Tema 1bis. TCP y UDP (aka Tema 5. TCP y UDP)

Transcripción

1 Tema 1bis. TCP y UDP (aka Tema 5. TCP y UDP) Ingeniería de protocolos Curso 2012/13 Jaime Benjumea Mondéjar Dpto. Tecnología Electrónica (Univ. de Sevilla)

2 Indice Protocolos de nivel de transporte. Servicios TCP. Cabecera TCP. Máquina de estados Inicio de conexión. Modo ESTABLISHED: Transferencia de información. Control de flujo. Resolución de problemas. Cierre de conexión. Opciones TCP. Protocolo UDP

3 Protocolos de nivel de transporte en Internet Aplicación TCP / UDP Aplicación TCP / UDP Los protocolos de nivel de transporte son los primeros considerados extremo a extremo, no existen nodos intermediarios entre origen y destino. IP Acceso al medio físico IP Acceso al medio físico IP Acceso al medio físico Requieren un protocolo de nivel de red que haga llegar la información al otro extremo (sin éste no saben hacer nada). El nivel de transporte, no está implementado en los nodos intermedios (routers), excepto cuando éstos actúan como nodos finales (cuando los configuramos via telnet, cuando intercambian información, cuando generan alarmas SNMP, etc.). Ofrecen conectividad a las aplicaciones, a través de sus servicios cuyo centro es el concepto de puerto (que identifica un servicio dentro de una misma máquina). TCP (RFC793), ofrece un servicio orientado a la conexión. UDP (RFC768), ofrece un servicio NO orientado a la conexión. Existen aplicaciones que normalmente usan TCP: FTP, HTTP, SMTP y otras que normalmente usan UDP: SNMP, DNS(*), TFTP. (*) También usa TCP dependiendo del tipo de respuesta.

4 TCP. Servicios Puerto: Al igual que una dirección IP distingue una máquina de otra, un puerto distingue un servicio (aplicación) de otro en una misma máquina. Socket: El par formado por IP+Puerto, identifica un lado de la conexión. Cada ordenador tiene varios, cada conexión se identifica por dos sockets. SSH SMTP HTTP POP3 Puertos Socket Aplicaciones Para las aplicaciones más conocidas, se suele usar siempre el mismo puerto Servicios Transferencia de datos: Será Full-duplex, TCP es libre de retrasar el envío de un segmento (unidad de transmisión), esperando más datos, pero se debe ofrecer la posibilidad de forzar el enviarlo (PUSH). Fiabilidad: TCP ofrece un servicio sin pérdidas, duplicidades ni desórdenes. Para ello se utilizan números de secuencia, ACK y retransmisiones. Control de flujo: TCP ofrece un mecanismo para controlar la cantidad de información que se pone en la red por unidad de tiempo. Para ello, con cada ACK, se indica la ventana máxima que estamos dispuestos a aceptar. Multiplexación: TCP soporta múltiples conexiones sobre un mismo socket. Orientado a la conexión: Se establece un mecanismo para iniciar la conexión, antes de enviar datos, y para terminarla.

5 Cabecera TCP Fuente: W. Stallings, Data and Computer Comunications, 7ed. (Developed by Adrian J Pullin ) TCP viaja sobre datagramas IP, Protocol=6. La longitud mínima de la cabecera TCP es 20bytes. Source & Destination Port (16 bits): Indican el puerto origen y destino del segmento, estos datos junto con las direcciones IP determinan la conexión concreta. Seq. Number (32 bits) : Es el número de secuencia del primer octeto de datos del segmento, OJO: Cuenta bytes y no segmentos. ACK (32 bits): Indica el número de secuencia esperado del otro extremo (confirma, por tanto, todos los anteriores). Nótese que tal y como aparece este número (esto es, en todos los segmentos), en TCP se permite piggybacking. Data offset (4 bits): Indica la longitud (en palabras de 32-bits) de la cabecera TCP. Indica dónde comienzan los datos. Reserved (6 bits): Reservado para usos futuros. Flags (6 bits): Se refieren a URG: El campo Urgente pointer es válido, ACK: El campo ACK es válido, PSH: Se refiere a la función PUSH. RST: Sirve para resetear una conexión (por ejemplo si ya no es válida). SYN: Se usa para indicar el comienzo de una conexión. FIN: Indica que se quiere finalizar la conexión en curso. Window: Número máximo de octetos, comenzando por el indicado en el ACK, que estamos dispuestos a aceptar. Permite hace control de flujo independientemente de la recepción de un ACK (cosa que ocurría en los protocolos de v. deslizante). Checksum: Es un código de verificación tanto de la cabecera como de los datos, se incluye en el código de verficacación una pseudocabecera que contiene la dirección IP fuente, IP destino, tipo de protocolo (6) y Longitud total (todo TCP). Urgent Pointer: Indica el offset que apunta al último byte de datos urgentes. Options: Indican una serie de opciones adicionales (que veremos posteriormente).

6 TCP 1509 TCP 1309 Conexión 1 Máquina de estados TCP Una conexión TCP puede estar: estableciéndose, establecida, cerrándose o cerrada. Una conexión se puede establecer de dos formas distintas: Activa y pasiva. Apertura pasiva (servidor) Servidor Web Apertura pasiva en puerto 80/tcp (no se envían datos) Solicita conexión a <IPdest>, puerto 80/tcp Apertura activa (cliente) Navegador Web TCP 80 El puerto 80/tcp permanece LISTENING, esperando conexiones remotas y asociado a su aplicación. TCP elige (de forma dinámica), un puerto anónimo que no esté en uso. TCP 1309 Este será el puerto que se use en esta parte de la comunicación Diagrama ilustrativo Apertura pasiva Servidor WEB IP1 Las conexiones las inicia el cliente, usando un puerto anónimo (>1024), hacia un puerto remoto. En este ejemplo hay 3 sockets. dos conexiones al mismo puerto a Multiplexación IP2 TCP 80 Y 2 conexiones (IP2:1309,IP1:80 y IP3:1509,IP1:80) IP3 Fuente:TCP/IP Illustrated, Volume 1 By W. Richard Stevens Puertos anónimos: Son los que el SO escoge al hacer una apertura activa, son aleatorios y, no privilegiados (son privilegiados del ). Apertura activa Conexión 2

7 NOTA: Se ha usado Tethereal para obtener estas secuencias. Cliente SMTP (tatooine) IP origen Inicio de conexión TCP IP destino Puerto destino, lo abre el servidor, lo define la aplicación en el servidor No tiene sentido pues, el otro extremo todavía no ha enviado nada, el flag ACK es cero. Servidor SMTP (titan) I CLOSEDaSYN_SENT tatooine -> titan.imse.cnm.es TCP 1229 > smtp [SYN] Seq= Ack=0 Win=16320 Len=0 Puerto origen (lado tatooine), lo escoge el Sistema Operativo Bandera SYN activa, Solicitud de conexión Numero de secuencia inicial (sentido tatooine->titan), LISTEN Estado LISTEN SYN_SENT Significado Indica que se ha efectuado una apertura pasiva, el puerto 25 de titan está así inicialmente. Indica que hemos (tatooine) lanzado una solicitud de conexión y estamos a la espera de una respuesta (de titan). SYN sigue activo, la conexión no está iniciada aún El ACK está activo Confirmo que he recibido el SYN (I), espero (de tatooine) que el siguiente octeto sea este II SYN_SENT titan.imse.cnm.es -> tatooine TCP smtp > 1229 [SYN, ACK] Seq= Ack= Win=24648 Len=0 Al ser un segmento de vuelta, se intercambian puerto origen-destino. Numero de secuencia inicial (sentido tintan->tatooine). LISTENaSYN_RCV Estado SYN_RCV Significado Indica que espera (titan) la confirmación final después de haber recibido y enviado solicitudes de conexión. III SYN_SENTaESTABLISHED tatooine -> titan.imse.cnm.es TCP 1229 > smtp [ACK] Seq= Ack= Win=16320 Len=0 En este caso el segmento SYN (I), ha contado como un octeto, por eso se añade uno más. Este ACK, confirma que se recibió el SYN (II). Ninguno de estos tres segmentos lleva datos Pasa a EST. cuando llegue el ACK SYN_RCV Estado ESTABLISHED Indica que la conexión está activa. Significado

8 Transferencia de datos Si finalmente llega el último ACK, tendremos a tatooine (izquierda) y a titan (derecha) en el estado ESTABLISHED y, por tanto, dispuestos a transferir información. tatooine Números de secuencia tras el establecimiento de conexión titan Tatooine no tiene ahora datos que enviar, así que simplemente confirma la recepción del segmento anterior, el ACK es la suma de la longitud más el número de segemento que titan puso en su anterior segmento. Ahora tengo datos, los envío, podemos observar que seq y ack son iguales que antes (no hemos recibido ni enviado nada desde el segmento anterior). Eso es un solo ACK (len=0), no se confirma smtp > 1229 [PSH, ACK] Seq= Ack= Win=24648 Len= > smtp [PSH, ACK] Seq= Ack= Win=16320 Len=15 Se envía el primer dato, de 92 bytes. El flag PUSH indica que tatooine debe entregar los datos al nivel de aplicación inmediatamente > smtp [ACK] Seq= Ack= Win=16228 Len=0 Eso es un solo ACK (len=0), no se confirma smtp > a 1229 [ACK] Seq= Ack= Win=24648 Len=0 Esto si tenía datos así que confirmo la recepción, pero sin enviar datos adicionales. smtp > b 1229 [PSH, ACK] Seq= Ack= Win=24648 Len=247 Envío nuevos datos (247 bytes) Se confirma la recepción 1229 > smtp [ACK] Seq= Ack= Win=16320 Len=0 Eso es un solo ACK (len=0), no se confirma Piggybacking Consiste en retener un poco un ACK y enviarlo con un segmento que tiene datos. Por ejemplo a y b. Si retraso la salida del ACK (a), puedo emitir un único segmento que transmita los datos y haga de ACK. smtp > 1229 [PSH, ACK] Seq= Ack= Win=24648 Len=247 (De hecho es idéntico a b, b por si sólo también hubiera hecho las funciones de a ) Retrasar un Ack un poco mejora el uso de la red. Pero retrasarlo mucho, provocaría retransmisiones inútiles

9 Problema de control de flujo con ventana deslizante tradicional Transmisor Receptor Buffer saturado: No envío ACK. Control de flujo TCP TCP permite cambiar la ventana del transmisor de forma dinámica. El tamaño de la ventana lo anuncia el receptor en los segmentos que él mismo envía. El transmisor sabe que no puede superar esa ventana (excepto URG). Comienzan las Retransmisiones (innecesario) Ack= Win=16228 Len=0 El que transmite esto, indica lo máximo que puede recibir son Win bytes contados desde el ack. Ejemplo de control de flujo (ventana en titan): (NOTA: Partimos de la trama III de la transparencia en la que se describe el inicio de conexión) Ack= Win=16320 Len=0 Con ese segmento autorizo el envío de bytes, desde el lugar indicado. (datos enviados y confirmados) En ese instante, titan enviaba datos (transparencia de transferencia de datos) Ack= Win=24648 Len=92 Se envían 92 bytes de datos de aplicación. (datos enviados y NO confirmados) (ventana de transmisión) (no los puedo usar todavía) La ventana de transmisión se acorta por la izquierda al enviar datos Tatooine, confirma la recepción, pero no aumenta la ventana Ack= Win=16228 Len=0 Win ahora 92 bytes menos que el original, El control de flujo, impide mover el lado derecho a la derecha a pesar de recibir ack Tatooine, más tarde, envía datos y de paso aumenta la ventana. Ack= Win=16320 Len=15 Ahora Win tiene el valor original Ahora el lado derecho de la ventana puede desplazarse

10 Comportamiento ante problemas (I) TCP usa un esquema de corrección de errores similar al de ventana deslizante (vuelta atrás-n, retransmisión por timeout). Pero hay errores en los que es necesario abortar la conexión (flag RST), en los casos en los que claramente la conexión ya no es recuperable (caída de un extremo, cierre de la aplicación, etc). Situación 1. Puerto destino cerrado (CLOSED): Enviar RST al origen 1.1: Se intenta iniciar una conexión a un puerto destino en titan que está cerrado. La respuesta es un RST con numero de ACK uno más que el del SYN que provoca el error > 2525 [SYN] Seq= Ack=0 Win=16384 Len= > 1660 [RST, ACK] Seq=0 Ack= Win=0 Len=0 2525/tcp CLOSED Es caso típico es si nos queremos conectar a un servicio (puerto) que no existe en el destino, como mecanismo para avisarnos y no tener que esperar un timeout. 1.2: Un extremo cae, tenemos un extremo de la conexión abierto y el otro cerrado por la caída (half-open connection), se envía un RST, con el valor de Seq al indicado en el ACK el error. 1 ESTABLISHED ssh >1665 [PSH, ACK] Seq= Ack= Win=16060 Len=112 Este extremo (tatooine, cliente SSH) cae sin previo aviso CRASH 2 Titan todavía cree que la conexión está activa (retransmite por timeout) Ese puerto (1665) está cerrado en tatooine ssh > 1665 [PSH, ACK] Seq= Ack= Win=16060 Len=112 CLOSED ESTABLISHED Se aborta la conexión existente en titan 1665 > ssh [RST] Seq= Ack= Win=0 Len=0 Se genera RST Este es el caso típico de caída de cualquiera de los extremos (cliente o servidor) como mecanismo para avisar al que no ha caído de que la conexión ya no es válida.

11 Comportamiento ante problemas (y II) Situación 2. Puerto destino en estado no sincronizado ( LISTEN, SYN- SENT y SYN-RECEIVED). Se recibe un ACK inaceptable Enviar RST, NO modificar estado local Situación 3. Resto de estados. Si se recibe un segmento con numero de seq o ack no válidos, enviar un ack (vacío) con los números de seq y ack correctos > smtp [ACK] Seq=123 Ack=420 Win=512 Len=0 LISTEN Puede tratarse de un segmento que se ha perdido y llega ahora 1093 > ssh [ACK] Seq=420 Ack=420 Win=512 Len=0 ESTABLISHED ESTABLISHED Se aborta la conexión existente en tatooine smtp > 1234 [RST] Seq=420 Ack=420 Win=0 Len=0 Se genera RST ESTABLISHED ssh > 1093 [ACK] Seq= Ack= Win=16480 Len=0 Se genera ACK La situación es similar a la anterior, pero en este caso en titan se ha vuelto a arrancar el servicio smtp No es usa RST, dado que puede tratarse de segmentos duplicados, retrasados, etc. Recepción de RST Si el estado es SYN-SENT 2525 > 1660 [RST, ACK] Seq=0 Ack= Win=0 Len=0 Se valida que el ACK confirma el SYN anterior Siguiente estado CLOSED Si originalmente estaba LISTEN a LISTEN. Resto de los estados ssh > 1665 [RST] Seq= Ack= Win=0 Len=0 Se valida que el número de secuencia es el válido para esta conexión. Siguiente estado Si estaba en SYN-RCV (pero antes estaba en LISTEN) a LISTEN Resto: CLOSED

12 Recibo Envío Recibo Envío Envío Recibo Cierre de conexión Una conexión TCP puede cerrarse por parte de cualquier extremo. La conexión es FDX, así que aunque un extremo cierre, el otro puede enviarnos todavía datos antes de cerrar él. El usuario cierra la aplicación Se informa al otro lado: Yo no enviaré más datos El otro lado todavía puede enviar datos El otro lado, cierra: Yo no tengo más que decir Cierre de conexión visto desde el lado que inicia el cierre T=1) Desde (p. ej.) ESTABLISHED, se solicita (app) el cierre, se envía un segmento FIN indicando yo no tengo más datos y se pasa a FIN_WAIT1: smtp > 1229 [FIN, ACK] Seq= Ack= Win=24648 Len=0 T=3) El otro lado me confirma la recepción del FIN, paso a esperar a que él cierre su parte de la conexión (FIN_WAIT2): 1229 > smtp [ACK] Seq= Ack= Win=16320 Len=0 T=5) El otro lado cierra su parte de la conexión, confirmo la recepción y paso a TIME_WAIT. Envío Recibo 1229 > smtp [FIN, ACK] Seq= Ack= Win=16320 Len=0 smtp > 1229 [ACK] Seq= Ack= Win=24648 Len=0 Cierre de conexión visto desde el lado que recibe el cierre T=2) Se recibe la petición de cierre del otro extremo, se confirma con ACK (FIN=1byte) se pasa a CLOSE_WAIT smtp > 1229 [FIN, ACK] Seq= Ack= Win=24648 Len= > smtp [ACK] Seq= Ack= Win=16320 Len=0 T=4) Mientras estábamos en el estado anterior, la aplicación podía seguir enviando datos. Cuando la app. ordena el cierre de su parte, enviamos FIN y pasamos a LAST_ACK > smtp [FIN, ACK] Seq= Ack= Win=16320 Len=0 T=6) Al recibir el ACK del FIN, pasamos al estado CLOSED smtp > 1229 [ACK] Seq= Ack= Win=24648 Len=0 Permanece en TIME_WAIT hasta asegurarse de que el ACK enviado ha llegado al otro extremo, se considera válida una espera de 2 veces Maximun Segment Lifetime Si T=6 no se produce, después de un t/o se aborta la conexión (se pasa a CLOSED) informando a la aplicación de este hecho.

13 Opciones TCP PROBLEMA: La fragmentación representa un problema de rendimiento. MSS (Maximun Segment Size) OPTION: Indica el tamaño máximo del segmento (es como una MTU respecto a la aplicación). Se suele tomar como MTU-40. Por defecto 536. Pertenece a la especificación original [SYN], xxx, MSS= Ethernet 2 [SYN,ACK], xxx, MSS=1460 Sólo se ve en segmentos SYN, obliga al que lo recibe a enviar como máximo ese temaño. Evita la fragmentación PROBLEMA: En comunicación por satélite, el tamaño de ventana máximo (2 16 ) es muy pequeño para tanta latencia (RTT=500ms). WinMAX RTT 131Kbytes / s Velocidad Máxima posible SOLUCIÓN: Usar ventanas mayores. WINDOW SCALE OPTION (RFC1323): Especifica que la ventana original tiene un shift left indicado por un campo de un byte. NOTA: Máximo valor 14. PROBLEMA: Medir correctamente el RTT es crítico para establecer los temporizadores. Dato1, Tsopt = (12, 50) ACK (Dato1), Tsopt = (52, 12) TIMESTAMP OPTION (RFC1323): Indica (dos palabras de 32-bits), dos temporizadores; el primero es el de ese segmento; el segundo es un eco del segmento anterior del otro lado. Por ejemplo: 12 es el eco. PROBLEMA: El tiempo de reutilización de números de secuencia es 2 32 bytes = 4GBytes. En los años 80 era suficiente. En redes a 10Gbps, 1,25GBytes/s, el tiempo de reutilización es: 3,2 seg SOLUCIÓN: Usar la opción Timestamp PAWS (Protecion Against Wrapped Sequence Numbers) (RFC1323): Utiliza la opción timestamp para detectar segmentos antiguos. PROBLEMA: El sistema de vuelta atrás-n definido en TCP es ineficiente para redes con alto índice de errores y latencia elevada (con ventanas grandes). Se tiene que transmitir B y C La ventana permite transmitir A-B-C, sólo B se pierde. C C B B A ACK (B) El siguiente que espera es B (incluso si C llegó bien) SACK (Selective ACK) OPTION (RFC2018): Se permite indicar un rango de números de secuencia recibidos correctamente, aunque haya un hueco sin recibir ACK (16), Sack=(21,25) El campo ACK sigue indicando una confirmación acumulativa, pero la opción Sack, determina que los bytes 21 a 25 si se han recibido bien

14 Protocolo UDP Fuente: W. Stallings, Data and Computer Comunications, 7ed. (Developed by Adrian J Pullin ) Definido en el RFC 768 es una alternativa de transporte a TCP. Es un protocolo no fiable, no orientado a la conexión. Source Port: Si tiene sentido será distinto de cero, indica el puerto (aplicación) que origina ese datagrama. Se puede asumir que, habitualmente, la respuesta que demos será a ese puerto origen. Dest. Port: Mismo significado que en TCP. Longitud: Indica la longitud del datagrama UDP completo (cabecera y datos), la cabecera siempre es 8 bytes. Checksum: Se utiliza igual que en TCP. POR QUÉ UDP? UDP es una alternativa barata y poco fiable de enviar datos, en determinadas ocasiones puede ser útil: Sistemas de arranque remoto, desde tarjeta de red, es mucho más sencillo implementar UDP que TCP (ahorro en el chip de arranque de la tarjeta), además en LAN la probabilidad de error es pequeña. A veces me interesa hacer la conexión sin mucho overhead como puede ocurrir con DNS. A veces el control de errores no me importa, transmisión de video por Internet (no merece la pena retransmitir, porque el dato llegará tarde y no se usará). A veces el control de errores es imposible: Recepción de TV. por satélite.