Transmission Control Protocol (TCP): aprofundamento

Transmission Control Protocol (TCP): aprofundamento

1. Conexão TCP

   • Estabelecimento de conexão
     • Utiliza o protocolo 3-way-handshake
     • Sequência de mensagens
       • Sinalização de abertura de conexão da origem – FLAG SYN (Origem)
       • Confirmação de abertura e Sinalização de conexão do destino – FLAGS SYN e ACK (Destino)
       • Confirmação de abertura da conexão pela origem – FLAG ACK (Origem)
       • Para o devido estabelecimento da conexão, necessariamente deverá ocorrer a troca das três mensagens
     • Para o devido estabelecimento das conexões, utiliza-se soquetes (sockets) nos dispositivos
       • Soquete = ENDEREÇO IP + PORTA
       • O estabelecimento da conexão então ocorre quando há a efetiva e explícita conexão entre os soquetes do nó transmissor e do nó receptor
       • Quanto um dispositivo qualquer está fornecendo algum serviço na rede, este dispositivo mantém a porta do respectivo serviço no estado LISTENING ou LISTEN
         • Neste estado, a porta está aceitando conexões de clientes
         • Quando há o estabelecimento da conexão, a porta passa para o estado ESTABLISHED
   • Encerramento de conexão
     • Utiliza o protocolo 4-way-handshake
     • Sequência de mensagens
       • FLAG FIN (1) - utilizada para requisitar o encerramento da conexão (origem)
         • Reparem ainda que não mais é enviado um pacote com dois tipos de flags como ocorria na abertura (SYN + ACK)
         • Utiliza-se as FLAGS ACK (2) e FIN (3) em mensagens separadas (destino)
           • Há, porém, a possibilidade de condensar as mensagens ACK e FIN no destino, como no estabelecimento da conexão, utilizando apenas 3 mensagens
         • Esse modo é conhecido como encerramento Simétrico
       • FLAG ACK (4) - Por fim a origem confirma o encerramento
       • Outro método utilizado é o envio de um único segmento com a FLAG RST, implicando um encerramento imediato
         • Independe mensagens FIN sendo conhecido como modo assimétrico
   • Após o estabelecimento da conexão, passa-se então à troca de dados propriamente ditos
     • Os pacotes deverão ser sequenciados para que os dispositivos reconheçam os pacotes e respondam de forma adequada

2. Segmentação na camada de transporte

   • Camada de transporte possui a capacidade de realizar segmentação dos dados recebidos das camadas superiores
   • A segmentação objetiva evitar futuras fragmentações pela camada de rede
     • Dessa forma, avalia-se o MTU suportado na rede e partir desse valor, define-se o tamanho de cada segmento
     • Essa unidade é conhecida como MSS (Max Segment Size), ou seja, tamanho máximo do segmento
   • Na maioria das redes, temos o protocolo Ethernet, o que nos leva a um MTU padrão de 1500 bytes
     • Como esses 1500 bytes correspondem ao cabeçalho e área útil da camada de rede, na perspectiva da camada de transporte, deve-se descontar o tamanho do cabeçalho da camada de rede

3. Sequenciamento e controle de fluxo

   • Motivação
     • Pelo protocolo TCP/IP comutar pacotes através do protocolo IP, não há garantia de entrega na devida ordem dos diversos pacotes
       • Cada um pode seguir rotas distintas
       • Além da possibilidade de ocorrência de perdas
     • Para que tal situação seja devidamente controlada, utiliza-se o recurso de marcação dos pacotes com números de sequência
       • Isso permite que o destinatário tenha condições de remontar a informação original
       • Além disso, como vimos, utiliza-se o recurso de confirmação de recebimento através do envio de pacotes do tipo ACK
   • Funcionamento da troca de mensagem
     • Confirmação de cada segmento
       • HOST A envia mensagem com número de SEQ = X, ACK = Y
         • SEQ = X indica que o segmento X é transmitido
         • ACK = Y solicita o segmento Y confirmando a chegada do Y-1
       • O HOST B, para confirmar, manda uma mensagem com ACK=X+1, informando que está esperando uma nova mensagem na sequência
         • O HOST B, no mesmo pacote de resposta anterior, gera um novo número de SEQ = Y
       • O HOST A, sabendo que o pacote foi recebido, manda o pacote seguinte com SEQ=X+1 e confirma o recebimento da resposta com ACK=Y+1
     • Janela deslizante
       • Busca otimizar a troca de dados em um meio estável e com pouquíssimas perdas
         • Nesse cenário, enviar apenas um segmento por vez e aguardar a confirmação gera uma grande perda de tempo
       • Portanto, na prática, envia-se diversos segmentos com quantidade prevista no campo WINDOW do protocolo TCP
         • Supondo que um cliente Web browser informe uma janela = 3000 e ACK = 1000, isso significa que ele solicita o próximo segmento 1000 até o limite de 3000
           • Técnica da partida lenta
             • No início da transmissão, o protocolo define o tamanho inicial de 1MSS [RFC 3390] para o tamanho da Janela
             • Consiste em incremento do tamanho da janela deslizante de 1 MSS para cada ACK recebido
               • De forma prática, o protocolo duplica a janela a cada conjunto de segmentos enviados e recebidos corretamente
               • Caso haja uma perda, o valor da janela é restaurado a 1 MSS e recomeça o procedimento de incremento
             • Entretanto, tem-se definido um valor que chamaremos de LIMIAR sendo, por padrão, o seu valor de 64kbytes
               • Uma vez que se atinge este valor, o incremento passa a ser de 1 MSS
                 • Esse procedimento é conhecido como a técnica de prevenção de congestionamento
               • Para cada perda, o algoritmo redefine esse valor de limiar como sendo a metade do tamanho da janela deslizante corrente quando houve a perda
                 • Isto é, se a janela estava em 40kbytes, o novo valor do LIMIAR será de 20kbytes
         • Dessa forma, o web server enviará as sequências solicitadas começando de 1000 até 3000
           • Tendo recebido todos os segmentos sem erros, o cliente solicita o próximo segmento (4000) podendo inclusive aumentar o tamanho da janela
           • Há uma dinamicidade do tamanho da janela em relação ao comportamento da rede
   • Erros na transferência de dados
     • Para toda mensagem enviada, em caso de confirmação por segmento, inicia-se um timer de controle interno
       • Caso esse tempo expire e não haja o recebimento da confirmação, envia-se novamente o pacote
     • Mesmo que uma mensagem seja recebida, existe a possibilidade de perda do ACK
       • Como o emissor não tem ciência do recebimento do segmento por causa da perda do ACK, há o TIMEOUT e este envia novamente
       • Tem-se um caso de duplicação da informação no destino
         • Nesse cenário, a informação duplicada é descartada e o receptor envia novamente um ACK para avisar do recebimento
     • Retransmissão de pacotes em caso de erros com transmissão com janela
       • Go-Back-N: a nomenclatura N é utilizada de acordo com o tamanho da janela
         • Havendo uma perda de qualquer pacote na sequência, todos os demais pacotes posteriores recebidos serão descartados
         • Obrigando o transmissor a retransmitir as informações a partir do pacote perdido
       • Retransmissão seletiva: conhecido também como SACK (Selective ACK)
         • Nesse modelo, caso haja perda, os pacotes recebidos posteriormente, serão armazenados em buffer aguardando a retransmissão apenas do pacote perdido
         • Entretanto, caso haja a perda de um pacote intermediário, o transmissor não enviará mensagens indefinidamente
           • Ele preencherá apenas o tamanho da janela, sendo que o início da janela estará “preso” ao recebimento do pacote perdido

4. Stream Control Transmission Protocol (SCTP)

   • Características
     • Surgiu como alternativa intermediária aos protocolos UDP e TCP
     • Não é tão burocrático como o TCP, porém implementa alguns métodos de controle, coisa que o UDP não faz
     • É um protocolo confiável, uma vez que utiliza recurso de reconhecimento das mensagens transmitidas
       • Muitas falhas de segurança do TCP foram corrigidas em sua implementação
       • Possui suporte à mobilidade em termos de transporte
     • Além disso, é um protocolo orientado a conexões com alto nível de eficiência na transferência dos dados
   • Implementação de novos recursos
     • MultiHoming – Múltiplos endereços IP podem ser acessados para um mesmo destino
     • MultiStreaming – Em uma mesma conexão, pode-se ter diversos fluxos independentes de dados

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