Reti di Calcolatori. Transport

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1 Reti di Calcolatori Transport

2 Dove siamo? 2

3 Servizio di trasporto Può essere con connessione o senza connessione E disponibile al programmatore delle applicazioni come un insieme di chiamate di procedura disponibili in una libreria Il trasporto con connessione fornisce un canale affidabile su cui scrivere o da cui leggere dati (come un file) Lo schema alla base è quello client-server Server: attiva una procedura che rimane in attesa di una richiesta di connessione (LISTEN) Client: invia una richiesta di connessione (CONNECT) Una volta aperta la connessione si scambiano dati con le primitive SEND e RECEIVE (attende dati) Si chiude la connessione con la procedura DISCONNECT 3

4 Protocolli di trasporto Gestiscono il controllo degli errori, i numeri di sequenza e il controllo di flusso per un collegamento attraverso una rete (situazione più complessa del caso del livello data link) Occorre definire la modalità di indirizzamento a livello trasporto (su uno stesso host possono essere disponibili più connessioni) In generale il livello di trasporto su un host gestisce numerose connessioni Devono risolvere il problema della capacità di memorizzazione della rete (un pacchetto può essere memorizzato in un router e consegnato dopo un certo ritardo) 4

5 Protocolli di Trasporto Application Transport Internet Transmission Control Protocol (TCP) User Datagram Protocol (UDP) Connection- Oriented Connectionless Data Link Physical 5

6 TCP e UDP Protocolli di trasporto definiti su rete Internet (su IP) Trasmission Control Protocol (TCP) definisce un protocollo di trasporto orientato alla connessione definito in RFC 793, RFC 1122 e RFC 1323 progettato per fornire un flusso affidabile end-to-end su una internet inaffidabile User Data Protocol (UDP) definisce un protocollo senza connessione descritto in RFC 768 permette di inviare datagram IP senza stabilire una connessione 6

7 TCP Segment Bit 0 Bit 15 Bit 16 Bit 31 Source port (16) Destination port (16) Sequence number (32) Header length (4) Acknowledgement number (32) Reserved (6) Flags (6) Window (16) Checksum (16) Urgent (16) 20 Bytes Options (0 or 32 if any) Data (varies) max= Ogni segmento ha un header fisso di 20 byte più eventuali parti opzionali seguito da 0 o più byte di dati 7

8 I flags Nel segmento TCP sono presenti 6 bit di flag URG Indica che l Urgent Pointer indica la posizione a partire dal numero di sequenza attuale di dati urgenti (es. pressione di CTRL-C per interrompere il programma remoto) ACK Indica se il campo Acknowledgement number è valido PSH Indica dati di tipo PUSH ovvero si richiede di consegnare subito i dati senza bufferizzarli RST Richiesta di reinizializzazione di una connessione diventata instabile. Viene anche usato per rifiutare un segmento non valido o l apertura di una connessione 8

9 I flag TCP [continua] SYN Viene utilizzato per creare connessioni. La richiesta di connessione è caratterizzata da SYN=1 e ACK=0. La risposta di connessione contiene un ack e quindi ha SYN=1 e ACK=1. Individua i segmenti CONNECTION REQUEST e CONNECTION ACCEPTED. FIN Viene utilizzato per chiudere una connessione (il mittente non ha altri dati da spedire) 9

10 Funzionalità del TCP Trasmissione Riceve un flusso di dati dall applicazione Li organizza in unità lunghe al massimo 64Kb Spedisce le unità di dati come datagram IP Ricezione Riceve i datagram IP Ricostruisce il flusso di byte originale nella sequenza corretta Ritrasmissione dei datagram non ricevuti, riordinamento dei datagram arrivati in ordine sbagliato 10

11 Indirizzamento Un indirizzo di trasporto identifica l host e la specifica connessione sull host host 1 porte host 2 processo server host 3 applicazione TCP IP fisico Indirizzo IP porte in attesa rete 1 rete 2 11

12 Comunicazione fra TCP/IP stacks Application Presentation Session Transport Network Data Link Physical Application Transport Internet Data Link Physical Il TCP su un computer usa IP e i livelli inferiori per comunicare con il TCP di un altro computer 12

13 Le porte Le porte attive definiscono i servizi TCP disponibili Per connettersi ad un servizio specifico su un server si deve conoscere il numero di porta su cui il processo server accetta le connessioni Le porte inferiori alla 256 sono dette porte ben note (well-known ports) e corrispondono a servizi standard In Unix la lista dei servizi e delle porte è nel file /etc/services Ad esempio la porta 21 di TCP corrisponde al servizio FTP (File Transfer Protocol) la porta 80 di TCP corrisponde al servizio HTTP (Hypertext Transfer Protocol) ovvero al server Web Un servizio standard può anche essere attivato su una porta diversa (es. HTTP su 8080) 13

14 Port Numbers Application Layer F T P T E L N E T S M T P D N S T F T P S N M P R I P Transport Layer TCP UDP 520 Port Numbers 14

15 Protocol Port Number I numeri delle porte vengono divisi in tre gruppi: Well-Known-Ports (0 1023): Queste porte vengono assegnate univocamente dall IANA Registered Ports ( ): L uso di queste porte viene registrato a beneficio degli utenti della rete, ma non esistono vingoli restrittivi Dynamic and/or Private Ports ( ): Non viene applicato nessun controllo all uso di queste porte 15

16 Le porte del client Il client definisce la porta di ogni sua connessione utilizzando numeri in genere elevati e scelti in modo da essere unici sull host Ad esempio richiesta di connessione ad un server TELNET client port server port 23 Le connessioni sono quindi punto-a-punto e full duplex 16

17 Le Porte Source Port Dest. Port Telnet Z Host A Host Z SP DP Dest. port = 23. Invia il pacchetto all applicazione telnet server 17

18 Apertura della connessione Si utilizza un protocollo 3-way handshaking host 1 host 2 SYN (SEQ=x) SYN (SEQ=y,ACK=x+1) tempo (ACK=y+1) Se il TCP ricevente non verifica la presenza di nessun processo in attesa sulla porta destinazione manda un segmento di rifiuto della connessione (RST). 18

19 Un esempio di connessione Connessione Telnet fra da a catturata con tcpdump * porta client porta server 23 (telnet) > : S : (0) win <mss 1460,nop,nop,sackOK,nop,wscale 0> (DF) > : S : (0) ack win <mss 1460,nop,nop,sackOK,nop,wscale 0> (DF) > :. ack win (DF) * tcpdump -S -n -t \(dst and src \) or \(dst and src \) 19

20 Three Way Handshake/Open Host A Host B 1 Send SYN (seq=100 ctl=syn) SYN received 20

21 Three Way Handshake/Open Host A Host B 1 Send SYN (seq=100 ctl=syn) SYN received SYN received 2 Send SYN, ACK (seq=300 ack=101 ctl=syn,ack) 21

22 Three Way Handshake/Open Host A Host B 1 3 Send SYN (seq=100 ctl=syn) SYN received Established (seq=101 ack=301 ctl=ack) SYN received 2 Send SYN, ACK (seq=300 ack=101 ctl=syn,ack) 22

23 Chiusura della connessione La connessione è full-duplex e le due direzioni devono essere chiuse indipendentemente Chiusura da host1 a host2 Chiusura da host2 a host1 host 1 host 2 FIN (SEQ=x,ACK=z) (SEQ=v,ACK=x+1) FIN (SEQ=v+1,ACK=x+1) tempo Host 2 può ancora inviare dati a host1 (ACK=v+2) Se l ack di un messaggio FIN si perde l host mittente chiude comunque la connessione dopo un timeout 23

24 Un esempio di chiusura Chiusura Telnet da porta client porta server 23 (telnet) FIN > : F : (0) ack win (DF) > :. ack win (DF) > : F : (0) ack win (DF) > :. ack win (DF) 24

25 Il diagramma degli stati TCP Chiusura attiva client server rcv: SYN send: SYN,ACK appl: close send: FIN FIN WAIT 1 rcv: ACK send: - SYN RCVD FIN WAIT 2 appl: listen send: - rcv: RST send: - rcv: ACK send: - appl: close send: FIN rcv: FIN,ACK send: ACK rcv: FIN send: ACK inizio CLOSED LISTEN EXTABLISHED rcv: FIN send: ACK CLOSING TIME WAIT appl: close send: - rcv: SYN send: SYN,ACK rcv: ACK send: - appl: send send: SYN SYN SENT rcv: FIN send: ACK rcv: SYN,ACK send: ACK appl: connect send: SYN appl: close/timeout send: - CLOSE WAIT rcv: close send: FIN timeout LAST ACK rcv: ACK send: - 2*Maximum Segment Lifetime (2*2min) 25

26 Il timeout MSL Il Maximum Segment Lifetime (MSL=2 min in RFC 793) indica il massimo tempo per il quale un segmento TCP può sopravvivere nella rete prima di essere scartato. Attendere 2MSL nello stato TIME WAIT garantisce che tutti i segmenti relativi alla connessione siano spariti dalla rete. Nello stato TIME WAIT si impedisce che nel client possa aprirsi una connessione con lo stesso indirizzo di quella appena chiusa (porte+ip). Il vincolo più rigido in molte implementazioni è che non venga riusato il numero di porta locale (non è comunque un problema). Per il server questo non avviene (la porta essendo pubblicata deve rimanere attiva). 26

27 Flusso di dati interattivi Si considera il caso di una connessione interattiva (es. telnet): Non si possono accumulare i dati ma occorre inviare segmenti piccoli Il 90% dei segmenti telnet porta circa 10 byte Nel caso limite si ha un segmento per ogni carattere battuto con il ricevente che genera un echo del medesimo carattere: Segmento dal client col carattere battuto (26IP + 20TCP + 1byte = 47byte) Segmento di ack dal server al client (46 byte) Segmento di echo dal server (47 byte) Segmento di ack dal client (46 byte) In totale si userebbero 186 byte in 4 segmenti TCP per 1 carattere!! 27

28 Caso di pacchetti duplicati I pacchetti possono essere memorizzati e ricomparire nella rete host 1 host 2 SYN (SEQ=x) Il segmento x non è valido Pacchetto duplicato SYN (SEQ=y,ACK=x+1) tempo RST (ACK=y+1) La numerazione iniziale è fatta con un orologio locale (tick=4 s) L intervallo dei numeri di sequenza (32 bit) garantisce che non venga riutilizzato lo stesso numero prima di qualche ora A causa del time to live dei pacchetti IP segmenti con lo stesso numero non possono coesistere sulla rete 28

29 Ack ritardati Normalmente il TCP non invia un ack istantaneamente ma ritarda l invio sperando di avere dati da spedire con l ack (ACK piggyback). Molte implementazioni usano un ritardo di 200ms. ack ritardati host 1 host 2 PSH 0:1(1) PSH 1:2(1) ack1 ack2 PSH 1:2(1) PSH 2:3(1) ack3 I dati di echo sono disponibili velocemente (si riesce a fare piggyback) scade il timeout prima che un dato sia disponibile ack 4 numeri di sequenza e ack sono relativi 29

30 L algoritmo di Nagle (1984) Ha effetto per connessioni lente (es. WAN) - attesa ack Si accumulano i dati fino a che non si riceve l ack per il segmento inviato in precedenza In alcuni casi deve essere disabilitato (es. mouse in Xwindows) 2 caratteri disponibili host 1 host 2 PSH 6:7(1) ack48 PSH 48:49(1) ack7 PSH 7:9(2) ack49 PSH 49:51(2) ack9 PSH 9:10(1) ack51 echo 30

31 Sequence e Ack Numbers Source Port Dest. Port Sequence # Acknowledgement # Ho appena Inviato il #10 Source Dest. Seq. Ack

32 Sequence e Ack Numbers Source Port Dest. Port Sequence # Acknowledgement # Ho appena Inviato il #10 Ho appena ricevuto il #10 Ora attendo #11 Source Dest Seq. 10 Ack. 1 Source Dest Seq. 1 Ack

33 Sequence e Ack Numbers Source Port Dest. Port Sequence # Acknowledgement # Ho appena Inviato il #11 Ho appena ricevuto il #10 Ora attendo #11 Source Dest Source Dest. Seq. 10 Seq. Ack. 1 Ack. Source Dest Seq. 1 Ack

34 Sequence e Ack Numbers Source Port Dest. Port Sequence # Acknowledgement # Ho appena Inviato il #11 Ho appena ricevuto il #11 Ora attendo #12 Source Dest Source Dest. Seq. 10 Seq. Ack. 1 Ack. Source Dest Seq. 1 Ack Source Dest Seq. 2 Ack

35 Trasmissione di flussi di dati Viene utilizzato un protocollo a finestra scorrevole (sliding window) Il ricevente indica la dimensione della finestra che può gestire in un dato momento offered window (advertized by receiver) usable window sent and ack ed sent not ack ed can send can t send until window moves La finestra di dati trasmissibili ancora senza aspettare l ack è ottenuta dall ampiezza della finestra e dal numero dell ultimo byte ricevuto 35

36 Trasmissione di flussi di dati Finestra del mittente K;seq = 0 ack=2048;win=2048 2k;seq=2048 ack=4096;win=0 ack=4096;win=2048 buffer del ricevente vuoto 4K 2k Pieno 2k k;seq=4096 1k 2k Se il ricevente indica una finestra 0 il mittente non può trasmettere dati. Il mittente può inviare un segmento di un byte per forzare il destinatario a indicare il prossimo byte atteso e l ampiezza della finestra (per non rimanere in attesa infinita se si perdono pacchetti) - timer di persistenza 36

37 Windowing Sender Window size = 3 Send 1 Window size = 3 Send 2 Window size = 3 Send 3 Receiver 37

38 Windowing Sender Window size = 3 Send 1 Window size = 3 Send 2 Receiver Window size = 3 Send 3 ACK 3 Window size = 2 Invio 3 perduto 38

39 Windowing Sender Window size = 3 Send 1 Window size = 3 Send 2 Receiver Window size = 3 Send 3 Window size = 3 Send 3 Window size = 3 Send 4 ACK 3 Window size = 2 Invio 3 perduto 39

40 Windowing Sender Window size = 3 Send 1 Window size = 3 Send 2 Receiver Window size = 3 Send 3 Window size = 3 Send 3 Window size = 3 Send 4 ACK 3 Window size = 2 ACK 5 Window size = 2 Invio 3 perduto 40

41 TCP Timeout e ritrasmissione TCP utilizza un timeout di attesa dell ack dopo di che provvede alla ritrasmissione dei dati. Il problema è determinare il valore del timeout migliore in quanto i ritardi possono essere molto variabili nel tempo sulla rete: Se il timeout è troppo piccolo si fanno ritrasmissioni inutili Se il timeout è troppo elevato si avranno ritardi di trasmissione Si utilizza un algoritmi di stima del migliore timeout basato sulla misura del Round-Trip Time (RTT) 41

42 Stima del Timeout Per ogni connessione si tiene una stima di RTT, aggiornandola per ogni pacchetto con Si stima poi la deviazione media RTT i = RTT i-1 +(1- ) T rtt (pkt i ) D i = D i-1 +(1- ) RTT i -T rtt (pkt i ) E si sceglie timeout = RTT+4*D 42

43 Controllo di congestione Il TCP adatta la velocità di trasmissione alla capacità della rete utilizzando una finestra di congestione che ha la stessa funzionalità della finestra di trasmissione usata per il ricevente. La dimensione della finestra di congestione è ridotta se scade il timeout di ritrasmissione. dimensione finestra timeout soglia trasmissioni 43

44 UDP Ogni operazione di output produce esattamente un datagram UDP che comporta l invio di un datagram IP: IP datagram UDP datagram IP header UDP header UDP data 20 bytes 8 bytes UDP non garantisce affidabilità di consegna. Se il datagram eccede la MTU (Maximum Transfer Unit) della rete, esso viene frammentato. 44

45 UDP Segment Ogni operazione di output produce esattamente un datagram UDP che comporta l invio di un datagram IP Bit 1 0 Bit 15 Bit 16 Bit 31 Source port (16) Destination port (16) Length (16) Data (if any) Checksum (16) 8 Bytes Le porte UDP sono indipendenti da quelle TCP La lunghezza in byte comprende sia i dati che l header ( 8) Il checksum comprende anche uno pseudoheader che contiene le informazioni IP 45

46 Socket Il concetto di socket è stato introdotto su UNIX BSD Ogni socket è caratterizzato da un indirizzo consistente nell indirizzo IP dell host e di un numero locale a 16 bit (porta) Per ottenere un servizio TCP si deve creare esplicitamente una connessione fra un socket della macchina mittente e un socket della macchina ricevente. Una volta attivato un socket è utilizzato come un file Le connessioni sono identificate con gli identificatori dei socket dei due lati (socket1,socket2) Sono disponibili primitive nei linguaggi di programmazione per aprire e usare socket (C, Java ) 46

47 Rete in Unix/Linux Programmi.. da provare ifconfig arp route netstat ping traceroute tcpdump (da root!) Socklist Riferimento: il manuale in linea esempio > man netstat File di configurazione /etc/inetd.conf (inetd = internet super server) /etc/services /etc/hosts 47

48 java.net E il package Java che mette a disposizione una serie di classi che supportano la programmazione di rete utilizzando i protocolli Internet (IP,TCP,UDP) InetAddress Classe che incapsula gli indirizzi IP e supporta la conversione fra indirizzi numerici e nomi simbolici (DNS) Socket Classe che implementa un socket client SocketServer Classe che implementa un socket server (processo che attende connessioni su una porta) 48

49 InetAdress La classe mette a disposizione metodi che supportano le operazioni comuni sugli indirizzi Internet static InetAddress getlocalhost() produce un oggetto InetAddress che rappresenta l indirizzo dell host locale su cui è eseguito il programma static InetAddress getbyname(string host) produce un oggetto InetAddress che per un host specifico. Il nome dell host può essere espresso o con l indirizzo IP (es ) o con il nome della macchina (es. alpha.dii.unisi.it) String gethostname() produce il nome dell host String gethostaddress() - byte[] getaddress() producono l indirizzo IP (come stringa o array di 4 byte) 49

50 Socket Implementa i socket per connessione client I metodi principali sono Socket(InetAddress a, int port) costruttore di un oggetto socket connesso con l host di indirizzo a sulla porta port. Può generare un eccezione se non si riesce ad aprire la connessione InputStream getinputstream() produce il canale di lettura dal socket (si gestisce come un file) OutputStream getoutputstream() produce il canale di scrittura sul socket (si gestisce come un file) void close() chiude il socket 50

51 ServerSocket Implementa il server TCP: il server rimane in ascolto su una porta specificata nel costruttore fino a quando non c è una richiesta di connessione da parte di un client Le richieste vengono accodate ServerSocket(int port) costruttore di un oggetto server in ascolto sulla porta specificata Socket accept() metodo bloccante fino a che non si verifica una richiesta di connessione. Viene prodotto l oggetto socket che rappresenta la connessione 51

52 java.net per UDP DatagramSocket Classe che implementa socket client e server utilizzando il protocollo UDP Costruttore senza argomenti per il client, con il numero di porta per il server metodi send(datagrampacket) e receive(datagrampacket) definizione di un timeout SO_TIMEOUT per il receive con setsotimeout(int) DatagramPacket Classe per rappresentare un datagram per invio o ricezione DatagramPacket(byte[],int) costruisce un datagram per ricezione. L array di byte è il buffer usato per memorizzare il datagram, l intero è la lunghezza DatagramPacket(byte[],int,InetAddress,int) costruisce un datagram per spedizione. L indirizzo rappresenta l IP del destinatario, l ultimo parametro il numero di porta InetAddress getaddress() e int getport() sono usati per ottenere IP e porta del mittente del datagram byte[] getdata() ottiene i dati del pacchetto 52