UDP e TCP. IP permette di scambiare datagram fra due computer. Non viene fatta distinzione sull utente o programma che riceve il datagram

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1 Prof. Roberto De Prisco TEORIA - Lezione 14 UDP e TCP Comer, Cap. 12 e 13 Università degli studi di Salerno Laurea e Diploma in Informatica Introduzione 2 IP permette di scambiare datagram fra due computer Non viene fatta distinzione sull utente o programma che riceve il datagram UDP (User Datagram Protocol) Permette di spedire pacchetti di dati fra due utenti/programmi su due computer Sulla stessa coppia di computer potrebbero esserci più comunicazioni simultaneamente Mi collego ad un server per leggere la pagina web Contemporaneamente faccio SFTP di un file dallo stesso server 1

2 Computer multiutente 3 Su ogni computer Vari utenti/processi girano contemporaneamente Ognuno dei processi potrebbe dover utilizzare la rete Parlare di processi e utenti è impreciso: Un processo potrebbe terminare ed un altro prendere il posto del primo Accettiamo l imprecisione La comunicazione fra due computer Più corretto fra dire fra due programmi, ognuno dei quali su un computer della rete Livello di astrazione: Livello IP Livello utente Comunicazione fra due processi Comunicazione fra due computer Multiplexing e demultiplexing Il software UDP della sorgente A Li invia tramite IP Funziona da multiplexer Accetta datagram UDP da più utenti (1..n) Il software UDP della destinazione B Accetta tutti i datagram da IP Funziona da demultiplexer Li smista opportunamente al destinatario (1..m) 4 (A,1)-B (B,1) (A,2)-B UDP A Canale fornito da IP UDP B (B,2) (A,n)-B (B,m) 2

3 Porte 5 Astrazione: Porte di comunicazione Indirizzo IP Identifica un computer su Internet Porta Identifica una specifica entrata sul computer Sono degli interi UDP utilizza il concetto di porta Due utenti/processi si mettono d accordo sulle porte da usare UDP e IP 6 IP permette lo scambio di datagram fra due computer UDP permette lo scambio di user datagram fra una porta su un computer ed un altra porta su un altro computer Per il resto sono simili Non c è conferma della ricezione Non c è ordine fra i datagram UDP non permette di controllare la velocità con cui i datagram viaggiano I datagram possono essere persi 3

4 Formato messaggi UDP PORTA UDP SORGENTE PORTA UDP DESTINAZIONE LUNGHEZZA MESSAGGIO CHECKSUM DATI Occorre specificare le porte Porta UPD nella sorgente Porta UDP nella destinazione Facoltativo: dà la possibilità di rispondere DATI Contengono il datagram da spedire Incapsulamento 8 Vale il solito discorso Datagram UDP HEADER UDP DATI Datagram IP HEADER IP DATI HEADER frame DATI Frame 4

5 Pseudointestazione UDP 9 Nel calcolo della checksum viene considerato anche una pseudointestazione Contiene indirizzi IP di sorgente e destinazione Serve come controllo dell integrità del datagram quando arriva a destinazione INDIRIZZO IP SORGENTE INDIRIZZO IP DESTINAZIONE ZERO PROTO CHECKSUM Il ricevente aggiunge lo steso pseudoblocco prima di controllare il checksum Ricava gli indirizzi IP dall header del datagram Porte UDP 10 PORTA Nome ECHO DAYTIME - QUOTE NAMESERVER Nome UNIX echo daytime netstat qotd nameserver Descrizione Ripete ciò che riceve Fornisce l ora Info sullo stato della rete Citazione del giorno Servizio DNS Alcune sono ben note Fino a 1024 sono riservate Altre sono definibili dall utente 5

6 TCP 11 Transmission Control Protocol Offre un servizio di scambio di dati affidabile Le applicazioni possono usarlo senza preoccuparsi della gestione della connessione Come UDP si basa su IP, ma garantisce che Il flusso di dati spediti viene ricevuto Nello stesso ordine Connessione full-duplex Crea una connessione a circuito virtuale NOTA: da non confondere con il circuito virtuale per la spedizione dei pacchetti Caratteristiche di TCP Orientato allo stream TCP consegna all applicazione destinataria una sequenza (stream) di byte identica a quella che l applicazione mittente ha spedito Orientato al flusso (singoli byte) non ai pacchetti Stream non strutturato lo stream è visto come un flusso non strutturato di byte L applicazione deve preoccuparsi di formattare correttamente i dati 6

7 Caratteristiche di TCP Connessione di circuito virtuale L applicazione spedisce e riceve i dati come se ci fosse una connessione dedicata I dettagli relativi al servizio fornito da IP sono completamente mascherati Connessione full-duplex Sulla stessa connessione possono essere inviati dati in entrambe le direzioni Consente di implementare un meccanismo di trasmissione e riscontro Caratteristiche di TCP Trasferimento bufferizzato TCP divide lo stream generato dall applicazione in segmenti La dimensione dei segmenti è decisa dal protocollo in funzione dello stato della rete Es. per evitare frammentazione I dati vengono mantenuti in un buffer fino a quando non si raggiunge il numero sufficiente di byte per costruire un segmento Alla destinazione l applicazione legge i byte dal buffer L applicazione mittente potrebbe produrre tre blocchi di 30, 20 e 10 byte L applicazione destinataria potrebbe ricevere 2 blocchi di 40 e 20 byte 7

8 Porte TCP 15 Come per UDP esistono le porte TCP Un datagram IP contiene anche il protocollo (UDP, TCP) quindi non c è confusione fra due porte uguali che usano due protocolli diversi Quindi la porta UDP N è diversa dalla porta TCP N Spesso offrono lo stesso tipo di servizio La differenza fondamentale è l astrazione usata da TCP Punto finale (host, porta) Una connessione TCP è definita dai suoi due punti finali TCP usa entrambi i punti finali per identificare la connessione Permette più connessioni ad un server Per UDP non serve perché i datagram sono singoli non appartengono ad un flusso (connessione) Porte TCP - esempio 16 ( , 25) Porta 25 sulla macchina Connessione ( , 1069) ( , 25) Connessioni simultanee ( , 13000) ( , 53) ( , 1140) ( , 53) ( , 1141) ( , 53) L host vede 3 connessioni separate Anche se il punto finale sull host è lo stesso Occorre assegnare risorse (buffer, sliding window) ad ogni connessione 8

9 PORTE TCP 17 PORTA Nome ECHO DAYTIME - QUOTE SSH TELNET SMTP WWW POP3 Nome UNIX echo daytime netstat qotd ssh telnet smtp www pop3 Descrizione Ripete ciò che riceve Fornisce l ora Info sullo stato della rete Citazione del giorno Connessione sicura Connessione insicura Protocollo di posta Protocollo per il Web Protocollo Post Office versione 3 Esempio netstat -an 18 Netstat visualizza le connessioni di rete attive ed informazioni sul loro stato robdep@zircone:~> netstat --inet -an Active Internet connections (servers and established) Proto Rcv-Q Snd-Q Local Address Foreign Address State tcp : :22 ESTABLISHED tcp : :80 CLOSE_WAIT tcp : :22 TIME_WAIT tcp : :80 SYN_SENT tcp : :80 LAST_ACK Lo stato lo vediamo in seguito 9

10 Garantire l affidabilità 19 Sliding-window Controllo di linea I dettagli li abbiamo già visti Finestra scorre Finestra scorre A livello TCP viene applicata ai segmenti In realtà il flusso è a livello di byte, quindi gli ACK si riferiscono ai byte Dimensione finestra 20 La dimensione della finestra è variabile Permette il controllo di flusso Dipende dalla velocità con cui il destinatario processa i segmenti in arrivo Buffer in ricezione Ogni ACK contiene anche la nuova dimensione della finestra che il destinatario è pronto ad accettare Caso limite: dimensione 0 La sorgente non può più spedire Deve aspettare un messaggio con una nuova dimensione maggiore di 0 10

11 Controllo di flusso 21 La destinazione può controllare il flusso E quindi non avere problemi di buffer E i router intermedi? Anch essi potrebbero sovraccaricarsi Congestione della rete La dimensione della finestra non permette di controllare la congestione della rete Vedremo in seguito come affrontare il problema Formato segmenti TCP PORTA SORGENTE PORTA DESTINAZIONE NUMERO DI SEQUENZA NUMERO DI ACK HLEN RISERVATI U A P R C S G K H R S T S F Y I N N DIMENSIONE FINESTRA CHECKSUM OPZIONI (se ce ne sono) PUNTATORE URGENTE PADDING DATI 11

12 Formato segmento TCP 23 PORTE Identificano le porte alla sorgente ed alla destinazione Numero di sequenza Specifica la posizione del segmento 6574, segmento di dati (byte) che inizia alla posizione 6574 Numero di ACK HLEN Specifica il numero del byte che il destinatario si aspetta di ricevere È la ricevuta per tutti i byte che vengono prima 3894, il destinatario si aspetta di ricevere il byte numero 3894, i primi 3893 sono stati ricevuti Lunghezza dell intestazione del segmento Necessario perché le opzioni sono variabili Bit RISERVATI Utilizzi futuri Formato segmento TCP 24 BIT URG Il campo puntatore urgente è valido ACK Il campo numero di ACK è valido PSH Questo segmento richiede un push RST Reset della connessione (chiusura anomala) SYN Richiesta inizio connessione FIN Richiesta fine connessione Dimensione finestra Nuova dimensione della sliding window 12

13 Formato segmento TCP 25 CHECKSUM Calcolato su tutto il segmento + pseudoheader Pseudoheader contiene IP sorgente e destinazione Come UDP Puntatore Urgente per la trasmissione di dati urgenti (fuori banda) ad alta priorità trasmessi il prima possibile indipendentemente dalla loro posizione nello stream contiene un puntatore alla posizione nello stream dei dati urgenti il bit URG è settato Dati Urgenti Dà la possibilità di spedire dati che vengono letti indipendentemente dall ordine del flusso Il ricevente va in modalità urgente Alla fine della lettura dei dati urgenti si ritorna alla modalità normale Serve in alcune situazioni particolari 26 Il programma client decide di voler abortire una operazione precedentemente iniziata dal server Il server però è impegnato ad eleborare la richiesta del client e non legge il flusso regolare dal client Il comando di interrruzione viene mandato in modalità urgente I dati urgenti vengono letti appena arrivano al server 13

14 Opzioni e MSS 27 Opzioni Parte facoltativa Opzione più comune: Maximum Segment Size (MSS) L opzione MSS è utilizzata al momento della creazione della connessione per definire la dimensione massima dei segmenti da trasmettere Segmenti troppo piccoli rendono la trasmissione inefficiente Segmenti troppo grandi possono provocare frammentazione Se si perde un frammento tutto il segmento deve essere ritrasmesso Difficile da calcolare perchè il cammino cambia dinamicamente Calcolo MSS 28 Il segmento di SYN contiene l opzione Maximum Segment Size ogni parte annuncia la taglia del più grande segmento che si aspetta di ricevere (default di 536 byte) Viene scelto il più piccolo dei due valori Per connessioni locali MSS < (MTU dell interfaccia di rete dimensione header di TCP e di IP) Per connessioni non locali MSS = default 14

15 Gestione della connessione 29 Tutti i dati inviati da TCP viaggiano all interno di una connessione Astrazione di circuito Prima di poter spedire un solo byte si deve creare la connessione Garantisce che il ricevente sia disponibile a ricevere I due lati della connessione concordano le modalità di trasmissione e si sincronizzano Dopo aver trasmesso l ultimo byte si deve chiudere la connessione Apertura della connessione 30 Per l apertura di una connessione devono partecipare entrambi i lati della connessione: Chiamiamo Client chi richiede l apertura della connessione active open Chiamiamo Server chi risponde alla richiesta del client passive open Procedura in tre passi (handshaking) Il client invia un segmento SYN e specifica il proprio initial sequence number (ISN) Il server risponde con un segmento SYN contenente l ACK al SYN del client e l ISN del server Il client invia l ACK al SYN del server L ISN è utilizzato per numerare i byte che verranno spediti (si parte da quel numero) 15

16 Apertura della connessione 31 Invio SYN con seq=x Ricezione SYN + ACK Invio ACK y+1 Macchina A Apertura attiva Macchina B Apertura passiva Ricezione segmento SYN Invio SYN seq=y e ACK x+1 Ricezione ACK 3-way handshaking A spedisce un SYN con un numero x iniziale per identificare i byte Non si parte da un numero fissato (e.g. 1) per evitare problemi nel caso di reincarnazione della stessa connessione B risponde con un ACK: è pronto a ricevere il byte numero x+1 (il primo); spedisce a sua volta un SYN A risponde con un ACK che conferma la ricezione dei byte fino al numero y: è pronto per il byte numero y+1 Scambio di dati 32 A questo punto i due lati della connessione possono scambiare dati Connessione full-duplex I dati possono andare da A a B e viceversa A Invio segmento A B Ricezione ACK Ricezione segmento Invio ACK A B B Ricezione segmento Invio ACK Invio segmento Ricezione ACK 16

17 Chiusura connessione 33 Poichè una connessione TCP è full-duplex i dati viaggiano nelle due direzioni indipendentemente quindi ciascuna direzione deve essere chiusa indipendentemente Per chiudere una direzione di flusso viene spedito un segmento con il bit di FIN indica che non arriveranno più dati lungo questa direzione il primo fa una active close, il secondo una passive close Chiusura connessione 34 Macchina A Chiusura attiva Macchina B Chiusura passiva (il livello superiore chiude la connessione) Invio FIN con seq=x Ricezione ACK Invio ACK x+1 Ricezione segmento FIN (il livello superiore viene informato) Eventuale invio di dati residui Ricezione FIN + ACK Invio ACK y+1 (il livello superiore chiude) Invio FIN con seq=y, ACK x+1 Ricezione ACK 17

18 Reset di una connessione 35 La close è l operazione usata per chiudere normalmente una connessione Il reset è l operazione utilizzata per interrompere la connessione I dati rimasti nei buffer vengono cancellati Usato quando si presentano situazioni anomale Un lato della connessione invia un segmento con flag RST attivo L altro lato della connessione chiude immediatamente la connessione (senza ACK) Connesioni half open 36 Una connessione è detta half-open se è stata chiusa da un lato all insaputa dell altro Es. crash del sistema Un lato della connessione non si accorge che l altro si è sconnesso fino a quando non gli manda un segmento Segmenti con opzione keepalive servono a monitorare l esistenza dell altro lato della connessione 18

19 Possibili scenari 37 Crash del server Mentre il server è down il client non riceve risposta Quando il server è di nuovo up ha dimenticato le precedenti connessioni Invia un reset in risposta ad ogni segmento relativo ad una precedente connessione Crash del client Il server manda periodicamente un segmento keepalive Se non riceve risposta chiude la connessione Se il client è ritornato up non riconosce la connessione e manda un reset al server Diagramma di stato 38 19

20 Push 39 Per efficienza TCP usa un buffer I byte da spedire, passati dall applicazione, vengono messi in un buffer Quando il buffer contiene abbastanza dati viene spedito un segmento Evita segmenti piccoli Crea problemi per applicazioni interattive Un utente ad un terminale remoto ha bisogno di vedere la risposta per ogni tasto premuto TCP fornisce l operazione di PUSH Forza la spedizione del segmento con i dati presenti nel buffer Il bit PSH fa sì che i dati vengano consegnati immediatamente anche all applicazione remota Permette di guardare i pacchetti tcpdump 40 zircone:/home/robdep# tcpdump -n tcp tcpdump: listening on eth > : S : (0) win 5840 <mss 1460,sackOK,timestamp ,nop,wscale 0> (DF) > : S : (0) ack win <mss 1460,nop,wscale 0> (DF) > :. ack 1 win 5840 (DF) > : P 1:50(49) ack 1 win (DF) > :. ack 50 win 5840 (DF) > : P 1:23(22) ack 50 win 5840 (DF) > : P 50:546(496) ack 23 win (DF) > : P 23:559(536) ack 546 win 6432 (DF) > : P 1039:1423(384) ack 3586 win (DF) [tos 0x10] > :. ack 1423 win (DF) > : F 1695:1695(0) ack 6914 win (DF) [tos 0x10] > :. ack 1696 win (DF) > : F 6914:6914(0) ack 1696 win (DF) > :. ack 6915 win (DF) 20

21 ACK e ritrasmissione 41 Gli ACK fanno riferimento ai byte del flusso Non sono collegati al singolo datagram Danno la conferma di tutti i byte precedenti (conferma cumulativa) Una conferma di ricezione TCP specifica il numero di sequenza del byte successivo che il destinatario si aspetta di ricevere Vantaggi e svantaggi già visti nella prima parte Ack cumulativo potrebbe far rispedire molti segmente anche se non servirebbe (go-back-n) Ma è più semplice e se le cose vanno bene più efficiente Timeout e ritrasmissione 42 Ogni volta che un segmento viene inviato TCP avvia un timer Se il timer va a 0 prima che si riceva un ACK il segmento viene ritrasmesso A cosa deve essere impostato il timer? RTT: Round Trip Time Tempo di andata e ritorno di un datagram Data la natura di Internet è impossibile sapere con precisione l RTT 21

22 RTT (Round Trip Time) 43 Ritrasmissione adattiva 44 Invece di usare una soglia fissa se ne usa una adattiva Si parte da una stima e si modifica tale stima usando le misure di RTT degli ACK che arrivano RTT = (α * RTT) + (1-α) * RTT_misurato 0 α 1 Scelta di α rende la media pesata α = 1, completamente statico α = 0, completamente adattivo Timeout = β * RTT β 1 22

23 Ambiguità dell ACK e backoff timer 45 Quando si verifica una ritrasmissione non si può stimare l RTT L ACK non è riferito ad una trasmissione Non sappiamo se è l ACK della trasmissione originale o della ritrasmissione Nella stima del RTT bisogna ignorare i tempi dei segmenti ritrasmessi, ma non basta L RTT aumenta causando una ritrasmissione Poiché c è ritrasmissione la stima dell RRT non viene aggiornata e quindi anche la nuova trasmissione forzerà una ulteriore trasmissione e così via Ogni volta che c è una ritrasmissione si aumenta il timeout Algoritmo di Karn 46 Ignora i tempi di dati ritrasmessi Raddoppia il timeout quando c è ritrasmissione new_timeout = γ * timeout γ = 2 Riutilizza la stima del RTT quando arriva un nuovo ACK relativo a dati non ritrasmessi 23

24 Stima accurata del RTT 47 L algoritmo utilizzato da TCP per la stima dell RTT non è efficace in presenza di notevoli variazioni dei ritardi effettivi Usa solo la media Si ottengono risultati migliori usando sia la media che la varianza (DEV) Le nuove specifiche utilizzano una stima della varianza per calcolare la nuova stima dell RTT RTT = RTT + δ * (RTT_misurato RTT) DEV = DEV + ρ ( RTT_misurato RTT DEV) timeout = RTT + µ * DEV Controllo della congestione 48 Per controllare la congestione TCP offre Slow start Riduzione finestra di congestione Finestra di congestione Abbiamo visto che la sorgente tiene conto della finestra del destinatario Sliding window = minimo (receiver_win, cong_win) Riducendo la finestra di congestione si riduce il traffico Per ogni ritrasmissione si dimezza la finestra di congestione 24

25 Controllo della congestione 49 Quindi alla perdita di pacchetti TCP risponde diminuendo il traffico Fino ad arrivare ad un singolo datagram Continua a raddoppiare il valore del timeout Questa diminuzione del traffico dovrebbe Dare il tempo ai router di smaltire le code Far diminuire i RTT Come si riprende il normale funzionamento? Controllo della congestione 50 Si potrebbe avere il comportamento simmetrico Raddoppiare la finestra di congestione Dimezzare il timeout Questo potrebbe portare ad un sistema instabile Oscilla fra assenza di traffico e congestione Slow start Riprendere in maniera graduale Si aumenta la finestra di congestione di un addendo che Parte da 1 e raddoppia fino alla metà del valore originale della finestra di congestione Da metà in poi è sempre 1 25

26 Scarto dalla coda 51 La congestione della rete provoca problemi Congestione I router ricevono più pacchetti di quelli che possono smaltire I router usano delle code (buffer) per memorizzare i pacchetti in arrivo I pacchetti vengono in seguito smistati e quindi cancellati dalle code I buffer per le code hanno dimensioni finite Se i buffer sono pieni, un nuovo pacchetto viene scartato (eliminato) RED (Random Early Detection) 52 La politica vista prima ha un problema I pacchetti vengono scartati solo quando il buffer è pieno, cioè quando ormai il router è congestionato Lo scarto anticipato (RED) risolve questo problema Due soglie T min e T max Se la grandezza della coda è < T min Inserisci il pacchetto nella coda Se la grandezza della coda è fra T min e T max Scarta il pacchetto con una certa probabilità p Altrimenti Scarta il pacchetto 26

27 RED 53 L efficacia di RED dipende da come vengono scelte le soglie e la probabilità di scarto T min sufficientemente grande Alltrimenti si incomincerebbero a scartare pacchetti anche quando non ce ne è nessun bisogno T max abbastanza più grande di T min Code > T max, RED scarta sempre T max in pratica è la grandezza del buffer Una scelta semplice per p è una funzione lineare che vale 0 a T min e 1 a T max RED 54 La funzione lineare è semplice e funziona discretamente ma Crea problemi per ondate di traffico breve Un ondata di traffico breve non causa congestione Tuttavia le code possono riempirsi superando la soglia T min Alcuni pacchetti potrebbero essere scartati inutilmente Soluzione Anziché usare la dimensione effettiva della coda si usa una media della dimensione La media può essere calcolata come segue AVG = (1 - γ) * AVG + γ * dimensione_coda con γ piccolo 27

28 Tinygram 55 Le applicazioni che utilizzano TCP si dividono in due categorie Interactive flow (rlogin, telnet, ssh) Bulk data (ftp, mail) L applicazione produce grossi volumi di dati L applicazione produce i dati da spedire un pò alla volta L uso della connessione da parte dell applicazione è diverso nei due casi Le applicazioni interattive possono causare la spedizione di datagram con poche byte di dati (tinygram) Tinygram 56 Telnet Ogni carattere viene inviato dal client al server un byte per volta. Ogni carattere viene rispedito dal server al client per la visualizzazione (echo) Un byte genera 4 segmenti: byte di dati (client ---> server) ack del byte (server --> client) echo del byte per visualizzazione (server --> client) ack dell echo (client ---> server) La maggior parte di questi segmenti contiene un solo byte di dati (tinygrams) 40 byte di header 28

29 Sindrome da finestra errata 57 Si consideri la seguente situazione Un applicazione mittente comincia a spedire i dati L applicazione destinataria è lenta e dopo un pò il buffer di ricezione si riempie L applicazione destinataria decide di leggere dal buffer un byte alla volta Nella finestra di ricezione si libera posto per un byte Viene annunciato il cambiamento alla finestra che rende disponibile un solo byte L applicazione mittente spedisce un byte di dati Tutta la comunicazione può ridursi a tinygrams Inefficiente (tranne per applicazioni in cui è necessaria) Evitare la finestra errata 58 Il destinatario Non inviare annunci della finestra che possano causare la spedizione di pacchetti piccoli Ritarda l annuncio fino a che il cambiamento diventa significativo Il mittente usa l algoritmo di Nagle Non spedire pacchetti troppo piccoli Algoritmo di Nagle Se non si è in attesa di un ACK, spedisci subito almeno un byte Le spedizioni successive avvengono Quando ci sono abbastanza dati da spedire Quando si riceve l ACK Applica la regola anche quando è richiesto un push 29

30 Riepilogo 59 Protocollo UDP Porte UDP Protocollo TCP Porte TCP Dati urgenti Dimensione finestra e controllo di flusso Maximum Segment Size Gestione della connessione Push del buffer Ritrasmissione e backoff, algoritmo di Karn Controllo della congestione, algoritmo ED Tinygram e finestra errata Comer, Capitoli 12 e 13 30