TCP - WIP.md

Descripcion

Transmision Control Protocol

Es el Protocolo de capa 2 mas usado, y provee de:

• Reliability - asegura que la informacion llego al receptor
• Order - asegura que el orden de la informacion sea correcto
• Error-checking - Verifica que la informacion llego correctamente sin errores

TCP tiene una interfaz superior que utiliza como comunicacion con los niveles por encima de el, a su vez se espera que el protocolo de capa inferior (EJ IP) tenga algun tipo de interfaz que permita que TCP se comunique de maera asincronica con el.

TCP No asume casi nada de las capas inferiores o superiores, principalmente.

• no asume que la red tenga ningun tipo de confiabilidad, por lo que puede funcionar en enlaces muy pobres o con mucha interferencia.

Puertos, Sockets y conexiones

TCP utiliza puertos para diferenciar ente los diferentes data streams emitidos por o de un host.

PUERTO: Un numero que identifica los distintos data streams que puede haber entre dos hosts. El sistema operativo puede dirigir datos que llegan de diferentes puertos a diferentes procesos internos del sistema. Permite mantener conexiones separadas al mismo host SOCKET: la combinacion de direccion de host (ej:IP) y puerto CONEXION: Una cantidad de informacion que dos procesos comparten para poder comuicarse, una conexion es identificada por dos sockets

Las conexiones pueden enviar datos desde y hacia ambos sockets, osea que son FULL DUPLEX

Arquitectura y tipos de conexiones

TCP opera como un servicio SINGLETON, es decir que es compartido entre varios procesos que desean realizar conexiones.

Un proceso puede pedirle al servicio tcp la apertura de dos clases de conexiones

• Conexion activa - Se pide una conexion desde el socket 1 al socket 2
  • El receptor de la conexion debe contestar iniciando otra conexion activa
  • es decir que se conocen las direcciones IP y puertos de los dos interlocutores (Browser, cliente FTP)
• Conexion pasiva - Se pide una conexion desde el socket 1 a cualquier otro socket, y se solicita que se notifique cuando una conexion se inicie
  • Otro interlocutor inicia una conexion iniciando una conexion activa al host que mantiene una conexion pasiva
  • Es decir, un servidor que espera conexiones entrantes de desconocidos (FTP server, Apache HTTP server)

Numeros de secuencia

Indica el numero total de bytes transmitidos desde el socket 1 al socket 2 en el momento en el que se envio ese paquete.

Sirve para:

• Indicar el orden de los segmentos al receptor
• Que el receptor indique que bytes recibio correctamente en un ACK
• Que el receptor indique cuandos bytes puede recibir .

• En una conexion tenes dos numeros de secuencias
  • Bytes enviados de $A \Rightarrow B$
  • bytes enviados de $B \Rightarrow A$

Acknowledgement - ACK y retrotransmision

El ACK es una herramienta que tiene TCP para indicarle al emisor hasta que punto durante la conexion Se recibio correctamente la informacion.

Se hace usando el numero de secuencia, que indica los bytes recibidos con exito desde que comenzo la conexion hasta ahora. es decir que es ACUMULATIVO

Un ACK con numero de secuencia $M$ indica que todos los segmentos con numeros $N<M$ fueron recibidos con exito

TCP envia un ACK al emisor con el numero de secuencia que considera que tiene que recibir del emisor, de esta forma el emisor sabe hasta que bytes recibio el receptor y puede reenviar los bytes que no hayan llegado.

basado supuestamente en: RFC - 1122 RFC 2581

Cuando TCP recibe un paquete:

• Con el numero de secuencia esperado $N$
  • Aguanta un tiempo para ver si se recibe el segmento siguiente
    • Recibe el segmento inmediatamente siguiente, con numero $Q$:
      • manda un ACK con numero $Q$, indicando que recibio $N$ y $Q$
    • No recibe: mas segmentos, envia ACK con numero $N +1$, indicando que recibio todos los bytes hasta $N$ correctamente
• Con un numero de secuencia mayor que el esperado $M>N$
  • Se procede de acuerdo con el algoritmo de retrotransmision implementado
    • RFC - 793 - Timout
    • RFC - 2581 - Fast retransmit heuristic
    • RFC - 2018 - TCP Selective Acknowledgment (SACK)
• Con numero de secuencia menor al esperado $M<N$
  • Envia ACK con numero de secuencia $N$

Protocolo

handshake

El handshake consiste en sincronizar numeros de secuencia, por eso se inicia con el flag SYN. Esto implica simplemente intercambiar dos numberos arbitrarios que serviran como numero de secuencia iniciales del socket 1 al socket 2 y viceversa.

• Host $A$:
  • Un proceso llama a la funcion OPEN de TCP especificando un socket del host $A$
  • ENVIA segmento con:
    • flag SYN
    • Un numero de secuencia inicial para contabilizar los bytes de $A \Rightarrow B$
• Host $B$:
  • Si hubo un pedido de OPEN de conexion pasiva o activa al socket 1 por parte del usuario
    • ENVIA segmento con:
      • flags SYN y ACK
      • Un numero de secuencia inicial para $A \Leftarrow B$
      • Confirma con el ACK el numero de secuencia $A \Rightarrow B$
  • NO hubo un pedido de OPEN de conexion pasiva o activa al socket 1
    • No abre una conexion
• Host $A$:
  • Envia ACK confirmando que recibio el numero de secuencia para $A \Leftarrow B$
• LISTO: $A$ y $B$ sincronizaron numeros de secuencia y estan listos para transmitir datos

Envio de datos

• Transferencia de datos - El host 1 llama al proceso TCP con una serie de datos como argumento
  • TCP divide los datos en segmentos
  • TCP coloca a cada segmento un numero de sequencia que es la suma de:
    • El numero de secuencia inicial acordado en el handshake
    • Todos los bytes transferidos en esta conexion hasta el momento + 1
  • TCP coloca un checksum a cada segmento para asegurar su integridad
  • TCP marca para enviar aquellos segmentos con numero de secuencia:
    • MAYOR que el numero de secuencia $N$ confirmado por el ultimo ACK del host 2
    • MENOR que el window indicado por el host 1 mas el numero de secuencia $W+N$
  • TCP envia esos segmentos al protocolo IP para que este lo envie y maneje su fragmentacion
• Recepcion de datos - El host 2 procesa el datagrama IP y envia el segmento a TCP
  • TCP verifica el checksum
  • TCP envia un ACK para indicar que recibio el paquete justo con el numero de secuencia
    • ademas puede envia un "window" indicandole al emisor que segmentos puede enviar, y lo hace prediciendo los numeros de sequencia que faltan. de esta forma el receptor puede tener flow control

Window - Flow control

En una comunicacion, el host $A$ puede indicarle al host $B$ cuantos mas bytes despues del numero de secuencia esta preparado para recibir. A esto se lo llama Window, el emisor enviara a su discrecion todos los segmentos con numero de secuencia que sea:

• MAYOR Al ultimo numero de secuencia que el receptor indico que recibio con un ACK
• MENOR Al numero de secuencia + el window indicado por el host $B$

Ejemplo de la cola de segmentos que TCP debe enviar:

Grafico de funcionamiento del fow control y el seteo del window

Manejo de erores

Perdida de segmentos u orden

Existen estrategias mas modernas para el manejo de estas situaciones, como por ejemplo:

• TCP fast retransmit heuristics - RFC 2581
• TCP selective acknowledgements - RFC 2018

Si sucede un problema durante la transimicion, TCP detecta que le faltan segmentos con numeros de secuencia, TCP enviara ACK con el ultimo numero de secuencia que esperaba recibir, en el emisor todos los segmentos con numeros de secuencia posteriores llegaran al timeout y seran vueltos a enviar

El emisor reenviara aquellos segmentos que lleguen al timeout.

Perdida de la sincronizacion y Half-connections

Una conexion deberia ser reiniciada si:

• Perida de sincronizacion: Uno de los dos hosts pierde el numero de sincronizacion
• Half connection: host $A$ tiene la conexion como ESTABLISHED y host $B$ tiene la conexion como CLOSED

Si el Host $B$ por algun motivo pierde la sincronizacion con el host $A$, por ejemplo si crashea el servicio TCP, $B$ puede pedirle a$A$ que vuelva al estado LISTEN y arrancar desde cero haciendo el handshake para volverse a sincronizar.

EJ 1 :

• $A$ mantiene una conexion en estado ESTABLISHED con $B$
• $B$ intenta conectarse con $A$ enviando un SYN
• $A$ envia flag RST por que se da cuenta que hay un half-connection
• $B$ cambia el estado de su conexion a LISTEN
• $A$ y $B$ comienzan el three way handshake

EJ 2 :

• $A$ mantiene una conexion en estado ESTABLISHED con $B$
• $B$ no tiene conexion activa con $A$ (CLOSED)
• $A$ envia datos a $B$ pensando que estan conectados
• $B$ no acepta los datos y envia un segmento con flag RST por que detecta un half-connection
• $A$ cambia el estado de su conexion a LISTEN
• $A$ y $B$ comienzan el three way handshake

Especificaciones

TCP segment

• source port: - Puerto de origen
• destination port - Puerto de destino
• sequence number
  • La suma de El numero de secuencia inicial y Todos los bytes transferidos en esta conexion hasta el momento + 1
  • si el flag SYN esta presente: Un numero de secuencia inicial arbitrario
• Header hegith - Indica el tamaño del header para que el receptor sepa donde comienzan los datos.
• control bits - Aca se indican los FLAGS
  • URG - Le indica al receptor que el paquete es urgente, no esta especificado en TCP que hacer
  • ACK
  • PSH - El user indico que se envien los datos de forma inmediata.
  • RST - Reiniciar la conexion
  • SYN - syncronizar numeros de secuencia
  • FIN - Terminar la conexion, no envies mas datos.
• window - Sequence number hasta el cual el receptor aceptara datos desde este paquete, permite que el receptor controle el flujo de datos.
• Checksum- el checksum de los datos

Manejo de las conexiones

Etapas de una conexion

La conexion TCP para por varios "estados", estos son estados internos que no se comunican entre las dos partes. Simplemente indican en que etapa se encuentra la conexion desde cada extremo

Los estados de las conexiones son:

• Listen - Conexion pasiva abierta, a la espera de conexiones activas de un socket desconocido.
• Syn-sent - Se envio una solicitud de sincronizacion (asi inician todas las conexiones activas), se esta esperando la respuesta.
• Syn-received
  • Se recibio un pedido de sincronizacion y por ende se tiene el numero de secuencia de $A \Rightarrow B$
  • se envio un ACK con el numero de secuencia propio $B \Rightarrow A$
  • se espera el ACK para confirmar que $B$ tiene el numero de secuencia de $A$
• ESTABLISHED - TCP intercambio numeros de secuencia y esta listo para recibir o enviar datos
• FINWAIT_1 - TCP envio una solicitud de cierre de conexion con flag FIN y esta esperando la respuesta
• CLOSE-WAIT - TCP recibio un flag FIN y esta esperando la confirmacion del usuario para enviar su propio segmento con flag FIN para confirmarle al otro host que van a cerrar la conexion
• FINWAIT_2
  • TCP recibio un ACK indicando que el otro host recibio el flag FIN
  • TCP esta esperando que el otro host envie su propia solicitud de cierre de conexion con un flag FIN
• LAST-ACK
  • TCP ya envio su propio segmento con flag FIN y cuando reciba el ACK cerrara la conexion.

Cierre de la conexion

Las conexiones TCP son full duplex, osea que pueden enviar y recibir datos al mismo tiempo, sin embargo el cierre de conexiones es SIMPLEX.

Un host $A$ puede cerrar su conexion para envios y mantener su capacidad de recibir datos hasta que el host $B$ cierre la conexion de su lado

Por este motivo es necesario que para terminar totalmente una conexion ambos interlocutores envien el flag FIN a su contraparte

Una vez que TCP cerro su conexion SIMPLEX, no le permitira al usuario seguir enviando informacion, pero recibira los segmentos siguientes hasta que el otro host cierre su conexion.

Interfaz

La interfaz entre el usuario y TCP esta bien definida por el protocolo, mientras que la interfaz entre TCP y el protocolo de capa inferior sera espericificado por el protocolo de capa inferior

OPEN

Pide la apertura de una conexion desde el socket $A$ al socket $B$

• Si la apertura es pasiva: la conexion se abre como LISTEN
• Si la apertura es activa: se inicia el handshake
• Timeout: Si se coloca un timeout, la conexion sera abortada si luego del transcurso del timeout no se recibio respuesta del host $B$

 OPEN (
	 local port,
	 foreign socket, 
	 active/passive, 
	 [timeout],
	 [precedence],
	 [security/compartment]
	 [options]
 ) -> local connection name

SEND

Envia una pieza de datos a travez de una conexion ya establecida.

• PUSH flag - Los datos se envian inmediatamente
• No PUSH flag - Se espera para ver si se acumulan mas datos para enviar en esta conexion y se envian todos juntos para aumentar la eficiencia de la red.

 SEND (
	 local connection name, 
	 buffer address, // La direccion de los datos a enviar 
	 byte count, 
	 PUSH flag, 
	 URGENT flag, 
	 [timeout]
 )

CLOSE

Inicia el proceso de cierre de la conexion

• Todos los paquetes que quedan en cola seran enviados con sus respectivos ACKs de acuerdo al tamaño del window.
• La conexion se vuelve simplex y sigue recibiendo datos

 CLOSE (local connection name)

STATUS

Devuelve informacion sobre una conexion

STATUS (local connection name) -> status data

ABORT

A diferencia de CLOSE; esta operacion no es elegante y no termina de enviar los segmentos en cola

Abort consiste en;

• Borrar la cola de envios y recepciones
• Enviar un mensaje con flag RST al otro interlocutor