Internet: architettura e protocolli/Livello Trasporto: Protocolli TCP-UDP

Il TCP e l'UDP sono due protocolli di livello trasporto.

Ogni host ha un unico indirizzo IP, ma può avere in esecuzione più applicazioni. Ogni applicazione comunica attraverso una porta TCP e una porta UDP; il livello di trasporto effettua poi il multiplexing delle connessioni, cioè gestisce i flussi provenienti dalle varie porte verso il protocollo di rete sottostante.

TCP

Formato dell'intestazione dei pacchetti TCP

L'intestazione dei pacchetti TCP ha il formato seguente:

• source port: la porta TCP sorgente;
• destination port: la porta TCP di destinazione;
• numero di sequenza;
• acknowledgment number: la destinazione specifica il numero di sequenza del prossimo pacchetto da ricevere;
• hlen: la lunghezza dell'intestazione;
• flag: identificano l'informazione contenuta nel pacchetto:
  • il flag ACK identifica se il pacchetto è un ACK;
  • il flag SYN serve per l'apertura della connessione;
  • il flag FIN serve per la chiusura della connessione;
• window size: la dimensione della finestra di ricezione del mittente del pacchetto, per permettere l'uso dei protocolli a finestra;
• checksum.

Numero di sequenza

Il TCP è un protocollo orientato ai byte: il primo pacchetto inizia con un numero casuale, il secondo pacchetto ha quel numero incrementato del numero di byte di cui è costituito il primo pacchetto, e così via.

I buffer del mittente (coda di trasmissione) e della destinazione (coda di ricezione) non sono necessariamente di uguale dimensione → i dati possono venire segmentati in un modo e riassemblati in un altro.

Circuito virtuale

Il TCP è un protocollo connesso: funziona tramite circuito virtuale tra una porta del mittente e una porta del destinatario.

Il circuito virtuale è full-duplex: consente la comunicazione in entrambi i sensi.

Esistono delle porte standard, chiamate well-known port, tramite cui può essere contattato l'applicativo di destinazione: ad ogni well-known port è assegnato un protocollo ben preciso → l'applicativo di destinazione riesce a sapere quale protocollo vuole usare l'applicativo sorgente per la comunicazione. Ad esempio, la porta 80 è riservata alla comunicazione tramite il protocollo HTTP. Siccome la comunicazione è full-duplex, la risposta uscirà dalla porta 80 dell'applicativo di destinazione e giungerà alla porta aperta prima dall'applicativo sorgente per l'invio della richiesta. Le well-known port sono 1024, una piccola parte rispetto a tutte le porte utilizzabili.

Apertura della connessione

Per aprire una connessione, il TCP usa un three-way handshake:

1. SYN: il client invia un SYN al server, impostando il numero di sequenza del segmento ad un valore casuale x;
2. SYN-ACK: il server risponde con un SYN-ACK, impostando il numero di acknowledgment al numero di sequenza ricevuto più uno (x + 1), e scegliendo come numero di sequenza del pacchetto un altro numero casuale y;
3. ACK: infine il client invia indietro un ACK al server, impostando il numero di sequenza al valore di acknowledgement ricevuto (x + 1), e il numero di acknowledgement al numero di sequenza ricevuto più uno (y + 1).

A questo punto, sia il client sia il server hanno ricevuto un acknowledgment della connessione e la comunicazione full-duplex è stabilita.

Chiusura della connessione

La chiusura della connessione richiede l'invio di FIN e ACK in entrambe le direzioni. È una chiusura di tipo graceful leaving, perché gli interlocutori non abbandonano improvvisamente la conversazione ma prima la chiudono interagendo in maniera "educata".

Uso dei protocolli a finestra

Il TCP richiede più banda dell'UDP, a causa delle maggiori dimensioni dell'header dovute ai maggiori controlli: a differenza dell'UDP, il TCP effettua il controllo di flusso e di congestione, e garantisce che tutti i pacchetti vengano consegnati integri a destinazione. L'acknowledge è obbligatorio (normalmente tramite piggybacking), e se un pacchetto non è giunto a destinazione va ritrasmesso.

Se un segmento va perso e arrivano segmenti successivi nella sequenza, il ricevitore inizia ad inviare NACK duplicati riferiti al segmento mancante. Il trasmettitore capisce che deve ritrasmettere il segmento quando riceve 3 NACK duplicati.

La dimensione della finestra di trasmissione viene modificata dinamicamente in funzione della capacità della rete e del ricevitore:

${\text{finestra di trasmissione}}\,=\min {\left({\text{finestra di ricezione}},\,{\text{finestra di congestione}}\right)}$

Il trasmettitore conosce la finestra di ricezione grazie al campo "window size" nell'intestazione dei pacchetti TCP.

Finestra di congestione

La finestra di congestione serve per evitare di congestionare la rete limitando la finestra di trasmissione. All'apertura della connessione la finestra di congestione ha dimensione pari a 1, cioè viene mandato un solo pacchetto. Man mano che arrivano gli ACK, la finestra di congestione:

• cresce esponenzialmente (2, 4, 8...) fino ad arrivare a un certo valore di soglia, che la prima volta è predefinito;
• superato il valore di soglia cresce linearmente.

Se un riscontro non arriva entro il timeout, il valore di soglia viene impostato alla metà del valore corrente della finestra di congestione e si riparte da 1.

UDP

Il protocollo UDP è privo dei controlli di flusso e di congestione → il trasmettitore continua a trasmettere alla massima velocità consentita dalla banda di trasmissione senza aspettare alcun ACK. Esegue solamente il controllo degli errori, cioè verifica il checksum del pacchetto per verificarne l'integrità.

L'UDP è un protocollo non connesso:

• non vi è alcun ritardo di apertura e di chiusura della connessione;
• è basso l'overhead, cioè il carico sul sistema operativo per tenere aperte le connessioni;
• i ritardi sono bassi e costanti, cioè la distanza tra un pacchetto e l'altro è uguale per tutti i pacchetti.

L'intestazione dei pacchetti UDP è molto più breve e semplice:

• source port;
• destination port;
• UDP length;
• UDP checksum.

L'UDP è utile:

• quando la rete è affidabile → i controlli non servono;
• quando le prestazioni e la riduzione del ritardo sono più importanti dell'affidabilità (es. telefonia);
• quando l'applicazione mette tutti i dati in un singolo pacchetto → non servono meccanismi per regolare la dimensione della finestra.

Eventuali meccanismi di ritrasmissione, come l'invio di ACK, devono essere gestiti a livello applicazione.