Protocollo UDP: Caratteristiche e Struttura

UDP (User Datagram Protocol)

• UDP è un protocollo di trasporto senza connessione, il che significa che non richiede l'instaurazione di una connessione tra mittente e destinatario.
• I segmenti UDP possono essere persi o consegnati fuori sequenza.
• UDP è un protocollo semplice: non prevede lo stato di connessione nel mittente e nel destinatario.
• Gli header dei segmenti UDP sono brevi.
• UDP non fornisce il controllo della congestione e può quindi inviare raffiche di pacchetti dati.
• UDP è spesso utilizzato nelle applicazioni multimediali, perché tollera piccole perdite e è sensibile al tasso di frame.
• Altri impieghi di UDP includono DNS e SNMP.
• Per ottenere un trasferimento affidabile con UDP, è necessario aggiungere l'affidabilità al livello di applicazione.

Struttura del segmento UDP

• Il segmento UDP contiene il numero di porta sorgente e destinazione, la lunghezza in byte del segmento UDP (incluso l'header), il checksum e i dati dell'applicazione.

Checksum UDP

• Il checksum UDP serve a rilevare gli "errori" (bit alterati) nel segmento trasmesso.
• Il mittente calcola il checksum sommando le parole di 16 bit del contenuto del segmento, incluso il checksum.
• Il ricevente controlla se il risultato corrisponde a una parola di 16 bit tutti uguali a 1.

TCP (Transmission Control Protocol)

• TCP è un protocollo di trasporto orientato alla connessione, che significa che richiede l'instaurazione di una connessione tra mittente e destinatario.
• TCP fornisce un trasferimento dati affidabile, garantendo l'ordine di consegna dei segmenti.
• TCP fornisce il controllo di flusso, che permette al ricevitore di controllare la velocità di trasmissione del mittente.
• TCP gestisce la connessione tramite handshake: il mittente e il ricevitore si scambiano segmenti di sincronizzazione (SYN) e acknowledgment (ACK).
• TCP fornisce il controllo della congestione per gestire il sovraccarico della rete.

RTT (Round Trip Time)

• RTT è il tempo misurato dalla trasmissione di un segmento fino alla ricezione dell'ACK.
• SampleRTT varia, è quindi necessario una stima "più livellata" di RTT.
• La media di più misure recenti viene utilizzata per dare più stabilità alla stima di RTT.

Retransmission TimeOut (RTO)

• RTO è l'intervallo di tempo in cui il mittente aspetta un ACK prima di ritrasmettere un segmento.
• RTO è calcolato come EstimatedRTT più un "margine di sicurezza".
• DevRTT è una stima della deviazione standard del SampleRTT rispetto all'EstimatedRTT.
• RTO viene impostato in base all'EstimatedRTT e al DevRTT.

Inizializzazione di TCP

• RTO viene inizializzato a 1 secondo.
• La prima misura di RTT viene utilizzata per inizializzare EstimatedRTT e DevRTT.

Controllo di flusso TCP

• Il ricevitore comunica al mittente quanto spazio libero è disponibile nel proprio buffer di ricezione, in modo che il mittente non invii troppi dati.
• Il mittente limita la quantità di dati in volo al valore della RWND (Receive Window) indicata dal ricevitore.

Controllo di congestione TCP

• Il controllo di congestione serve a gestire il sovraccarico della rete evitando di inviare troppi dati.
• Il controllo di congestione è diverso dal controllo di flusso.
• Se la rete è congestionata, TCP riduce la velocità di trasmissione dei dati.

Modelli per sistemi a coda

• Un sistema a coda comprende una "fila d'attesa" e un server.
• Il tasso di arrivo è il numero medio di pacchetti che entrano nella coda per unità di tempo.
• Il tasso di servizio è il tempo medio richiesto dal server per servire un pacchetto.

Algoritmo di controllo di congestione TCP

• L'algoritmo di congestione di TCP tiene traccia della dimensione della finestra di congestione (CWND).
• TCP utilizza un algoritmo esponenziale per aumentare la CWND e un algoritmo lineare per diminuirla.
• TCP entra in una fase di congestion avoidance quando la CWND è maggiore della SSTHRESH (Slow Start Threshold).
• TCP passa alla fase di Slow Start quando la CWND è minore di SSTHRESH.
• Durante la Slow Start, la CWND viene aumentata di un MSS (Maximum Segment Size) per ogni ACK ricevuto.
• Durante la Congestion Avoidance, la CWND viene aumentata di un MSS per ogni RTT trascorso.
• Durante la Fast Recovery, la CWND viene ridotta alla metà del suo valore precedente.
• Quando un timeout si verifica, TCP rientra in Slow Start e resetta la CWND a 1 MSS.
• Fast Retransmit e Fast Recovery sono meccanismi per gestire la perdita di segmenti in modo più efficiente rispetto al timeout.
• Fast Retransmit ritrasmette immediatamente il segmento perso, senza attendere un timeout.

Prestazioni di TCP

• Il controllo di congestione TCP è stato progettato per garantire la stabilità della rete.
• Le prestazioni di TCP possono essere compromesse da fattori come il ritardo di latenza e la perdita di pacchetti.

Macchina a stati dell'algoritmo di controllo di congestione in TCP

• L'algoritmo di congestione TCP può essere rappresentato con una macchina a stati.
• La macchina ha diversi stati: Slow Start, Congestion Avoidance, Fast Recovery.
• La macchina cambia stato in base alla ricezione di ACK, ACK duplicati, timeout.

Un'altra macchina a stati TCP

• Esistono diverse varianti della macchina a stati di TCP.
• La variante presentata nell'immagine mostra una macchina a stati più complessa con diversi stati aggiuntivi come Fast Retransmit, Fast Recovery e RTO.
• La macchina cambia stato in base alla ricezione di ACK, ACK duplicati, timeout e altri eventi.

Formula approssimata per il throughput di TCP

• Questa formula approssimata per il throughput di TCP è derivata da Mathis et al., "The macroscopic behavior of the TCP congestion avoidance algorithm", 1997.
• La formula è: vThr 𝑅𝑇𝑇, 𝑝 [Gbit/s] < 4 -.. 0
• Le variabili includono:
  • p = Probabilità di perdere un pacchetto
  • MSS = dimensione massima del segmento [Byte]
  • RTT = tempo di andata e ritorno [s]
• Esempio: RTT = 220 ms, MSS = 1460 Byte, p = 10"## à THR = 2.1 Gbit/s

Problemi di equità (fairness) in TCP

• Le applicazioni multimediali non usano quasi mai TCP perché non vogliono ridurre il tasso di trasmissione a causa del controllo di congestione.
• Queste applicazioni usano UDP, inviando audio e video a un tasso costante e tollerando o compensando le perdite di pacchetti.
• Le applicazioni TCP possono aprire più connessioni in parallelo.
• Ad esempio, un web browser può aprire più connessioni TCP su un singolo host.
• Se ci sono 9 connessioni TCP esistenti su un link con banda R e una nuova applicazione apre 1 TCP, questa otterrà una banda R/10.
• Se la stessa applicazione apre 9 connessioni TCP, otterrà una banda R/2.

Futuro di TCP

• La versione di TCP che abbiamo studiato è basata sulle perdite, il che significa che reagisce solo dopo che si verifica una perdita.
• Questo può essere considerato "tardi" per rispondere alla congestione.

TCP e controllo di congestione

• Il controllo della congestione di TCP rallenta la trasmissione in base solo alle informazioni sui pacchetti persi.
• Questo ha funzionato bene per molti anni, specialmente con i buffer limitati degli switch e router Internet e le basse larghezze di banda dei collegamenti Internet.
• Oggi è necessario un algoritmo che risponda alla congestione effettiva, non solo alla perdita di pacchetti.
• Alcune soluzioni promettenti includono CubiC, BBR e QUIC.

CUBIC

• CUBIC è un algoritmo di controllo della congestione di rete in TCP che fa variare la lunghezza della finestra di congestione in base a una funzione cubica del tempo.
• Questo migliora la scalabilità e la stabilità su reti veloci e a lunga distanza.
• CUBIC è stato utilizzato come impostazione predefinita nel kernel Linux per diversi anni e adottato da Windows solo nel 2017.

Principi di CUBIC

• CUBIC utilizza sia profili concavi che convessi di una funzione cubica per aumentare la dimensione della finestra di congestione, ottimizzando l'utilizzo e la stabilità della rete.
• Dopo una congestione, la finestra viene scalata di 𝛽 (0.7), non di 0.5, trovando un equilibrio tra scalabilità e velocità di convergenza.
• CUBIC è "TCP-friendly", il che significa che non penalizza eccessivamente i flussi TCP standard che condividono lo stesso collegamento di bottleneck.

Funzione cubica per la CWND in CUBIC

• Il grafico mostra la funzione cubica utilizzata per calcolare la CWND in CUBIC.
• L'asse orizzontale rappresenta il tempo, mentre l'asse verticale rappresenta la CWND.
• La curva mostra come la CWND aumenta nel tempo, seguendo un pattern cubico.

BBR

• Bottleneck Bandwidth and Roundtrip propagation time (BBR) è un algoritmo di controllo della congestione sviluppato da Google nel 2016.
• BBR non si basa più sulle perdite di pacchetti, ma stima due parametri:
  • la banda sul link di bottleneck
  • l'RTT (tempo di andata e ritorno)
• L'obiettivo è trasmettere pacchetti a una velocità che non incontrerebbe accodamento.

BBR

• BBR è progettato per rispondere alla congestione effettiva, invece di basarsi sulla perdita di pacchetti.
• Modella la rete per garantire la velocità della larghezza di banda disponibile.
• BBR è particolarmente vantaggioso in reti con prestazioni non ottimali.
• È un algoritmo lato server.