Tcp / Ip parte 6
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Tcp/Ip parte 7
Il TCP è stato definito per funzionare su un qualsiasi sistema di trasmissione dati a pacchetto, e non necessariamente solo sull’IP.
Di fatto esso può essere poggiato, per esempio, direttamente sopra una rete Ethernet senza bisogno di un livello Internet intermedio.
Ma qual è lo scopo del TCP nell’architettura internet?
Il protocollo non fornisce le garanzie di affidabilità e robustezza necessarie per implementare un sistema di trasmissione dati sicuro e di facile gestione.
L’IP è inaffidabile e benché schermi lo sviluppatore dalla conoscenza della rete fisica, fornisce ancora una visione di livello troppo basso del sistema di reti interconnesse.
Questo vuol dire che l’IP è troppo complesso per essere utilizzato direttamente dalle applicazioni.
Per avere un protocollo di trasmissione affidabile abbiamo bisogno di gestire tutte le possibili situazioni di errore, la duplicazione o la perdita dei pacchetti, la caduta delle connessioni o di un router, e via dicendo.
Se le applicazioni utilizzassero direttamente i servizi dell’IP, ognuna di esse dovrebbe implementare una serie alquanto complessa di algoritmi e servizi per tenere conto di tutto ciò.
A parte il fatto che esistono relativamente pochi programmatori in grado di far questo fra gli svariati milioni di sviluppatori di applicazioni, nella maggior parte dei casi si tratterebbe di reinventare ogni volta la ruota.
In generale questi problemi, seppure complessi, sono abbastanza standard, per cui si è pensato di poggiare sui sistemi di trasmissione a pacchetti un protocollo affidabile che potesse essere implementano da sviluppatori altamente specializzati, lasciando così agli altri la possibilità di concentrarsi sulla logica applicativa piuttosto che sugli aspetti specifici della trasmissione dei dati a basso livello.
Vediamo allora quali sono le caratteristiche principali del TCP, eventualmente comparate a quelle dell’IP.
Innanzi tutto il TCP fornisce una visione dei dati di tipo a flusso (data stream), cioè i dati sono ricevuti in sequenza e nello stesso ordine con il quale sono stati trasmessi.
A questo livello cioè, l’utente del TCP spedisce i dati come un singolo flusso di byte e nello stesso modo li riceve.
Nell’IP avevamo invece la divisione dei dati in pacchetti che potevano subire un’ulteriore frammentazione se si trovavano a passare attraverso reti caratterizzate da una soglia molto bassa sulle dimensioni dei frame fisici.
I pacchetti potevano inoltre arrivare in ordine sparso rispetto a quello di trasmissione.
Nell’IP non si sa mai a priori il cammino che effettua un pacchetto.
Il TCP fornisce al suo utente una visione del collegamento come se esso fosse una linea dedicata.
Ovviamente sotto sotto il meccanismo è ancora quello a pacchetti, ma la cosa è schermata agli utilizzatori del TCP, tale caratteristica è detta vitual circuit connection, cioè circuito di connessione virtuale.
Il TCP si basi sul concetto di connessione, piuttosto che su quello di indirizzo come fa invece l’IP. Una connessione, per definizione, richiede la definizione di due punti piuttosto che di uno solo, detti punti terminali o estremi della connessione (endpoint).
Parleremo anche di interlocutori per indicare gli utenti posti agli estremi della connessione.
Abbiamo visto che l’IP divide i dati in pacchetti che vengono costruiti sulla base di esigenze di trasmissione legate alle varie reti fisiche su cui si poggia il sistema. D’altra parte le applicazioni dividono i dati in funzione delle esigenze applicative.
Per esempio, un’applicazione di posta elettronica può considerare una lettera da 8.000 caratteri una singola unità dati, mentre un protocollo per la gestione della rete può avere l’esigenza di spedire tanti piccoli messaggi di non più di 16 byte l’uno.
Il TCP permette di disaccoppiare il modo di dividere i dati delle applicazioni da quello dell’IP.
Così la lettera di cui sopra viene prima spezzata in tante parti, spedita via IP e poi ricomposta dal livello TCP del destinatario, mentre per i messaggi di controllo avviene il contrario: prima vengono accumulati in un singolo pacchetto, e poi rispezzettati presso il destinatario.
Questo meccanismo è detto buffered transfer. Naturalmente può sorgere l’esigenza di forzare la trasmissione dei dati anche se il buffer non è pieno.
Per esempio, se serve sapere se un certo sistema è attivo o meno manderò prima un messaggio di interrogazione, e solo una volta ricevuta la conferma incomincerò a spedire gli altri dati.
Dato che il messaggio di interrogazione è più piccolo del buffer, esso non verrebbe realmente spedito dal TCP fintanto che questi non è stato riempito. È quindi necessario forzare la trasmissione del primo messaggio (push) se si vuole evitare di attendere inutilmente la risposta a un messaggio che in realtà non è mai partito.
Per quanto intelligente, il TCP si preoccupa di trasferire i dati che gli vengono passati senza entrare in merito a il loro significato dal punto di vista applicativo.
In che modo il flusso di dati vada interpretato semanticamente è responsabilità delle due applicazioni che utilizzano la connessione TCP per cooperare.
Questo vuol dire che se un’applicazione manda alla sua controparte una serie di indirizzi, questi arriveranno uno di seguito all’altro nel giusto ordine, ma senza alcuna garanzia che ogni buffer contenga un numero intero di indirizzi. Sta all’applicazione ricomporre un indirizzo capitato a cavallo di due buffer consecutivi. Si parla quindi di flusso senza struttura (Unstructured Stream).
Le connessioni TCP permettono il trasferimento contemporaneo dei dati in entrambe le direzioni, quello che nel gergo delle comunicazioni si chiama una connessione full-duplex.
Si hanno cioè due flussi che scorrono indipendentemente in direzioni opposte, senza interagire fra loro. Le applicazioni hanno comunque la possibilità di passare alla modalità half duplex semplicemente bloccando uno dei due flussi di dati.
Ma in che modo il TCP garantisce quella affidabilità che manca all’IP?
Il meccanismo di base utilizzato sia dal TCP che da molti altri protocolli cosiddetti “affidabili” è quello della ritrasmissione in caso di mancata conferma (positive acknowledgement with retrasmission).
Si tratta di un meccanismo concettualmente semplice: ogni qual volta uno dei due interlocutori di una connessione spedisce dei dati, questi attende una conferma dell’avvenuta ricezione.
Se questa arriva entro un tempo stabilito viene spedito il pacchetto successivo, altrimenti l’applicazione rispedisce quello precedente. Tale tempo viene misurato con un timer che viene fatto partire ogni volta che un pacchetto è spedito.
Questo meccanismo risolve il problema dei pacchetti persi o danneggiati, ma può crearne un altro. Supponiamo che a causa di problemi di saturazione della rete un pacchetto ci metta molto più tempo del previsto ad arrivare.
A questo punto il mittente, non vedendosi arrivare indietro la conferma ne rispedisce una copia. Succede così che il destinatario riceve a una certa distanza l’uno dall’altro due copie dello stesso pacchetto.
Il problema della duplicazione dei pacchetti viene risolto facendo numerare sequenzialmente al mittente tutti i pacchetti da spedire e facendo verificare al destinatario la sequenza ricevuta.
Naturalmente questo non vale solo per i messaggi ma anche per le conferme agli stessi. Infatti anche una conferma potrebbe venire erroneamente duplicata. Per evitare questo ogni conferma riporta il numero di sequenza del messaggio a cui si riferisce, permettendo così al mittente di verificare che a ogni messaggio spedito corrisponda una e solo una conferma di ricezione. È un po’ lo stesso meccanismo di una raccomandata con ricevuta di ritorno.
In realtà gli algoritmi utilizzati dal TCP sono un po’ più complicati, e tengono conto di tutta una serie di situazioni che si possono verificare. Senza contare che il tempo di attesa prima della ritrasmissione è un punto chiave di tutto il discorso. Se si attende troppo poco si rischia di generare un sacco di duplicati inutili, saturando per giunta la rete, mentre se si attende troppo si rischia di abbassare notevolmente e inutilmente le prestazioni della trasmissione dei dati, rallentando le applicazioni alle estremità della connessione.
Il meccanismo della conferma di ricezione con ritrasmissione ha inoltre un grosso svantaggio. Anche se i tempi di attesa sono scelti in modo ottimale, esso causa un notevole sottoutilizzo della rete. Infatti, indipendentemente dalla capacità della rete, i due interlocutori passano la maggior parte del tempo attendendo le varie conferme.
È un po’ come avere un tubo nel quale vengono fatte cadere una a una delle palline numerate in sequenza.
All’altra estremità del tubo c’è una cesta poggiata su un prato, un po’ distante dal foro di uscita.
Se la pallina cade nella cesta fa rumore, altrimenti cade nel prato e non si sente niente.
Se ogni volta che metto una pallina nel tubo aspetto di sentire il rumore che mi conferma che la pallina è caduta nel cesto, il tubo resta per la maggior parte del tempo vuoto.
Una tecnica di ottimizzazione usata dal TCP per rendere più efficiente il meccanismo appena descritto è quella delle finestre di scorrimento (sliding window).
Funziona più o meno in questo modo. Immaginate di immettere nel tubo una sequenza di dieci palline senza attendere che la prima sia arrivata.
Come si sente il primo flop si aggiunge un’undicesima pallina, e poi una dodicesima e così via. Se si salta un flop si reinserisce una pallina con lo stesso numero di quella che non è arrivata, tanto il destinatario può comunque riordinare le palline utilizzando i numeri scritti sopra.
Il numero di palline che compongono il trenino da spedire indipendentemente dalla ricezione del flop si chiama dimensione della finestra di scorrimento (sliding window size). Se si sceglie una dimensione tale da riempire tutto il tubo nella sua lunghezza si sfrutta al massimo la capacità dello stesso.
In pratica questo sistema divide la sequenza di pacchetti in tre fasce.
La prima è rappresentata dai pacchetti spediti e di cui si è avuta la conferma di ricezione.
La seconda è formata dai pacchetti spediti ma dei quali non si sa ancora niente.
La terza è formata dai pacchetti ancora da spedire.
Con questa tecnica il TCP mantiene un timer per ogni singolo pacchetto che appartiene alla seconda fascia. Il nome “Finestra di scorrimento” significa che è come se ci fosse una finestra ampia quanto il trenino di pacchetti che possono essere spediti senza attendere la conferma dell’avvenuta ricezione che scorre in avanti un pacchetto alla volta ogni qual volta arriva una conferma.
Anche in questo caso, come in quello del tempo di attesa prima di ritrasmettere un pacchetto, le dimensioni della finestra di scorrimento rappresentano un fattore critico per determinare l’efficenza del sistema.
In generale, se le dimensioni della finestra sono maggiori del tempo di attesa per il singolo pacchetto, allora la finestra continua a scorrere regolarmente senza interruzioni, salvo nel caso di ritrasmissioni, e la capacità di carico della rete viene sfruttata al massimo.
Affinché infatti due applicazioni possano comunicare fra di loro esse debbono conoscersi e il sistema di trasmissione che le serve deve sapere a chi effettivamente vanno recapitati i dati.
È evidente che non basta l’indirizzo IP, che identifica univocamente un host nella rete.
Basti pensare che un PC collegato in rete ha in genere un solo indirizzo IP, a meno che non sia collegato a più reti fisiche, come per esempio un gateway.
Se una lettera viene spedita via rete a un certo indirizzo come fa TCP a sapere a quale applicazione deve far arrivare i dati?
Un sistema potrebbe essere quello di assegnare un identificativo a ogni singola applicazione, ma come garantire allora l’univocità dell’identificativo?
Senza contare che questo costringerebbe la controparte a sapere a priori tale valore per ogni possibile destinatario. Non è inoltre detto che un utente utilizzi sempre lo stesso programma per spedire o ricevere la posta elettronica. In realtà, più che la specifica applicazione, quello che è importante identificare è la funzione, come per esempio trasferire file oppure spedire posta elettronica.
La soluzione è quella di definire dei punti di ingresso e di uscita virtuali chiamati porte.
Ogni porta rappresenta di fatto un punto di accesso a un’applicazione nel sistema. Si tratta in pratica di un’estensione del concetto di porta hardware. Un PC moderno, per esempio, può avere porte hardware parallele, seriali, video, audio e di vari altri tipi. Ad ogni porta possono essere attaccati dispositivi molto differenti. Per esempio, a una porta parallela è possibile attaccare una stampante, uno scanner, un’unità Cd-Rom oppure un’unità disco ad alta capacità.
Tutti questi dispositivi non hanno bisogno di una porta specifica, ma possono utilizzare la stessa porta perché gestiscono flussi di dati simili, possono cioè usare lo stesso protocollo di base per la trasmissione dei dati.
Se vi siete persi le puntate precedenti le trovate qui: