1 of 50

Livello Trasporto

TCP, UDP, ICMP

Transport Layer

3-1

2 of 50

Dove siamo

application

transport

network

data link

physical

application

transport

network

data link

physical

application

transport

network

data link

physical

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Il livello di trasporto

  • Strato di interfaccia con il livello rete
  • Livello rete: un canale di comunicazione molto particolare
  • Inaffidabile
    • I pacchetti possono «morire», principalmente per tre possibili motivi:
      • Congestione della rete, congestione della destinazione, corruzione dei pacchetti
  • Ciò che parte non arriva sempre nello stesso ordine

​

Transport Layer

3-3

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Principali funzioni offerte dal liv. Rete verso il liv. trasporto

Transport Layer

3-4

Send(ip1,ip2,data[])

Data[] Receive()

Connect(), Disconnect()

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UDP

UDP Risolve solo i problemi di corruzione dei pacchetti, e vi da la possibilità di differenziare il traffico per numero di porta (multiplexing/demultiplexing).

DNS usa UDP.

Transport Layer

3-5

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Come funziona il demultiplexing

Transport Layer: 3-6

  • Un host H riceve datagrammi IP
    • Ogni datagramma trasporta un pacchetto di livello 4
    • In questo pacchetto sono menzionati porta sorgente e destinazione
  • H usa gli indirizzi IP e i numeri di porta per distribuire I pacchetti L4 nel socket giusto
  • In UDP il demultiplexing della sorgente va fatto programmando il codice applicativo

source port #

dest port #

32 bits

application

data

(payload)

other header fields

TCP/UDP segment format

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UDP checksum

Transport Layer

3-7

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Checksum

  • Consente di rilevare eventuali corruzioni «spontanee» dei dati trasmessi
  • Assolutamente inutile in caso di manomissioni volontarie

Transport Layer

3-8

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  • Le checksum consentono di rilevare corruzioni accidentali, ma non manomissioni volontarie. Per quello esistono i MIC/MAC (Message Integrity Codes/Message Authentication Codes, da non confondere con i MAC address)

Transport Layer

3-9

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  • Esempio concreto di hop in posizione MiTM (router domestico)

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Come è connesso TCP/UDP/ICMP allo strato applicazione

  • Sullo strato applicazione ci sono funzioni di libreria per aprire, chiudere, scrivere e leggere da socket
  • Sul livello trasporto c’è una libreria del sistema operativo (detta STACK TCP/IP) che si occupa di sbucciare e smistare i messaggi in base ai numeri di porta e al protocollo utilizzato.

Transport Layer

3-11

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Comunicazione TCP: Passo 1

  • Due interlocutori, messi in comunicazione con un canale inaffidabile (i pacchetti possono sparire o arrivare corrotti, o addirittura in ritardo)

​

Transport Layer

3-12

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  • Diagramma a cinque colonne

Transport Layer

3-13

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Implementazione. Stop & Wait

  • Obiettivo: implementare un canale affidabile e sequenziale su un canale non affidabile
  • Prima soluzione: protocollo stop & wait
    • Conferma di ogni pacchetto
    • La mancata conferma viene rilevata tramite time-out
    • Numeri di sequenza
    • Inefficiente

​

Transport Layer

3-14

15 of 50

Stop & Wait in azione

Transport Layer

3-15

http://www.cs.stir.ac.uk/~kjt/software/comms/jasper.html

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Altri scenari

Transport Layer

3-16

N.B. Problema del pacchetto vagabondo

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Problema del pacchetto vagabondo

  • Si verifica se un certo pacchetto numerato DATA(x) oppure un ACK(x) viene consegnato in grave ritardo e proprio nel momento in cui il round stop & wait è di nuovo x.

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Performance di stop & wait

  • Brutte notizie:
  • esempio: Banda 1 Gbps, 30 ms RTT, pacchetti da 1KB (L):

​

Transport Layer

3-18

T

trasmiss

=

8kb/pkt

10**9 b/sec

= 8 microsec

    • U : % utilizzo – frazione di tempo in cui viene utilizzata la connessione

L (in bit)

B

=

    • 1KB ogni 30 msec -> 33kB/sec effettivi contro 1 Gbps potenziali!
    • Il protocollo limita l’uso delle risorse a disposizione

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Da dove deriva la formula (demo)

Transport Layer

3-19

Trasmissione del primo bit, t = 0

sender

receiver

RTT

Trasmissione dell’ultimo bit, t = L / B

Il primo bit arriva

L’ultimo pacchetto arriva,

Invio ACK (assumiamo sia

di dim trascurabile)

ACK arriva, parte il prossimo pacchetto al tempo t = RTT + L / B

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Comunicazione TCP: passo 2

  • Protocolli a finestra scorrevole
  • Go Back N, Selective Repeat
  • Finestra dinamica
  • Esempio tratto dal libro di testo:

​

Transport Layer

3-20

21 of 50

Protocolli pipeline (a finestra scorrevole)

Pipelining: ci possono essere più pacchetti “in volo”, ancora da essere confermati

    • Più complesso
    • Gestione dei buffer sofisticata
  • Due forme di protocolli sliding window: go-Back-N, selective repeat

Transport Layer

3-21

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Pipelining: %utilizzo migliore

Transport Layer

3-22

Trasmissione primo bit, t = 0

sender

receiver

RTT

Trasmissione ultimo bit, t = L / R

Arriva il primo bit, primo pacchetto

Ultimo bit arriva, mando ACK(1)

Arriva ACK(1) mando il pacchetto successivo

t = RTT + L / R

Ultimo bit 2do pacchetto arriva, ACK(2)

Ultimo bit 3° pacchetto arriva, mando ACK(3)

Utilizzo

triplicato

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Go-Back-N (demo)

Sender:

  • Numeri di sequenza a k bit
  • “finistra” di N pacchetti, pacchetti non confermati possibili

​

​

Transport Layer

3-23

  • ACK(n): “il prossimo pacchetto che aspetto è il numero n”
    • Possono arrivare ACK duplicati
  • C’è un timer per ogni pacchetto “in volo”
  • timeout(n): ritrasmette il pacchetto n e anche tutti I successivi (anche se magari erano arrivati correttamente)

​

​

24 of 50

GBN in�azione

Transport Layer

3-24

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Ripetizione selettiva (demo)

  • I pacchetti corretti sono confermati INDIVIDUALMENTE
    • I pacchetti sono conservati in attesa che possano essere rilasciati in ordine
  • Il mittente rimanda solo I pacchetti non confermati
    • C’è un timer per ogni pacchetto “in volo”
  • Finestra del mittente
    • Range di numeri attivi

​

  • Net-SEAL animations

Transport Layer

3-25

26 of 50

Finestre di ricezione e invio

Transport Layer

3-26

27 of 50

Ripetizione selettiva

Ci sono dati nel buffer:

  • Mandali se ci sono slot

Timeout(n):

  • Rimanda il pacchetto n

ACK(n) in [sendbase,sendbase+N]:

  • marca n come OK
  • Nel caso sposta la finestra in avanti di 1

​

Transport Layer

3-27

sender

pkt n in [rcvbase, rcvbase+N-1]

  • manda ACK(n)
  • Fuori ordine? Conserva
  • In ordine: consegna e sposta la finestra in avanti

pkt n in [rcvbase-N,rcvbase-1]

  • ACK(n) (duplicato che non sembra confermato)

altrimenti:

  • ignora

​

receiver

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Selective repeat in azione

Transport Layer

3-28

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Problemi

Esempio:

  • Numeri di seq: 0, 1, 2, 3
  • Taglia finestra=3

​

  • I due scenari non sono distinguibili!
  • Il duplicato viene passato allo strato trasporto

​

P: Bisogna riconoscere e scartare I duplicati

Transport Layer

3-29

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TCP segment structure

Transport Layer

3-30

source port #

dest port #

32 bits

application

data

(variable length)

sequence number

acknowledgement number

Receive window

Urg data pnter

checksum

F

S

R

P

A

U

head

len

not

used

Options (variable length)

URG: Dati urgenti

(non molto usato)

ACK: Questo�segmento trasporta�un ACK

PSH: dati ad�alta priorità

RST, SYN, FIN:

Gestione�Connessione

Numero

di byte

che si è

disposti

ad accettare

al massimo

valori

espressi in byte

(non in numero

di segmento)

Checksum

(come in UDP)

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Numeri di Sequenza e di ACK

N. seq:

    • Offset del primo byte nei dati

ACK:

    • Numero del prossimo byte da ricevere
    • ACK cumulativo

L’implementatore può decidere se conservare I segmenti fuori ordine o scartarli

​

Differenze pratiche: numerazione in byte, pacchetto di dim. variabile, piggybacking

Transport Layer

3-31

Host A

Host B

Seq=42, ACK=79, data = ‘Ciao’

Seq=79, ACK=46, data = ‘Ehi’

Seq=46, ACK=82

L’utente

Scrive

“ciao”

Ricevuta

Di ritorno per

‘Ehi’

B risponde

con

‘Ehi’, e fa

ACK fino a 46

tempo

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Situazioni di ritrasmissione

Transport Layer

3-32

Host A

Seq=100, 20 bytes data

ACK=100

time

Time out prematuro

Host B

Seq=92, 8 bytes data

ACK=120

Seq=92, 8 bytes data

Seq=92 timeout

ACK=120

Host A

Seq=92, 8 bytes data

ACK=100

loss

timeout

ACK disperso

Host B

X

Seq=92, 8 bytes data

ACK=100

time

Seq=92 timeout

SendBase

= 100

SendBase

= 120

SendBase

= 120

Sendbase

= 100

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ACK cumulativo

Transport Layer

3-33

Host A

Seq=92, 8 bytes data

ACK=100

loss

timeout

ACK cumulativo

Host B

X

Seq=100, 20 bytes data

ACK=120

time

SendBase

= 120

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TCP Connection Management

TCP necessità di aprire una connessione prima di trasmettere

  • Bisogna inizializzare le variabili:
    • Numeri di sequenza
    • Allocare I buffer di invio e ricezione
  • client: colui che apre la connessione

Socket clientSocket = new Socket("hostname","port number");

  • server: colui che è contattato

Socket connectionSocket = welcomeSocket.accept();

Handshake a tre vie:

Step 1: Il client manda un TCP SYN al server

    • Indica il suo numero di seq. iniziale
    • no dati

Step 2: Il server riceve la richiesta, replica con un pacchetto SYN/ACK

    • Specifica il suo numero di partenza
    • Alloca I suoi buffer (per sfortuna)

Step 3: Il client riceve SYN/ACK, risponde con un ACK, che può contenere dati

Transport Layer

3-34

35 of 50

Transport Layer

3-35

36 of 50

TCP Connection Management (cont.)

Chiusura di una connessione:

Il client chiude il socket: clientSocket.close();

Step 1: il client manda TCP FIN per dire che vuole chiudere

Step 2: il server riceve FIN, risponde con ACK. Chiude la connessione, e manda FIN a sua volta

Transport Layer

3-36

client

FIN

server

ACK

ACK

FIN

close

close

closed

timed wait

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TCP Connection Management (cont.)

Step 3: il client riceve FIN, risponde con ACK.

    • Si mette in “timed wait” – in questo periodo risponde con ACK a ogni FIN duplicato in arrivo

Step 4: il server riceve ACK. Fine della conversazione.

Nota: ci sono piccoli accorgimenti per gestire la chiusura contemporanea.

Transport Layer

3-37

client

FIN

server

ACK

ACK

FIN

closing

closing

closed

timed wait

closed

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Diagramma a stati per un client che apre, usa e infine decide di chiudere una connessione

Transport Layer

3-38

Parte dell’automa tipica di chi chiude

Per primo la connessione �(potrebbe essere anche il �server a cominciare la chiusura)

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Transport Layer

3-39

Diagramma a stati per un server che riceve una richiesta di connessione, usa e infine riceve una richiesta di chiusura di una connessione

Parte dell’automa tipica di chi chiude

per secondo la connessione �(potrebbe essere anche il �client)

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Come in TCP si decide il tempo di time-out

D: come impostare questo valore?

  • deve essere più grande di RTT, ma non troppo
    • ma RTT varia
  • troppo corto: troppi falsi time-out
    • inutili ritrasmissioni
  • troppo lungo: reazione lenta alla perdita di un segmento

D: Come stimare RTT?

  • SampleRTT: tempo misurato di volta in volta tra una trasmissione e la ricezione dell’ACK corrispondente
    • Calcolato senza considerare casi di ritrasmissione
  • SampleRTT è molto variabile
    • è preferibile farne una media, senza usare solo il SampleRTT corrente.

Transport Layer

3-40

41 of 50

Come TCP decide il tempo di time-out (2)

Transport Layer

3-41

EstimatedRTT = (1 - α)*EstimatedRTT + α*SampleRTT

  • I vecchi campioni pesano esponenzialmente di meno, tanto più sono lontani nel tempo
  • Valore tipico: α = 0.125

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Esempio di stima RTT:

Transport Layer

3-42

43 of 50

Come in TCP si decide il tempo di time-out (3)

Impostare il timeout:

  • EstimatedRTT più un certo margine
    • EstimatedRTT molto fluttuante -> maggiore margine
  • Si stima la deviazione media tra SampleRTT e EstimatedRTT:

Transport Layer

3-43

TimeoutInterval = EstimatedRTT + 4*DevRTT

DevRTT = (1-β)*DevRTT +

β*|SampleRTT-EstimatedRTT|

​

(tipicamente, β = 0.25)

Quindi si calcola il time-out con la formula:

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Controllo di flusso (demo)

  • Ogni ricevitore ha un buffer di ricezione:

Transport Layer

3-44

  • Lo svuotamento può essere più lento del flusso di arrivo

Il mittente si ‘controlla’ per non affogare il destinatario

flow control

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Come funziona il controllo di flusso

(Per comodità supponiamo i segmenti fuori ordine non vengano conservati)

  • Spazio libero nel buffer

= RcvWindow

= RcvBuffer-[LastByteRcvd - LastByteRead]

  • Il ricevitore comunica lo spazio libero usando il campo RcvWindow
  • Il mittente non eccede mai il numero di byte ‘in volo’ rispetto al valore di RcvWindow
    • Il buffer di ricezione non andrà mai in overflow

Transport Layer

3-45

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Controllo di congestione (demo-1, demo-2)

Transport Layer

3-46

  • Non solo il ricevente fa da collo di bottiglia
    • Infrastruttura di rete potenzialmente congestionata
  • Idea: Aumentare la taglia della finestra progressivamente (mai oltre RcvWindow), finchè non scade un timeout
    • incremento additivo: aumenta CongWin di 1 MSS a ogni trasmissione finchè non scade un timeout
    • decremento moltiplicativo: dividi CongWin per due dopo una perdita

​

time

Andamento

a dente di sega

​

MSS = Maximum Segment Size

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Avvio ad accelerazione esponenziale

Transport Layer

3-47

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Controllo di congestione

  • Il controllo di congestione prevede la cooperazione tra tutti gli endpoint
  • Se io posso rallentare, e tu puoi rallentare, tutto il mondo può rallentare

​

​

Transport Layer

3-48

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Esempio di strategia di controllo di congestione

  • Quando CongWin è sotto Threshold, allora il mittente è in slow-start mode; raddoppio continuo di CongWin.
  • Quando CongWin è sopra Threshold, allora il mittente è in congestion-avoidance mode; CongWin cresce linearmente
  • Quando un arriva un triple duplicate ACK, allora Threshold := CongWin/2 e CongWin := Threshold (Implementazione Reno).
  • Quando scade un timeout, Threshold := CongWin/2 e CongWin := 1 MSS.

Transport Layer

3-49

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Problemi del controllo di congestione classico

  • Ogni evento di perdita viene interpretato come un problema di congestione
  • Pessima performance su link con packet loss da disturbo (es. WiFi)

​

  • Nuove soluzioni: TCP BBR (from Google)
    • BBR = Bottleneck Bandwidth and Round-trip propagation time