INTERNET & APPLICATIONS

Nel complesso del protocollo TCP/IP, l'User Datagram Protocol (UDP) fornisce un servizio di recapito dei datagrammi connectionless ed inaffidabile, usando l'IP per trasportare messaggi da una macchina ad un'altra; prevede delle porte di protocollo usate per distinguere tra più programmi in esecuzione (o processi) su una singola macchina.
E' un protocollo di trasporto che si colloca sopra l'Internet Protocol Layer (IP):

E' simile all'IP, ma oltre ai dati spediti, ciascun messaggio UDP contiene sia il numero di porta di destinazione che quello di origine, rendendo possibile al software UDP di destinazione di recapitare il messaggio al corretto ricevente (programma od utente), ed a quest'ultimo di inviare una replica.
L'inaffidabilità è quella propria dell'IP, in quanto l'UDP non prevede nessun protocollo per il controllo dell'errore, a differenza del TCP: non usa acknowledgement per assicurare al mittente che i messaggi siano arrivati, non dispone le sequenze di datagrammi in ordine e non fornisce una retroazione per il controllo del rate del flusso di informazioni tra macchine. Perciò i messaggi UDP possono essere persi, duplicati oppure arrivare fuori dall'ordine; inoltre i datagrammi possono arrivare più velocemente di quanto il ricevente sia in grado di processarli.
Il protocollo UDP lavora bene in una rete locale, ma potrebbe fallire se usato in una rete di maggiori dimensioni Esso realizza un datagramma più utile di quello IP per i collegamenti fra utenti; infatti, per fare un esempio, su tale base è stato costruito l'applicativo Network File System (NFS) largamente diffuso nelle reti locali. Ciascun messaggio UDP è detto user datagram ed è costituito di due parti: UDP header ed UDP data area, che verranno incapsulate nell'IP datagram. Come mostra la figura, l'header del'UDP è simile a quello del TCP, ma risulta essere più corto non avendo nessun numero di sequenza; è diviso in quattro campi di 16 bits, che specificano il numero di porta da cui il messaggio è stato spedito (opzionale), quello della porta di destinazione (usata per demultiplexare i datagrammi tra i processi che aspettano di riceverli), la lunghezza del messaggio ed il checksum.

Concettualmente, tutte le operazioni di multiplexing e demultiplexing tra l'UDP ed i programmi applicativi avvengono attraverso il meccanismo delle porte; in pratica, ciascun programma applicativo deve negoziare con il sistema operativo per ottenere una porta di protocollo e l'associato numero prima che sia spedito un UDP datagram.
Assegnata la porta, ogni datagramma che il programma applicativo spedisce attraverso essa avrà quel numero di porta nel suo UDP source port field. L'UDP accetta i datagrammi provenienti dal software IP e li demultiplexa in base alla UDP destination port, come mostra la figura:

Le porte del protocollo UDP

I sistemi operativi della maggiorparte dei computers, permettono a più programmi applicativi di essere in esecuzione contemporaneamente (processes. tasks, application programs); tali sistemi sono detti multitasking systems.
Potrebbe sembrare naturale che un processo su una particolare macchina sia l'ultima destinazione di un messaggio, ma è più opportuno immaginare che ciascuna macchina contenga un set di punti di destinazione astratti, detti protocol ports, identificati ciascuno da un intero positivo. Il sistema operativo locale fornisce un meccanismo di interfaccia che i processi usano per specificare una porta o accedere ad essa.
In generale, le porte sono bufferizzate, in modo che i dati arrivati prima che il processo sia pronto, non vengano perduti. Per permettere il buffering, il software di protocollo del sistema operativo posiziona in una coda (finita) i poacchetti che arrivano per una particolare porta, finchè il processo non li estrae.
Per comunicare con una porta esterna, il mittente deve conoscere sia l'indirizzo IP che il numero di porta di protocollo della macchina di destinazione. Ciascun messaggio deve contenere sia il numero della Destination Port della macchina da cui il messaggio è spedito che il numero della Source Port della macchina mittente, a cui la replica dovrà essere indirizzata, rendendo possibile, per ogni processo, il collooquio tra mittente e destinatario.
Ci sono due fondamentali approcci per l'assegnazione delle porte, usando:

Central Authority: due computers che devono interoperare tra di loro, si accordano per permettere ad un'autorità centrale di assegnare i numeri di porta (Well-known ports) che necessitano e di pubblicare la lista di tutte le assegnazioni (Universal assignment) il software che gestisce le porte sarà realizzato in base a tale lista.
Dynamic Binding: in questo approccio le porte non sono universalmente conosciute; infatti, se un programma necessita di una porta, è il software di rete ad assegnargliela. Per sapere la porta corrente assegnata su un altro computer, è necessario inviargli una richiesta del numero di porta assegnata al servizio di interesse.

I progettisti del TCP/IP usano un approccio ibrido che assegna alcuni numeri di porta a priori (Low values) e lascia altri disponibili per siti locali o programmi applicativi (High values).
La tabella seguente contiene alcune tra le più significative UDP well-known ports:


Decimal	Keyword	UNIX Keyword	Description
7	ECHO	echo	Echo
9	DISCARD	discard	Discard
11	USERS	systat	Active Users
42	NAMESERVER	name	Host Name Server
43	NICNAME	whois	Who is
53	DOMAIN	nameserver	Domain Name Server
69	TFTP	tftp	Trivial File Transfer

TCP (Transmission Control Protocol)

Il Transmission Control Protocol (TCP), si assume la responsabilità di instaurare un collegamento tra due utenti, di rendere affidabile il trasferimento di dati e comandi tra essi ed infine di chiudere la connessione. Esso è capace di trasferire un flusso continuo di dati fra due utenti in entrambe le direzioni (full-duplex), decidendo quando bloccare o continuare le operazioni a suo piacimento.
Poiché il TCP fa veramente poche assunzioni riguardo l'hardware sottostante, è possibile implementarlo sia su una singola rete come una ethernet sia su un complesso variegato quale l'internet.
Tale protocollo, come l'UDP, si colloca, nel modello a strati, sopra l'Internet Protocol Layer (IP), che gestisce il trasferimento e l'instradamento del singolo pacchetto fino a destinazione, ma, come ulteriore funzionalità, tiene una traccia di ciò che è stato trasmesso ed eventualmente ritrasmette quella parte di informazione che è andata perduta lungo il tragitto.

Come l'UDP, il TCP permette a più programmi applicativi su una stessa macchina di comunicare contemporaneamente, e demultiplexa il traffico dei pacchetti in ingresso a tali programmi; usa i numeri di porta per identificare la destinazione finale all'interno di una macchina. La fondamentale differenza con l'UDP è che il TCP garantisce un servizio di trasporto affidabile (Reliable Delivery Service), ponendo rimedio alle cause di inaffidabilità proprie dell'IP (duplicazione e perdita di dati, caduta di rete, ritardi, pacchetti ricevuti fuori ordine, etc.), anche se ciò comporta una implementazione più complessa. L'importanza dell'affidabilità del flusso permessa da tale protocollo è il motivo per cui il complesso del protocollo TCP/IP ha tale nome.
L'affidabilità di questo servizio è caratterizzata da cinque proprietà:

Stream Orientation: quando due programmi applicativi trasferiscono dati (stream of bits), il flusso nella macchina di destinazione passa al ricevente esattamente come è stato originto nella macchina sorgente.
Virtual Circuit Connection: dal punto di vista del programmatore e dell'utente, il servizio che il TCP fornisce è analogo a fornire una connessione dedicata.
Buffered Trasfer: i routers interessati dal trasferimento sono provvisti di buffers per rendere più efficiente il trasferimento e minimizzare il traffico di rete.
Unstructured Stream: il TCP/IP stream service non adotta un flusso di dati strutturato; ovvero non c'è modo di distinguere i records che costituiscono il flusso dati.
Full-duplex Connection: la connessione fornita dal TCP/IP stream service permette un trasferimento di flusso contemporaneo ed indipendente in entrambe le direzioni, senza apparente interazione.

Se un qualunque messaggio è troppo grande per un singolo pacchetto TCP (gli standard consigliano una dimensione di 576 byte compreso l'header del IP) si procede a dividerlo in segmenti di lunghezza fissa e poi, arrivato a destinazione, si controlla che siano in ordine e si riassemblano, in modo che tale operazione risulti del tutto invisibile ai due utenti.
Poiché queste funzionalità sono necessarie per molte applicazioni, sono state messe tutte insieme in questo protocollo piuttosto che inserirle, come parte del programma, in ogni applicativo che ne ha bisogno.
L'affidabilità è garantita da una tecnica di fondamentale importanza nota come acknowledgement with retransmission (riscontro con ritrasmissione). Tale tecnica prevede che il destinatario invii un messaggio di acknowledgement (ACK) al mittente, una volta ricevuto un pacchetto. Il mittente mantiene una copia di ciascun pacchetto spedito e la rimuove dal buffer di trasmissione solo dopo aver ricevuto l'ACK relativo ad essa.
Nella configurazione più banale e meno efficiente l'utente sorgente, dopo aver trasmesso un pacchetto, aspetta di ricevere il suo ACK prima di spedire il successivo; inoltre fa anche partire un "cronometro" per il timeout, allo scadere del quale, se non ha ricevuto risposta, ritrasmette quello stesso pacchetto:

Un semplice protocollo del tipo "stop and wait" come questo abbassa notevolmente le prestazioni della rete, sprecando gran parte della banda disponibile nell'attesa dell'ACK relativo al pacchetto precedente; infatti un canale full-duplex è utilizzato come se fosse un half-duplex.
Tale problema è accentuato se i pacchetti devono attraversare lungo il cammino molti componenti quali bridge, router, repeater che, ovviamente, introducono un ritardo fisso di elaborazione, più una componente dovuta al traffico in rete.

Sliding Windows

L'introduzione del protocollo Sliding Windows (finestre scorrevoli) rende molto più efficiente la trasmissione e quindi l'utilizzo della banda, perchè permette al mittente di trasmettere tutti i pacchetti nella finestra senza dover aspettare l'ACK; via via che arrivano i vari ACK, il TCP fa slittare la finestra in avanti trasmettendo dei nuovi pacchetti dinamicamente, come rappresentato in figura:

Le dimensioni della finestra possono variare fino ad un massimo di 64 Kbytes. Una finestra di ampiezza opportuna riuscirebbe quasi, ipotizzando di non perdere pacchetti, a saturare completamente la banda di trasmissione.
Infatti appena il primo pacchetto della finestra arriva a destinazione, parte subito un ACK: se il round-trip di quel collegamento è abbastanza piccolo, o la finestra sufficientemente grande, in modo che l'ACK arrivi prima che il trasmettitore abbia esaurito la finestra, allora il flusso di dati è continuo e pari alle potenzialità massime della rete.
Al contrario, se il round-trip è lento, si può avere la cosiddetta "silly window syndrome", che consiste in un comportamento anomalo del TCP. Il trasmettitore spedisce i pacchetti nella finestra e poi perde molto tempo aspettando i relativi ACK prima di passare ai dati successivi, lavorando quindi con una generazione impulsiva del carico in rete.
Il meccanismo di acknowledgment può essere un "go back N" o un "go back N selective repeat", nel senso che le disposizioni dei reference sono molto labili, specificando solo che ogni pacchetto deve essere riconosciuto in qualche modo. Gli standard specificano invece chiaramente che tale meccanismo deve essere cumulativo, nel senso che un ACK è relativo ad un certo numero di byte della finestra, non ad un pacchetto, e che gli ACK successivi riconosceranno altri byte in modo cumulativo.
Ad esempio, supposto di lavorare con ACK da 500 byte, il primo ACK conferma i primi 500 byte, il secondo assicura che sono stati ricevuti i primi 1000 byte, il terzo garantisce fino a 1500 byte e così via. Siccome però la dimensione dei pacchetti non è fissata, non è detto che un ACK corrisponda ad un solo pacchetto TCP.
Possiamo allora definire la "finestra di acknowledgment" (da non confondere con quella di trasmissione) come il numero di byte, ovvero il numero di pacchetti TCP, una volta fissata la loro dimensione, riconosciuti da un singolo ACK. Avere una finestra di acknowledgment ampia limita il traffico in rete generato dagli ack, poiché lo stesso numero di byte trasmesso viene riconosciuto valido con meno pacchetti ACK.

Il meccanismo della finestra è molto importante anche perché fornisce al ricevente un mezzo per governare la mole di dati spediti dall'utente sorgente. Infatti, nell'header dei pacchetti TCP esiste un campo specifico, detto "window", tramite il quale il ricevente indica al trasmittente la dimensione in byte della finestra che è disposto attualmente a ricevere (finestra del ricevente). Questo accordo avviene quando il ricevente spedisce un ACK (che è anche esso un pacchetto TCP) nel quale specifica innanzitutto l'ultima posizione riconosciuta valida e, a partire da questa, il numero di byte che attualmente può accettare.

Headers

L'unità di trasporto tra i software TCP di due macchine è detto segment. I segmenti sono scambiati per stabilire connessioni, trasferimenti di dati, inviare ACK, comunicare la dimensione della Sliding Windows e chiudere le connessioni.
Poichè il TCP usa il piggybacking (trasmissione contemporanea di dati in entrambe le direzioni), un ACK che viaggia da una macchina A ad una macchina B potrebbe viaggiare in uno stesso segmento in cui viaggiano i dati tra A e B, sebbene l'ACK sia riferito ai dati spediti tra B ed A.
La figura mostra il formato del segmento TCP:

Ciascun segmento è diviso in due parti: un TCP header ed un TCP data.
Un header ha una lunghezza di almeno 20 byte e comprende molti campi; i più importanti sono sicuramente il "port number" e il "sequence number", sia della sorgente che della destinazione.
Il numero di porta serve per distinguere fra loro dei trasferimenti che avvengono contemporaneamente; ovviamente devo conoscere anche i numeri di porta degli altri tre nodi.
Il numero di sequenza identifica la posizione dei byte dati nel flusso spedito all'interno del segmento; serve per ordinare i pacchetti in ricezione e per verificare di non averne perso nessuno; da notare che tale numerazione riguarda i byte non i pacchetti, nel senso che se si usano pacchetti da 500 byte, il primo è numerato 500, il secondo 1000, il terzo 1500 e così via.
Un altro campo è il "acknowledgment number"; anche esso, come il "sequence number", è cumulativo e conta i byte anziché i pacchetti.
Il campo da 2 byte "window" è quello che consente al ricevente di indicare al trasmittente la dimensione della finestra da usare per il trasferimento in corso; da notare che due alla sedici fa 64 K, cioè la dimensione massima della finestra.
Gli ultimi due campi sono il "checksum" dell'header e un "urgent pointer" per alcuni casi particolari.
Ovviamente, in ricezione il livello TCP ritaglia l'header TCP, il livello IP ritaglia l'header IP, il livello di rete ritaglia l'header e il checksum relativo ad esso.

Le porte del protocollo TCP

Le porte del TCP sono molto più complesse rispetto a quelle dell'UDP, perchè un dato numero di porta non corrisponde ad un singolo oggetto. Infatti nel TCP gli oggetti da identificare sono delle connessioni di circuito virtuali tra due programmi applicativi, e non delle particolari porte.
Il TCP usa la connessione, e non la porta di protocollo, come sua fondamentale astrazione; le connessioni sono identificate da una coppia di end points, ognuno dei quali è costituito da due interi host,port, dove l'host è l'indirizzo IP dell'host e port è il numero di porta TCP su quell'host (per esempio: l'end point 128.10.2.3,25 specifica la porta 25 sulla macchina di indirizzo 128.10.2.3).
Poichè il TCP identifica una connessione con una coppia di valori, uno dato numero di porta può essere condiviso da più connessioni su una stessa macchina, senza che si crei ambiguità. Perciò la macchina identificata da 128.10.2.3,53 può comunicare simultaneamente con le macchine identificate da 128.2.254.139,1184 e 128.9.0.32,1184.
Si possono così creare servizi concorrenti con connessioni multiple simultanee, senza dover riservare un numero di porta locale per ogni connessione. Per esempio, alcuni sistemi forniscono un accesso concorrente al loro servizio di posta elettronica, permettendo a più utenti di spedire un E-mail contemporaneamente.
Ci sono due fondamentali approcci per l'assegnazione delle porte, usando:

Central Authority: due computers che devono interoperare tra di loro, si accordano per permettere ad un'autorità centrale di assegnare i numeri di porta (Well-known ports) che necessitano e di pubblicare la lista di tutte le assegnazioni (Universal assignment) il software che gestisce le porte sarà realizzato in base a tale lista.
Dynamic Binding: in questo approccio le porte non sono universalmente conosciute; infatti, se un programma necessita di una porta, è il software di rete ad assegnargliela. Per sapere la porta corrente assegnata su un altro computer, è necessario inviargli una richiesta del numero di porta assegnata al servizio di interesse.


Decimal	Keyword	UNIX Keyword	Description
7	ECHO	echo	Echo
9	DISCARD	discard	Discard
11	USERS	systat	Active Users
20	FTP-DATA	ftp-data	File Transfer Protocol (data)
21	FTP	ftp	File Transfer Protocol
23	TELNET	telnet	Terminal connection
25	SMTP	smtp	Simple Mail Transport Protocol
42	NAMESERVER	name	Host Name Server
43	NICNAME	whois	Who is
53	DOMAIN	nameserver	Domain Name Server

Il controllo della Congestione

Esistono almeno due notevoli problemi col TCP, relativi alla congestione della rete ed al meccanismo di "timeout and retransmission".
La congestione è una condizione di ritardo critico causata da un sovraccaricamento dei datagrammi in uno o più switching points (es. router). Quando avviene una congestione, il ritardo aumenta ed i routers iniziano ad accodare datagrammi, finchè non sono in grado di instradarli.
Nel peggiore dei casi, il numero dei datagrammi che arrivano ad un router congestionato cresce (esponenzialmente nel tempo) fino a che esso non raggiunge la sua massima capacità e comincia a perdere datagrammi. Dal punto di vista degli hosts, la congestione è semplicemente un aumento di ritardo.
Inoltre, poichè la maggiorparte dei protocolli usa un meccanismo di timeout and retransmission, essi rispondono al ritardo ritrasmettendo datagrammi, aggravando così la congestione.
Un aumento di traffico produce un aumento di ritardo, che provoca a sua volta un aumento del traffico, e così via, finchè la rete non può essere più usata: tale condizione è detta Congestion Collapse (Collasso dovuto alla congestione).
Non esiste un meccanismo esplicito per risolvere il controllo della congestione, anche se un'attenta implementazione del TCP/IP può permette di individuare ed affrontare meglio la situazione.
Esistono due modi per affrontare il problema della congestione di rete: recuperare la funzionalità una volta che la congestione ha avuto luogo (Recovery) oppure evitarla (Avoidance).
Per evitare il collasso della rete, il TCP può utilizzare la tecnica del Multiplicative Decrease Congestion Avoidance. Il TCP/IP mantiene un secondo limite, oltre dimensione della finestra del ricevente, detto congestion window limit; in oogni istante il TCP assume come dimensione della finestra di trasmissione, la minima tra le due.
In condizioni normali, le due finestre sono uguali, ma in condizioni di congestione, la congestion window riduce il traffico che il TCP immette in rete, dimezzando la propria dimensione ogni volta che si perde un segmento (fino ad un minimo di uno). Il rate di trasmissione è ridotto in modo esponenziale ed il valore del timeout viene raddoppiato per ogni perdita.
Se , una volta superata la congestione, si dovesse invertire la tecnica del Multiolicative Decrase, raddoppiando la congestion window, si avrebbe un sistema instabile che oscillerebbe ampiamente tra assenza di traffico e congestione.
Per ripristinare le condizioni di normale funzionamento, una volta che è avvenuto il collasso, il TCP può invece adottare una tecnica di Slow Start Recovery. Non appena inizia il traffico su una nuova connessione o aumenta dopo un periodo di congestione, la congestion window ha la dimensione di un singolo segmento ed ogni volta che arriva un ACK, viene incrementata di uno.
In questo modo, dopo aver trasmesso il primo segmento ed aver ricevuto il suo ACK, la finestra di congestione viene raddoppiata; una volta inviati i due segmenti, per ogni ACK ricevuto la congestion window sarà incrementata di una unità, così il TCP potrà spedire quattro segmenti, e così via, fino a raggiungere il limite imposto dalla finestra del ricevente.
Per evitare che la dimensione della finestra si incrementi troppo velocemente e causi congestione addizionale, il TCP impone una ulteriore restrizione. Una volta che la finestra di congestione raggiunge la metà del suo valore originale, il TPC entra in una fase di congestion avoidance e rallenta il rate di incremento; in questo caso la dimensione della finestra sarà incrementata di una sola unità dopo che tutti i segmenti della finestra hanno ricevuto ACK.
La combinazione delle due tecniche di Recovery ed Avoidance migliora drasticamente le prestazioni del TCP senza bisogno dell'aggiunta di ulteriori strumenti per il controllo della congestione.

Bibliografia

Ultimo aggiornamento: 11 Novembre 1996

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