Tema 14: El protocolo TCP

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1 Tema 14: El protocolo TCP 1 Introducción 2 Puertos y conexiones 3 Control de flujo Recuperación n de errores 4 Control de congestión 5 Formato de un segmento TCP 6 Establecimiento y cierre de una conexión 7 Conclusiones Redes de Computadores 1 Introducción Ninguno de los protocolos vistos hasta ahora proporciona fiabilidad en la comunicación de datos Si las aplicaciones la necesitan, tienen dos opciones: Añadir los mecanismos necesarios en la propia aplicación Utilizar un protocolo intermedio que se encargue de esta tarea Emplearemos un protocolo del nivel de transporte que proporcione la fiabilidad deseada: Protocolo TCP (Transmission Control Protocol) Al igual que UDP utilizará el mecanismo de puertos Bibliografía: a: [COM96], cap 13 2 Características de TCP 2 Puertos y conexiones Proporciona un servicio orientado a la conexión, fiable y ordenado Tres fases: Establecimiento de conexión, transferencia de datos y cierre de conexión (similar al teléfono) El flujo de datos es tratado como una secuencia de bytes (byte stream) El software del protocolo decide cómo dividir (o agrupar) las unidades de datos que la aplicación le transfiere Por motivos de flexibilidad, el protocolo no especifica la interfaz con la aplicación (sockets interface ) Asignación de puertos estática o dinámica Se puede utilizar el mismo puerto para TCP y UDP

2 3Control de flujorecuperación de errores Control de flujo Unidad de datos TCP: segmento Control de flujo extremo a extremo mediante ventana deslizante La Parada y Espera puede resultar muy poco eficiente Tamaño máximo de la ventana de transmisión variable (puede ser cero) Reconocimientos a nivel de octetos y no de segmentos Mecanismo full-duplex (4 ventanas) Se permite el empleo de datos urgentes, que no están sujetos al control de flujo Ventana de transmisión Este es el Texto a Transmitir Byte: Seq=6, Tam=19 es el Texto a Trans 5 6 Reconocimientos y retransmisión n (I) Control de flujo Cada segmento lleva un número de secuencia que corresponde al del primer octeto del campo de datos Los reconocimientos siempre indican el número de secuencia del siguiente octeto que se espera recibir Los reconocimientos son globales Indican la recepción correcta de todos los bytes hasta el especificado Si se pierde el primer segmento de una serie, no se reconoce ninguno <datos sin relevancia> Ack=25, Win=11 Ventana de transmisión Este es el Texto a Transmitir por Internet Byte:

3 Reconocimientos y retransmisión n (II) Temporizadores y retransmisión Se consigue fiabilidad empleando reconocimientos positivos y retransmisiones Las retransmisiones pueden originar duplicados Para la detección de duplicados se utilizan los números de secuencia de los segmentos Las retransmisiones se basan en el empleo de un temporizador cuya duración es crítica Se emplea un temporizador distinto para cada segmento Se emplea un algoritmo de retransmisión adaptativo TCP controla los retardos de cada conexión y ajusta los temporizadores de acuerdo con ellos: RTT_medido es el tiempo transcurrido desde que se envía un segmento hasta que se recibe su reconocimiento Cada vez que se obtiene un nuevo round trip, se ajusta el estimado para la conexión (RTT = round trip time) RTT = ( a* RTT ) + (( 1 a) * RTT _ medido) donde : 0 a < 1 TimeOut = b * RTT, donde b > 1 (se sugiere b = 2) 9 10 Timeout y retransmisión n (II) Timeout y retransmisión n (III) Cuando se transmite el mismo segmento varias veces, al recibir su reconocimiento, resulta imposible determinar a cuál de las copias enviadas corresponde Esto origina problemas a la hora de establecer el intervalo de timeout Si el reconocimiento se asocia al primer segmento enviado, el temporizador tenderá a crecer mucho si la red pierde datagramas Si el reconocimiento se asocia con el último segmento enviado, tendremos problemas cuando el retardo extremo a extremo aumente de forma súbita El to será demasiado pequeño Solución (Algoritmo de Karn): Diferenciar los segmentos transmitidos una única vez de las retransmisiones Cuando se produce la pérdida de un segmento se ignora su round trip, y se emplea una estrategia backoff nuevo_timeout = g * timeout, (generalmente g = 2) Cuando se transmite un segmento con éxito en el primer intento, se toma su round trip como estimación y deja de aplicarse el back-off 11 12

4 4 Control de congestión n (I) Control de congestión n (II) La congestión aparece por una sobrecarga en los nodos de conmutación (ej routers) de una red Provoca un incremento del retardo Se originan retransmisiones, que agravan la situación TCP puede ayudar a solucionar la congestión, reduciendo la inyección de segmentos en la red El estándar actual recomienda dos técnicas, relacionadas y fáciles de implementar: Slow-start y Congestion avoidance Elegir el tamaño de la ventana de transmisión como: ven_permitida = min (permisos_receptor,ven_de_congestión) Durante el funcionamiento normal se cumple que: permisos_receptor = ven_de_congestión Al vencer un temporizador: Se reduce la ventana de congestión a la mitad (Congestion avoidance) Y además, para aquellos segmentos que permanecen en la ventana permitida, se aumenta el intervalo de timeout exponencialmente (back-off) Control de congestión n (III) Slow-Start Start: : Representación n gráfica Una vez solucionado el problema, debe recuperarse la situación inicial progresivamente Slow-Start: Se aplica al inicio de cada conexión y tras una congestión La ventana de congestión se abre (un segmento más) cada vez que se reconoce un segmento que no se ha retransmitido A pesar de ello, se impone una restricción adicional: Cuando la ventana de congestión alcanza la mitad de su tamaño original: Se incrementa su tamaño en 1, sólo si todos los segmentos dentro de la ventana se han reconocido (Algoritmo de Van Jacobson) Utilizando estas técnicas junto a los temporizadores adaptativos, se obtienen mejoras significativas de prestaciones 15 16

5 Traza de un procedimiento Slow-start Encapsulado de mensajes TCP Cabecera de la trama Cabecera del datagrama Cabecera TCP Campo de datos de la trama datos TCP Campo de datos del datagrama Formato de un segmento TCP (I) Formato de un segmento TCP (II) cabecera Puerto TCP origen Puerto TCP destino Número de secuencia Número de reconocimiento longc reservado código ventana checksum puntero a datos urgentes opciones (Ej: MSS) relleno DATOS Cada segmento se divide en: Cabecera y datos Puerto fuente y puerto destino identifican a las aplicaciones, en los dos extremos de la conexión Número de secuencia identifica la secuencia del primer octeto de datos del segmento en el flujo de datos del emisor Número de reconocimiento indica cual es el siguiente octeto de datos que se espera recibir Es válido si el bit ACK (campo código) está activo La longitud de la cabecera (longc) se expresa en palabras de 32 bits 19 20

6 Campos en la cabecera de un segmento TCP Campos en la cabecera de un segmento TCP El campo ventana indica el tamaño del buffer del receptor (control de flujo) Determina el tamaño de la ventana de transmisión El cheksum se utiliza para la detección de errores Se aplica a todo el segmento (cabecera+datos) Su cálculo es idéntico al de UDP (pseudo-cabecera) Las opciones permiten negociar algunos parámetros entre los TCPs de ambos extremos Ejemplo: Tamaño máximo de segmento (MSS) durante el establecimiento de conexión El campo reservado no se utiliza Los bits de código determinan el tipo de segmento y el significado de algunos de sus campos bit (de izquierda a derecha) URG ACK PSH RST SYN FIN Significado si está a uno El puntero a datos urgentes es válido El campo de reconocimiento es válido Este segmento solicita un PUSH Reiniciar la conexión Establecimiento de conexión El emisor llegó al final de su secuencia de datos Datos urgentes (URG) Función n de carga (PUSH) (I) No siguen la secuencia de los datos normales Se avisa al receptor de su llegada, independientemente de los datos que haya en espera Tienen interés para indicar situaciones de excepción Ejemplo: Abortar programas de forma remota Después de haber leído todos los datos urgentes, la aplicación vuelve al modo normal de funcionamiento Los detalles de cómo TCP informa a la aplicación de la presencia de datos urgentes dependen del SO Los datos urgentes viajan entre los datos de un segmento El puntero de datos urgentes indica dónde finalizan TCP elige la distribución de los datos en segmentos Para mejorar la eficiencia suele acumular un número razonable de octetos antes de un envío Esto a veces penaliza el buen funcionamiento de una aplicación Ejemplo: Terminal remota (TELNET) Es necesario un mecanismo que permita obligar a TCP a enviar inmediatamente los datos acumulados 23 24

7 Función n de carga (PUSH) (II) Cierre abrupto de una conexión n (RST) La aplicación puede solicitar la transmisión del buffer TCP actual En la mayoría de las implementaciones, es un parámetro de la conexión Los datos se transmiten sin esperar al MSS El segmento generado lleva el bit push a 1 Asimismo, en recepción el TCP debe entregar los datos a la aplicación lo antes posible Por ejemplo, sin respetar el tamaño de buffer de recepción Se emplea cuando el TCP detecta una situación incorrecta Se solicita mediante un segmento con el bit RST Si la conexión TCP está establecida, ambos extremos cancelan inmediatamente la conexión Previa verificación de su secuencia y reconocimiento TCP informa también a la aplicación Establecimiento y cierre de una conexión Establecimiento de una conexión n TCP TCP ofrece un servicio orientado a la conexión: Establecimiento de conexión: Sincronización entre los dos extremos para iniciar un diálogo fiable Negociación de parámetros de la conexión (número de secuencia inicial, tamaño de ventana, tamaño máximo de segmento, etc) Transferencia de datos Cierre de conexión: Necesidad de realizar un cierre de conexión consensuado Liberación de los recursos reservados en el establecimiento Para ello, utiliza un servicio de entrega (IP) no fiable!! Los procesos de establecimiento y cierre deberán garantizar, en lo posible, aperturas y cierres correctos Sincronización: Ambas partes deben ponerse de acuerdo para que la comunicación sea posible Apertura pasiva Uno de los extremos espera a que otro inicie la conexión Normalmente se utiliza un puerto bien conocido Apertura activa El otro extremo solicita establecer una conexión Normalmente utiliza un puerto asignado dinámicamente 27 28

8 Protocolo a dos bandas El problema de los duplicados A desea establecer conexión Conexión establecida A Recibe SYN y SYN x SEQ=x+1, ACK=y+1 (datos) B Recibe SYN x Envía SYN y Conexión establecida La existencia de temporizadores y el tiempo de respuesta no acotado pueden causar duplicados Cuando el duplicado pertenece a una conexión activa: Si es de establecimiento de conexión se descarta Si es de datos sólo ocasiona problemas si los números de secuencia se repiten Se implementan soluciones como: Tiempo de vida de los paquetes acotado (TTL) Rango de números de secuencia elevado (2 32 ) Cuando el duplicado pertenece a una conexión anterior cerrada no es detectable Si es de datos no ocasiona problemas Excepción: Nueva conexión con mismo identificador y número de secuencia en ventana de recepción Solución: Elegir el número de secuencia inicial de forma aleatoria Si es de establecimiento de conexión, el protocolo a dos bandas falla Protocolo a dos bandas Protocolo a tres bandas (I) Recibe SYN y Envía SYN z Conexión establecida A SYN x Secuencias distintas! B Recibe SYN x (dup retrasado) Envía SYN y Conexión establecida Se descarta (duplicado) Para eliminar el problema, cada extremo debe distinguir de forma inequívoca los duplicados retrasados Solución adoptada: Protocolo a tres bandas: Sincroniza ambos extremos discriminando los duplicados retrasados Cómo? Obliga a la utilización de reconocimientos de los números de secuencia iniciales que ambos extremos han seleccionado 31 32

9 Protocolo a tres bandas (II) Envía SYN x Recibe SYN+ACK Envía ACK y+1 Conexión establecida Recibe SYN Envía SYN y, ACK x+1 Recibe ACK Protocolo a tres bandas (duplicado retrasado) SYN+ACK Envía RST, ACK y+1 duplicado retrasado SYN x Envía SYN y, ACK x+1 Recibe rechazo de conexión SYN+ACK Envía RST, ACK y+1 duplicado retrasado duplicado retrasado SYN x Envía SYN y, ACK x+1 Recibe rechazo de conexión Datos x+1, ACK z Cierre de una conexión n TCP Cierre de conexión: Utiliza segmentos con el bit FIN activado No pueden llevar datos Requieren números de secuencia: Evitar entrega desordenada Protocolo a tres bandas modificado: Pretende conseguir un cierre ordenado Cierre independiente de ambos sentidos Tras recibir la solicitud de fin de conexión, aún se pueden enviar datos pendientes, que serán aceptados Cierre de conexión: n: Protocolo a tres bandas Envía FIN numsec=x Recibe ACK Recibe FIN+ACK Envía ACK y+1 (Conexión cerrada) Recibe FIN Envía numsec=y ACK x+1 (Informa a la aplicación) Envía FIN, ACK x+1 Recibe ACK (Conexión cerrada) 35 36

10 Problemas en el cierre de una conexión No puede garantizarse un cierre ordenado: Siempre puede perderse el último mensaje (no reconocido) Ejemplo: El problema de los Generales Bizantinos Solución de compromiso: Se utiliza un temporizador asociado al segmento FIN inicial y otro para la espera del último reconocimiento (MSL) Conexión semi-abierta (host crashes): Un extremo cae (Ej: perdida de alimentación), dejando todas sus conexiones TCP abiertas Solución: Uso de temporizadores que detectan periodos de inactividad + intercambio de ACKs Problemas en el cierre de conexión: n: Ejemplos FIN+ACK Envía ACK y+1 FIN y, ACK x+1 activa temp (to) Cierra la conexión activa temp (to) activa temp FIN+ACK Envía ACK y+1 FIN y, ACK x+1 activa temp FIN y, ACK x+1 activa temp Llega ACK Cierra la conexión Conclusiones sobre TCP (I) Conclusiones sobre TCP (II) Protocolo más complejo que los anteriores Servicio de transferencia de datos fiable y ordenado: Corrige las pérdidas de paquetes: Reconocimientos positivos Retransmisiones Soluciona los duplicados: Números de secuencia Tiempo de vida acotado en los datagramas Control de flujo mediante ventana deslizante y notificación de ventana Control de congestión limitando el tamaño de la ventana de transmisión Distinción entre diferentes destinos en la misma máquina: los puertos Establecimiento de conexión: segmentos SYN protocolo a tres bandas Liberación de ordenada de la conexión: segmentos FIN protocolo a tres bandas Liberación abrupta de la conexión: segmentos RST 39 40