Práctica Redes y Servicios de Comunicaciones: Implementación de TCP sobre UDP

Para poder conseguir una implementación de TCP sobre UDP el primer paso es poder tener un formato de trama en el que incluir la información de:

• tipo de segmento: inicio de conexión (SYN), fin de conexión (FIN), nadie escucha (RST), asentimiento (ACK), error (ERR)
• tamaño de ventana (win)
• número de asentimiento
• número de secuencia
• tamaño del segmento
  

        typedef struct ttcp_udp_header{

                          unsigned short size; // Número de bytes de datos del segmento 
 
                          unsigned short type;

                          unsigned long ack;

                          unsigned long seq;

                          unsigned short win;

                       } *tcp_udp_header;
 	  

La abstracción de sockets TCP_UDP que maneja la biblioteca a desarrollar debe de tener una serie de propiedades que nos permitirán implementar la funcionalidad de TCP. En los ficheros entregados se propone una estructura denominada stcp_socket que contiene las propiedades recomendadas que debe de tener una conexión:

• estado de la conexión
• descriptor del socket UDP
  
• indicación de si el socket es activo o pasivo
• uúmeros de secuencia del siguiente byte a enviar/recibir
• último números de asentimiento enviado/recibido
• tamaño de ventana anunciado por el otro extremo (win) 
• tamaño de la ventana de congestión (cwnd)
• umbral de la ventana de congestión (ssthresh)
• buffer de envío
• buffer de recepción
• temporizador de segmentos pendientes de confirmación

Debemos de implementar una máquina de estados que refleje como debe de actuar la conexión en cada momento dependiendo de las entradas. No es necesario implementar el total de estados de TCP, pues nos limitaremos a establecimientos y liberaciones de conexiones no simultáneas (three way handshake). En cuanto al interfaz programático, debe de realizarse igual que en TCP:

• Las conexiones de tipo activo, se conectarán cuando se invoque su función tcp_connect(), devolviendo el resultado de la operación 0 (éxito), ó -1 (error).
• Las conexiones de tipo pasivo sobre las que se haya invocado tcp_accept(), recibirán una referencia a la nueva conexión (en caso de éxito), ó -1 en caso de error.
• Al invocar tcp_close() las conexiones devolverán 0 (éxito), ó -1 (error).

• el último byte recibido es el número seq0
• se recibe un segmento de tamaño size con número de secuencia seq1
  
• si hay suficiente espacio para almacenar los datos del segmento fuera de secuencia y todos los que faltan (seq1+size-seq0)se almacena, y en caso contrario se tira

• se recibe solicitud de escritura de size bytes
• se divide la solicitud de escritura en trozos de tamaño MSS (si size%MSS != 0 habrá un trozo menor que MSS)
• se van copiando a la cola de transmisión para su envío (sino caben los size bytes se copian los que caben)
• en el momento en que todos los datos copiados a la cola de transmisión han sido enviados se devuelve el número de bytes enviados

Cada conexión tiene un contador de números de secuencia que utiliza para numerar cada uno de los bytes que envía. Distintas conexiones tendrán distintos números de secuencia. En el caso de los servidores, hay que tener en cuenta que el número de secuencia junto con la dirección del otro extremo, se utilizan para distinguir los segmentos recibidos de una u otra conexión. Estos números de secuencia también nos sirven para saber a que datos se refiere un asentimiento recibido.

De la aplicación iremos recibiendo buffers con datos para enviar al otro extremo. A la hora de ir haciendo los sendto, deberemos de ir teniendo en cuenta el tamaño de la ventana de congestión, su umbral, y el de la ventana de recepción que anuncia el otro extremo. Debemos de implementar el mecanismo de slow start, a fin de garantizar que no vamos a congestionar la red y que en caso de congestión disminuiremos nuestra tasa de envío y cwnd.

Cuando recibamos un datagrama con la indicación de error (ERR) debemos pedir retransmisión, enviando un ack duplicado.

Los temporizadores tendrán un valor fijo de 1 segundo. El numero de retransmisiones que deberemos de hacer será de seis intentos.

En caso de que venza el temporizador de envío y no hayamos recibido el ack de un datagrama, deberemos realizar la retransmisión del datagrama en cuestión. Además estos eventos también pueden influir en la percepción de congestión, afectando al parámetro ssthresh.

Hay que considerar también los temporizadores de los segmentos de establecimiento (SYN) y liberación (FIN) de conexión, y el temporizador final de 2MSL (que a efectos prácticos valdrá 2 segundos).

Es conveniente utilizar algún mecanismo de comunicación entre procesos (IPC) para compartir datos entre los procesos que utilizan la biblioteca. Por ejemplo, si una aplicación llama a tcp_accept() sobre un socket pasivo, obtiene un nuevo socket conectado (hijo) y posteriormente hace un fork(), ambos procesos deben tener acceso al socket pasivo y al hijo. Además ambos comparten el mismo socket UDP, que es único para todos los sockets que se obtengan de sucesivas llamadas a tcp_accept sobre un mismo socket pasivo.

Lo que proponemos es utilizar memoria compartida de forma que todos los objetos stcp_socket que gestiona la biblioteca se encuentren en una zona de común acceso a todos los procesos, y que los descriptores de los stcp_socket sean un offset dentro de la memoria compartida a la zona correspondiente al socket en cuestión. En el material entregado se encuentran las funciones para crear y liberar la memoria compartida.

• dos arrays (rx_buf y tx_buf) para almacenar los datos (recepción/transmisión)
• seis índices (tres por array de datos) para indicar el frente, el final y el número de elementos de cada cola
• dos arrays auxiliares (rx y tx) que contienen información adicional de cada segmento de datos almacenado en la cola, en concreto el número de secuencia del segmento, los índices al primer y último bytes del segmento en el array de datos, y un indicador de si la estructura esta libre u ocupada.

•  insertar un segmento en una cola (encolar_segmento)
• extraer un segmento de la cola de envío (desencolar_segmento_tx) y devolver el número de secuencia del segmento
• extraer un segmento de la cola de recepción (desencolar_segmento_rx) y copiar los datos en un buffer
  

•  marcar el frente de la cola como libre, 
• avanzar el frente de la cola al siguiente elemento, 
• cambiar su valor teniendo en cuenta el valor del elemento anterior (pues cada uno es relativo al anterior) y el instante de tiempo actual, y
• activar de nuevo el temporizador con el valor del elemento en el nuevo frente

Para la gestión de temporizadores se recomienda el uso de las funciones setitimer y getitimer con el ITIMER_REAL. La señal SIGALRM se entregará al proceso en cuyo socket hay que retransmitir un segmento, y si se ha registrado previamente un manejador para esta señal (con sigaction) se ejecutará la función indicada.

También resulta aconsejable registrar manejadores para cuando haya datos disponibles en el socket UDP. En caso de que los datos puedan ser para varios sockets distintos, se puede optar por dos alternativas.

• Utilizar lecturas (recvfrom) con bandera MSG_PEEK de forma que si el segmento no es para el socket de este proceso se puede volver a consumir en sucesivas lecturas por otro proceso.
• Si tenemos actualizados los valores SEQ y ACK de los distintos sockets, podemos consultar en aquellos que tengan nuestro mismo puerto y encolarlo en la cola de recepción correcta.

Para homogeneizar las prácticas se entrega un fichero con las definiciones de funciones a implementar por la práctica, asi como el entramado: tcp_udp.h. En caso que se opte por la utilización de manejadores de señales se da un ejemplo de parte de un servidor.

• Entrega: Código fuente y Makefile de la práctica. 
• Plazo: 5 de Febrero de 2004.
• Modo de entrega: en el directorio $HOME/rysc/febrero de vuestra cuenta.

Especificaciones:

• RFC 793: TCP
• RFC 768: UDP
• RFC 2581: Control de congestión en TCP
• Manual de sockets
• Ejemplos de cliente/servidor UDP
• Ejemplo de sendto/recvfrom
• Páginas del manual: getitimer (es, eng), poll (es, eng), recvfrom (es, eng), sendto (es, eng), sigaction (es, eng), select (es, eng), udp (es, eng), socket (es, eng)