Il protocollo TCP è stato progettato per garantire una trasmissione affidabile, su una rete non affidabile. Esso inoltre offre una comunicazione detta full-duplex, cioè in cui il flusso dati tra mittente e destinatario è bidirezionale. Più precisamente i flussi dati, con direzione diverse, possono coesistere contemporaneamente. Ciò vuol dire che un generico host potrà trasmettere dati ad un altro e nello stesso momento riceverne dati senza che ciò comprometta l'affidabilità della trasmissione.
La connessione TCP offre all'applicazione che si trova al livello superiore l'impressione di usufruire di una linea dedicata (mentre in realtà, come sappiamo, si tratta solo di un canale logico). In questo senso le sue funzioni assomigliano a quelle di una connessione telefonica fra due utenti: anche in questo caso abbiamo una connessione full-duplex (entrambi possono parlare contemporaneamente)e inoltre i due utenti hanno l'impressione che vi sia un collegamento diretto fra i loro apparecchi telefonici (anche se in realtà non è così). Inoltre, come vedremo più avanti, come nella conversazione telefonica, anche nel protocollo TCP ci sono delle procedure per stabilire la connessione (come es. fare il numero sul telefono) e per abbatterla (es. chiudere la conversazione).
La connessione TCP viene anche detta point-to-point (punto a punto), cioè con un solo mittente e un solo destinatario. Questo la differenzia da altri tipi di trasmissione, come per esempio il broadcast, dove la sorgente è unica ma i destinatari sono tutti gli altri nodi connessi,
Le caratteristiche principali del TCP possono essere così riassunte:
- Multiplexing e demultiplexing di più trasmissioni su un
unico canale
- Trasferimento affidabile dei dati
Viene garantito un servizio di dati affidabile ovvero che tutti i dati inviati dal mittente siano recapitati al destinatario e senza errori. Se qualche pacchetto va perduto durante la trasmissione, TCP si occuperà di rilevare questa mancata ricezione e procederà a ritrasmetterlo.
- Segmentazione e ordinamento corretto dei pacchetti
Il messaggio può essere suddiviso fra più segmenti e ogni segmento viene adeguatamente contraddistinto e numerato. Questa funzionalità è estremamente importante per la corretta comprensione del messaggio da parte dell'applicazione destinazione. Infatti può accadere che i pacchetti contenenti l'informazioni subiscano ritardi all'interno della rete per via del congestionamento della stessa, e quindi può accadere che arrivino alla destinazione non in ordine. TCP si occupa dunque di riassemblare, in maniera corretta, il messaggio e inoltrarlo al livello superiore.
- Controllo del flusso e della congestione
Il TCP controlla che un host più veloce nella trasmissioni dati non mandi in overflow il buffer di ricezione di un altro host più lento. Infatti se il TCP si accorge che l'applicazione dell'host destinazione ha difficoltà nella lettura dei dati presenti nel buffer di ricezione, abbassa la frequenza di trasmissione del mittente al fine di equilibrare le prestazioni dei due host. Analogamente se il TCP si accorge che c'è un congestionamento nella rete impone all'host mittente di diminuire la frequenza di trasmissione dei pacchetti per evitare di aumentare ulteriormente la congestione.
La Protocol Data Unit (PDU) del protocollo TCP si chiama tecnicamente segmento (segment). Come ogni PDU anche il segmento è composto da un header e da una parte di dati (body).
In generale i dati che TCP deve trasmettere sono quelli che gli vengono passati dal livello superiore, al quale fornisce i servizi. Se consideriamo di nuovo il semplice esempio della richiesta di una pagina web da un browser a un web server, il browser si serve di TCP per inviare la richiesta e, in modo simile, il server usa TCP per recapitare al browser la risposta. I dati da trasmettere, in entrambi i casi, sono costituiti da una payload del livello HTTP, cioè di un'intera PDU del livello superiore.
Per motivi pratici cui abbiamo già accennato più volte in precedenza, non è conveniente trasmettere in rete un blocco di dati troppo grosso, poiché esso potrebbe andar perso o risultare danneggiato durante la trasmissione (e quindi potrebbe essere necessario ritrasmetterlo integralmente). Per esempio non è opportuno trasmettere in un "blocco unico" un'intera immagine di alcuni megabyte di dimensione, ma conviene suddividerla prima della trasmissione in parti più piccole.
Di questa operazione di suddivisione si occupa appunto il TCP (una ulteriore suddivisione in pacchetti può essere anche effettuata sul livello inferiore dal protocollo IP). Pertanto, a seconda dei casi, la parte di dati di un segmento TCP potrebbe:
- contenere un'intera PDU del livello superiore (es. HTTP),
nel caso in cui questa fosse abbastanza piccola;
- contenere solo una porzione di una PDU, nel caso in cui si rendesse necessario segmentarla.
Per essere ancora più specifici, è ragionevole ad esempio che una richiesta GET di pagina web possa stare interamente in un unico segmento (essendo molto piccola), mentre la risposta a tale richiesta potrebbe essere suddivisa in più segmenti diversi. Si osservi a questo proposito la figura seguente in cui vengono sinteticamente mostrati entrambi i casi:
Si noti come nel primo caso la PDU HTTP sia stata semplicemente incapsulata all'interno di un unico segmento, in quanto le sue dimensioni erano inferiori alle massime dimensioni di un segmento. Nel secondo caso invece la PDU è stata divisa in due parti, che, con l'aggiunta di un header TCP, sono diventate due segmenti separati.
E' importante notare come il protocollo TCP deve occuparsi sia della suddivisione in segmenti della PDU in trasmissione che, in ricezione, della sua ricostruzione a partire dai segmenti ricevuti.
Per quanto riguarda le dimensioni dei segmenti, non è certamente nostra intenzione approfondire troppo l'argomento. In generale le massime dimensioni di un segmento devono rispettare i limiti imposti alle dimensioni dei pacchetti dalle reti che bisogna attraversare (Maximum Trasmission Unit – MTU). Un tipico valore per MTU sono i 1500 byte imposti dalle reti Ethernet. A tale valore bisogna però sottrarre lo spazio occupato dall'header aggiunto dal livello IP sottostante, per cui si ottiene come massima dimensione dei segmenti il valore tipico di 1460 byte per la parte dati cui vanno aggiunti 20 byte per l'header TCP, per un totale di 1480 byte.
La figura seguente mostra come una PDU proveniente da una applicazione di livello superiore viene suddivisa in segmenti TCP con l'aggiunta di un header e quindi tali segmenti vengano incapsulati in pacchetti del livello inferiore (IP):
Fatte le precedenti premesse, possiamo ora dare un'occhiata alla struttura di un segmento TCP:
Notiamo anzitutto la tipica suddivisione in una parte di header (in giallo) e in una parte di dati (in rosa). Esaminiamo quindi un po' più nel dettaglio le parti principali che lo compongono:
- Source Port e Destination Port sono il numero della
porta sorgente e di quella destinazione, esattamente come
abbiamo visto per il protocollo UDP.
- Il numero di sequenza (Sequence number) e il numero di riscontro
(Acknowledgment number) sono due valori fondamentali per
stabilire l'ordine e la sequenza dei segmenti. Ciò è di
grande importanza quando bisogna rimettere in ordine i
segmenti ricevuti oppure quando bisogna chiedere la
ritrasmissione di un segmento perso.
- Il campo checksum contiene un numero che serve per
verificare se il pacchetto ricevuto è integro oppure
contiene errori.
- Il campo Flag è composto da sei bit, i cui valori
vengono utilizzati per effettuare l'handshake iniziale (vedi
lezione successiva) e per implementare il servizio di ritrasmissione dei
pacchetti. In particolare i flag (ciascuno corrispondente a
un singolo bit) hanno i seguenti nomi e le seguenti funzioni:
- URG: indica che il campo Urgent Pointer contiene un valore significativo;
- ACK: indica che il campo Acknowledgment Number contiene un valore significativo; tutti i segmenti inviati dopo il segmento SYN iniziale (inizio connessione) devono avere questo flag settato (a uno);
- PSH: chiede all'applicazione ricevente di effettuare un push dei dati;
- RST: resetta la connessione;
- SYN: sincronizza i numeri di sequenza. Solo il primo segmento inviato da ogni host deve avere questo flag settato;
- FIN: fine della connessione; non ci sono più dati da inviare.
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