TCP (Transmission Control Protocol)

È un protocollo del livello di trasporto dello stack protocollare TCP-IP.

Caratteristiche:

• usa i socket per comunicare tra processi,
• richiede la creazione di una connessione logica fra i processi client e server aperta prima di scambiarsi i dati e chiusa dopo;
• trasporto affidabile (controllo degli errori);
• ordine dei pacchetti (che sono numerati sequenzialmente);
• controllo di flusso per non sovraccaricare il destinatario;
• controllo degli errori sui pacchetti;
• controllo della congestione riducendo la mole di dati in invio;
• pipeline (possibilità di inviare e ricevere più pacchetti alla volta);
• bidirezionalità (ack in piggybacking);
• riceve uno stream continuo di bytes non ancora suddivisi in pacchetti dal livello applicazione;

Non offre:

• temporizzazione,
• garanzie di ampiezza di banda minima,
• sicurezza (almeno nella sua versione base).

Differenze con UDP (User Datagram Protocol)

Da geeksforgeeks

Una socket TCP è identificata da:

• indirizzo IP (Internet Protocol) di origine,
• numero di porta di origine,
• indirizzo IP di destinazione,
• numero di porta di destinazione.

Segmenti TCP

• 16 bits: Numero di porta sorgente;
• 16 bits: Numero di porta destinazione;
• 32 bits: Numero di sequenza (numero del primo byte di dati contenuto nel segmento, il primo è scelto casualmente);
• 32 bits: Numero di ack (numero di sequenza del prossimo byte aspettato dal destinatario);
• 4 bits: HLEN;
• 6 bit: Flag di controllo
  • URG: il puntatore urgente è valido;
  • ACK: il riscontro è valido;
  • PSH: richiesta di push;
  • RST: azzeramento connessione;
  • SYN: sincronizzazione numeri di sequenza;
  • FYN: chiusura connessione;
• 16 bit: Dimensione receive window;
• 16 bit: Checksum;
• 16 bit: Urgent pointer;
• Altri bit.

Connessione TCP

Fasi

1. Apertura della connessione

Si usa un three way handshake:

1. il mittente manda un pacchetto con flag SYN e un numero di sequenza casuale $s$,
2. il destinatario manda un pacchetto SYN + ACK con numero di sequenza casuale $t$ e numero di ack $s+1$,
3. il mittente manda un pacchetto con flag ACK, numero di sequenza $s+1$ e ack $t+1$.

2. Trasferimento dei dati

I pacchetti mandati dal mittente hanno flag ACK + PUSH.

Gli ack dal destinatario hanno solo la flag ACK.

I pacchetti URG vengono elaborati subito indipendentemente dalla posizione nel flusso. Il puntatore urgente indica dove nel pacchetto finiscono i dati urgenti e iniziano quelli normali.

3. Chiusura della connessione

Doppio scambio di messaggi FIN e ACK (opzionalmente inframezzati da dati dal server al client e un altro ACK, si parla di half close), solitamente iniziati dal client, ma potrebbe farlo anche il server.

Controllo degli errori

Tra livello di trasporto mittente e destinatario bisogna:

• rilevare e scartare pacchetti corrotti,
• tenere traccia dei pacchetti persi e gestirne il rinvio,
• riconoscere pacchetti duplicati e scartarli,
• mettere nel buffer i pacchetti fuori sequenza finché arrivano i pacchetti mancanti.

Ogni pacchetto ha un numero di sequenza nell’intestazione. Il numero di sequenza varia tra $0$ e $2^m-1$, dove $m$ è il numero di bit ad esso dedicato. Essi sono calcolati in modulo $2^m$ ($m=32$).

I numeri di sequenza sono indici delle locazioni di memoria nei buffer. Ognuna può contenere un pacchetto.

Se un pacchetto viene ricevuto correttamente, il destinatario manda al mittente un acknowledgment.

Ricevuto l’ack del pacchetto p, il destinatario libera la posizione di memoria buffer[p.numero_di_sequenza].

Il buffer viene rappresentato con un insieme di settori di lunghezza prefissata chiamati sliding windows, che in ogni istante occupano una porzione del cerchio, iniziando dal primo pacchetto non ancora confermato.

Regole di generazione degli ACK

Client:

1. Arrivo ordinato di un segmento con il numero di sequenza atteso. Il client ha già ricevuto l’ACK di tutti quelli prima → ACK delayed: si attende mezzo secondo l’arrivo del prossimo segmento; se non arriva si manda l’ACK che lo richiede.
2. Arrivo ordinato di un segmento con il numero di sequenza atteso. Il client sta ancora aspettando per mandare l’ACK (regola 1) → ACK cumulativo di entrambi i pacchetti senza aspettare il timer.
3. Arrivo con segmento di sequenza superiore a quello atteso (c’è un buco) → ACK duplicato del prossimo byte atteso senza aspettare il timer.
4. Arrivo di un segmento mancante che riempie un buco → ACK senza aspettare il timer.
5. Arrivo di un segmento duplicato → ACK senza aspettare il timer.

Ritrasmissione di segmenti da parte del server:

• Scade il timer del segmento più vecchio (il primo segmento all’inizio della finestra di invio) → si ritrasmette il pacchetto e viene riattivato il timer.
• 3 ack duplicati (4 totali uguali) → il client fa la “ritrasmissione veloce” solo del segmento più vecchio, cioè non attente il timeout. Questo è un approccio ibrido tra Go back N e Selective repeat.

Controllo di flusso

Se la velocità di produzione dei pacchetti da inviare è maggiore della velocità con cui la coda di invio (consumatore) si svuota, il consumatore ne potrebbe eliminare alcuni.

Se invece la velocità di produzione è minore della velocità di consumo, il consumatore deve stare in attesa, riducendo l’efficienza del sistema.

Il primo problema non è grave, ma il primo sì ed è quello di cui si occupa il controllo di flusso.

Bisogna fare il controllo di flusso su due connessioni:

• processo applicazione (produttore) e livello di trasporto dell’host mittente (consumatore),
• livello di trasporto dell’host mittente (produttore) e livello di trasporto dell’host ricevente (consumatore).

In ognuno di questi due casi si risolve con un buffer di pacchetti.

• In ogni segmento inviato, il destinatario comunica al mittente la dimensione della receive window (RWND) nell’header TCP: di conseguenza la finestra di invio del mittente diventa grande tanto quanto la receive window. L’apertura, chiusura e riduzione della finestra di invio del mittente sono controllate dal destinatario.

Affidabilità

È data da:

• il controllo della checksum,
• gli ack cumulativi + il timer di ritrasmissione (RTO) associato al pacchetto più vecchio.
• Ritrasmissione del segmento all’inizio della coda di spedizione.

Controllo della congestione

Sintomi:

• pacchetti smarriti per l’overflow dei buffer nei router,
• ritardi (accodamento nei buffer dei router).

Il suo controllo consiste nel mantenere il carico della rete sotto la capacità della stessa.

I due approcci per controllare la connessione sono:

• Il controllo end-to-end usato da TCP, dove la connessione è dedotta dalle perdite e i ritardi nei sistemi terminali.
• Il controllo assistito dalla rete, dove i router danno un feedback ai sistemi terminali.

Come il mittente limita la frequenza di invio

Con la variabile CWND (congestion window) memorizzata dal mittente.

Dimensione della finestra di invio del mittente = min(RWND, CWND)

Come il mittente rileva e reagisce alla congestione

L’idea è di incrementare il rate di trasmissione se non c’è congestione (gli ack arrivano correttamente) e diminuire se c’è congestione (segmenti persi).

1. Si inizializza CWND a 1 segmento;
2. Inizia lo slow start:
   1. A ogni ACK segue CWND = CWND + 1 (raddoppio esponenziale);
   2. Se si perde un pacchetto: sstresh = CWND/2;
   3. Se si raggiunge la soglia sstresh (Slow Start Threshold, inizializzata a 16), si ferma lo slow start e si inizia il congestion avoidance;
3. Inizia il congestion avoidance:
   1. CWND incrementa di uno a ogni istante;
   2. Al timeout si imposta:
      1. sstresh = CWND/2;
      2. CWND = 1;
   3. A 3 ack duplicati:
      1. Se il TCP è TCP Tahoe:
         1. sstresh = CWND/2;
         2. CWND = 1;
      2. Se il TCP è TCP Reno:
         1. sstresh = CWND/2;
         2. CWND = CWND/2 + 3 e si inizia il fast recovery (crescita esponenziale come in slow start) fino a che non si riceve un ack per un nuovo segmento. In quel caso si imposta CWND = sstresh e si ricomincia il congestion avoidance;

Formula usata per regolare il timeout

“Media mobile esponenziale ponderata”: l’influenza delle misure passate decresce esponenzialmente.

EstimatedRTT è un margine di sicurezza: più varia più si ha sicurezza.

$${\text{EstimatedRTT}}_0=\text{primo RTT misurato}$$ $${\text{EstimatedRTT}}_{t+1}=(1-\alpha )\cdot {\text{EstimatedRTT}}_t+\alpha \cdot {\text{SampleRTT}}_{t+1},\alpha =0.125$$ $${\text{DevRTT}}_0=0$$ $${\text{DevRTT}}_{t+1}=(1-\beta )\cdot {\text{DevRTT}}_t+\beta \cdot |{\text{SampleRTT}}_t-{\text{EstimatedRTT}}_t|,\beta =0.25$$ $${\text{TimeoutInterval}}_t={\text{EstimatedRTT}}_t+4\cdot {\text{DevRTT}}_t$$