione calcolo di RTO non in base a RTT ma con la formula di backoff RTO = 2 RTO Uso ripetuto procedura di backoff fino a trasmissione singola TCP 57