Transmission Control Protocol

Il TCP può essere classificato al livello trasporto (level 4) del modello di riferimento OSI, e di solito è usato in combinazione con il protocollo di livello rete (OSI level 3) IP. Nel modello TCP/IP il protocollo TCP occupa il livello 2, trasporto. In linea con i dettami del livello di trasporto stabiliti dal modello ISO/OSI e con l'intento di superare il problema della mancanza di affidabilità e controllo della comunicazione sorto con l'interconnessione su vasta scala di reti locali in un'unica grande rete geografica, TCP è stato progettato e realizzato per utilizzare i servizi offerti dai protocolli di rete di livello inferiore (IP e protocolli di livello fisico e livello datalink) che definiscono efficacemente il modo di trasferimento sul canale di comunicazione, ma che non offrono alcuna garanzia di affidabilità sulla consegna in termini di ritardo, perdita ed errore dei pacchetti informativi trasmessi, sul controllo di flusso tra terminali e sul controllo della congestione di rete, supplendo quindi ai problemi di cui sopra e costruendo così un affidabile canale di comunicazione tra due processi applicativi di rete. Il canale di comunicazione così costruito è composto da un flusso bidirezionale di byte a seguito dell'instaurazione di una connessione agli estremi tra i due terminali in comunicazione. Inoltre alcune funzionalità di TCP sono vitali per il buon funzionamento complessivo di una rete IP. Sotto questo punto di vista TCP può essere considerato come un protocollo di rete che si occupa di costruire connessioni e garantire affidabilità su una rete IP sottostante che è sostanzialmente di tipo best-effort. Il TCP nacque nel 1970 come frutto del lavoro di un gruppo di ricerca del Dipartimento della Difesa statunitense. I suoi punti di forza sono l'alta affidabilità e robustezza. La sua popolarità si deve anche ad una sua implementazione diffusa dalla Università di Berkeley, rilasciata in California sotto forma di sorgenti (TCP Berkeley). Molte tuttavia sono le implementazioni e sviluppi che si sono succeduti nel tempo come evoluzioni e miglioramenti (es. TCP Tahoe, TCP Reno, TCP New Reno). Caratteristiche principali TCP è un protocollo orientato alla connessione, ovvero prima di poter trasmettere dati deve stabilire la comunicazione, negoziando una connessione tra mittente e destinatario, che rimane attiva anche in assenza di scambio di dati e viene esplicitamente chiusa quando non più necessaria. Esso quindi possiede le funzionalità per creare, mantenere e chiudere una connessione. TCP è un protocollo affidabile: garantisce la consegna dei segmenti a destinazione attraverso il meccanismo degli acknowledgements. Il servizio offerto da TCP è il trasporto di un flusso di byte bidirezionale tra due applicazioni in esecuzione su host differenti. Il protocollo permette alle due applicazioni di trasmettere contemporaneamente nelle due direzioni, quindi il servizio può essere considerato "Full-duplex" anche se non tutti i protocolli applicativi basati su TCP utilizzano questa possibilità. Il flusso di byte prodotto dall'applicazione (o applicativo, o protocollo applicativo) sull'host mittente, viene preso in carico da TCP per la trasmissione, viene quindi frazionato in blocchi, detti segmenti, e consegnato al TCP sull'host destinatario che lo passerà all'applicativo indicato dal numero di porta del destinatario nell'header del segmento (es.: applicativo HTTP, porta 80). TCP garantisce che i dati trasmessi, se giungono a destinazione, lo facciano in ordine e una volta sola ("at most once"). Più formalmente, il protocollo fornisce ai livelli superiori un servizio equivalente ad una connessione fisica diretta che trasporta un flusso di byte. Questo è realizzato attraverso vari meccanismi di acknowledgment e di ritrasmissione su timeout. TCP offre funzionalità di controllo di errore sui pacchetti pervenuti grazie al campo checksum contenuto nella sua PDU. TCP possiede funzionalità di controllo di flusso tra terminali in comunicazione e controllo della congestione sulla connessione, attraverso il meccanismo della finestra scorrevole. Questo permette di ottimizzare l'utilizzo dei buffer di ricezione/invio sui due end devices (controllo di flusso) e di diminuire il numero di segmenti inviati in caso di congestione della rete. TCP fornisce un servizio di multiplazione delle connessioni su un host, attraverso il meccanismo dei numeri di porta del mittente. Segmento TCP La PDU di TCP è detta segmento. Ciascun segmento viene normalmente imbustato in un pacchetto IP, ed è costituito dall'intestazione (header) TCP e da un carico utile (in inglese payload), ovvero i dati provenienti dal livello applicativo (es.: HTTP). I dati contenuti nell'intestazione costituiscono un canale di comunicazione tra TCP mittente e TCP destinatario, che viene utilizzato per realizzare le funzionalità dello strato di trasporto e non è accessibile agli strati dei livelli superiori. Un segmento TCP è così strutturato: TCP Header Offset Ottetto 0 1 2 3 Ottetto Bit 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 0 0 Source port Destination port 4 32 Sequence number 8 32 Acknowledgment number (se ACK è impostato) 12 96 Data offset Reserved 0 0 0 0 C W R E C E U R G A C K P S H R S T S Y N F I N Window Size 16 128 Checksum Urgent pointer (se URG è impostato) 20 160 Options (facoltativo) 20/60 ... 160/480 ... Data Source port [16 bit] - Identifica il numero di porta sull'host mittente associato alla connessione TCP. Destination port [16 bit] - Identifica il numero di porta sull'host destinatario associato alla connessione TCP. Sequence number [32 bit] - Numero di sequenza, indica lo scostamento (espresso in byte) dell'inizio del segmento TCP all'interno del flusso completo, a partire dall'Initial Sequence Number (ISN), deciso all'apertura della connessione (Un campo a 32 bit utilizzato per il riassemblaggio dei dati). Acknowledgment number [32 bit] - Numero di riscontro, ha significato solo se il flag ACK è impostato a 1, e conferma la ricezione di una parte del flusso di dati nella direzione opposta, indicando il valore del prossimo Sequence number che l'host mittente del segmento TCP si aspetta di ricevere. Data offset [4 bit] - Indica la lunghezza (in dword da 32 bit) dell'header del segmento TCP; tale lunghezza può variare da 5 dword (20 byte) a 15 dword (60 byte) a seconda della presenza e della lunghezza del campo facoltativo Options. Reserved [4 bit] - Bit non utilizzati e predisposti per sviluppi futuri del protocollo; dovrebbero essere impostati a zero. Flags [8 bit] - Bit utilizzati per il controllo del protocollo: CWR (Congestion Window Reduced) - se impostato a 1 indica che l'host sorgente ha ricevuto un segmento TCP con il flag ECE impostato a 1 (aggiunto all'header in RFC 3168). ECE [ECN (Explicit Congestion Notification) -Echo] - se impostato a 1 indica che l'host supporta ECN durante il 3-way handshake (aggiunto all'header in RFC 3168). URG - se impostato a 1 indica che nel flusso sono presenti dati urgenti alla posizione (offset) indicata dal campo Urgent pointer. Urgent Pointer punta alla fine dei dati urgenti; ACK - se impostato a 1 indica che il campo Acknowledgment number è valido; PSH - se impostato a 1 indica che i dati in arrivo non devono essere bufferizzati ma passati subito ai livelli superiori dell'applicazione; RST - se impostato a 1 indica che la connessione non è valida; viene utilizzato in caso di grave errore; a volte utilizzato insieme al flag ACK per la chiusura di una connessione. SYN - se impostato a 1 indica che l'host mittente del segmento vuole aprire una connessione TCP con l'host destinatario e specifica nel campo Sequence number il valore dell'Initial Sequence Number (ISN); ha lo scopo di sincronizzare i numeri di sequenza dei due host. L'host che ha inviato il SYN deve attendere dall'host remoto un pacchetto SYN/ACK. FIN - se impostato a 1 indica che l'host mittente del segmento vuole chiudere la connessione TCP aperta con l'host destinatario. Il mittente attende la conferma dal ricevente (con un FIN-ACK). A questo punto la connessione è ritenuta chiusa per metà: l'host che ha inviato FIN non potrà più inviare dati, mentre l'altro host ha il canale di comunicazione ancora disponibile. Quando anche l'altro host invierà il pacchetto con FIN impostato, la connessione, dopo il relativo FIN-ACK, sarà considerata completamente chiusa. Window size [16 bit] - Indica la dimensione della finestra di ricezione dell'host mittente, cioè il numero di byte che il mittente è in grado di accettare a partire da quello specificato dall'acknowledgment number. Checksum [16 bit] - Campo di controllo utilizzato per la verifica della validità del segmento. È ottenuto facendo il complemento a 1 della somma complemento a uno a 16 bit dell'intero header TCP (con il campo checksum messo a zero), dell'intero payload, con l'aggiunta di uno pseudo header composto da: indirizzo IP sorgente (32bit),indirizzo IP destinazione (32bit), un byte di zeri, un byte che indica il protocollo e due byte che indicano la lunghezza del pacchetto TCP (header + dati). Urgent pointer [16 bit] - Puntatore a dato urgente, ha significato solo se il flag URG è impostato a 1 ed indica lo scostamento in byte a partire dal Sequence number del byte di dati urgenti all'interno del flusso. Options - Opzioni (facoltative) per usi del protocollo avanzati. Data - rappresenta il carico utile o payload da trasmettere cioè la PDU proveniente dal livello superiore.