# TCP

`TCP`, acronimo di *Transmission Control Protocol*, è un protocollo del livello 4 (transport layer) che si distingue per il suo approccio connection-oriented, a differenza di UDP. Questo significa che TCP stabilisce una connessione affidabile tra i processi degli host prima di iniziare lo scambio di informazioni, garantendo così una trasmissione sicura e ordinata.

## Caratteristiche principali

- **Connection-Oriented**: prima dell'invio dei dati, TCP stabilisce una connessione tra le due estremità attraverso il meccanismo del `three-way handshake` (`SYN`, `SYN-ACK`, `ACK`). La chiusura della connessione avviene in modo simile, utilizzando un meccanismo che assomiglia a un three-way handshake (`FIN`, `FIN-ACK`, `ACK`)

- **Affidabilità**: TCP è progettato per ambienti in cui è fondamentale non perdere informazioni. TCP effettua la *rilevazione degli errori* mediante il controllo del checksum, in modo analogo a UDP. Inoltre, garantisce il corretto ordinamento dei segmenti, poiché questi potrebbero pervenire in ordine diverso da quello in cui sono stati inviati. Infine, TCP scarta i pacchetti duplicati, assicurando la precisione e l'integrità dei dati trasmessi

- **Full Duplex**: la comunicazione è bidirezionale, ovvero i dati possono essere inviati e ricevuti simultaneamente su entrambi i lati della connessione.

- **Controllo del flusso e della congestione**: TCP regola la velocità di invio dei dati in base alla capacità del ricevente, evitando di sovraccaricarlo. Questa gestione avviene attraverso meccanismi di controllo delle finestre di trasmissione e ricezione. Inoltre, TCP adotta algoritmi per il controllo della congestione, riducendo la velocità di trasmissione in caso di congestione della rete

## Segmento TCP

L'header del segmento TCP può variare da 20 byte (minimo) a 60 byte (massimo), e incapsula il payload, ovvero il messaggio generato dall'application layer.

![tcp](asset/img/tcp.png)

I campi principali dell'header TCP sono i seguenti:

- **Porta Sorgente** (16 bit o 2 byte)
- **Porta Destinazione** (16 bit o 2 byte)
- **Sequence Number** (`SEQ`) (32 bit o 4 byte): rappresenta il numero del primo byte del segmento TCP trasmesso
- **Acknowledgment Number** (`ACK`) (32 bit o 4 byte): utilizzato dal destinatario per confermare la ricezione di `n` byte. Se il mittente invia `n` byte di dati, il destinatario risponderà con un un segmento con il campo ACK impostato a `n+1`. Questo valore indica che sono stati ricevuti correttamente `n` byte e che il prossimo byte atteso ha un numero di sequenza con un valore di `n+1`. Il punto di partenza del Sequence Number non è obbligatoriamente 0, ma dipende dall'`ISN` (*Initial Sequence Number*), che viene scelto casualmente tra 0 e 2^32-1
- **Flags** (6 bit): Ogni bit rappresenta un flag con una funzione specifica.
  - **URG** (Urgent): indica che il campo `Urgent Data Pointer` contiene informazioni importanti che devono essere gestite
  - **PUSH**: il mittente richiede al destinatario di inviare immediatamente i dati all'application layer
  - **ACK**: attivato se il campo Acknowledgment Number contiene un valore valido
  - **SYN**: attivato durante l'instaurazione di una connessione
  - **FIN**: Attivato per segnalare la chiusura della connessione
  - **RST** (Reset): utilizzato per interrompere bruscamente la connessione
- **Checksum** (16 bit): controllo degli errori nel segmento TCP.
- **Options** (40 byte): Campo opzionale che può contenere informazioni aggiuntive per la gestione della connessione.
- **Receive Window** (16 bit): campo utilizzato per la gestione del flusso e delle finestre. Il destinatario indica al mittente la dimensione massima della finestra di ricezione

## Gestione del flusso

Il controllo del flusso in TCP viene realizzato tramite il meccanismo delle *finestre*, che aiuta a evitare che il mittente sovraccarichi il destinatario. In particolare:

- La `Receive Window` (finestra di ricezione) impostata dal destinatario indica quanti byte è in grado di accogliere
- Il mittente regola la quantità di dati inviati in base a questo valore (`Send Window`), garantendo che il destinatario non venga sopraffatto. La dimensione della finestra di invio può essere dinamica e viene regolata in base alla capacità di ricezione del destinatario e alle condizioni della rete.
- A livello di invio, la `congestion window` può ulteriormente limitare il flusso in base alle condizioni di rete

## Apertura della Connessione TCP

Il processo di apertura di una connessione TCP prevede l'esecuzione del `three-way handshake`, che si compone di tre fasi fondamentali: `SYN`, `SYN/ACK` e `ACK`. Prima di poter trasmettere dati, entrambe le parti devono stabilire un canale di comunicazione; di solito una delle due attiva la richiesta di connessione.

La comunicazione TCP è *full-duplex*, cioè entrambi gli host possono inviare e ricevere dati simultaneamente. Ogni host gestisce indipendentemente la propria finestra di invio e quella di ricezione.

![three-way-handshake](asset/img/three-way-handshake.png)

### 1. Inizializzazione (SYN)

- **Host A**:
  - Invia un segmento TCP (chiamato `segmento SYN`) rivolto a B
  - Il segmento contiene un numero di sequenza iniziale (ISN), ad esempio 1001, che identifica il primo byte del segmento TCP trasmesso
  - Viene impostata la flag `SYN` per indicare l'intenzione di stabilire una connessione

### 2. Risposta (SYN/ACK)

- **Host B**:
  - Ricevendo il segmento `SYN` di A, decide di rispondere.
  - B genera il proprio numero di sequenza iniziale `ISN`, ad esempio 2001
  - Invia a A un segmento contenente il numero di sequenza (ISN) impostato ad esempio a 2001, con la flag `SYN` attiva
  - La flag `ACK` attiva per confermare di aver ricevuto il segmento inviato da A
  - Il campo `ACK number` viene impostato al valore 2001 (ISN di A + 1), supponendo che il SEQ di A fosse 1001, e che il segmento TCP di A fosse di 1000 byte (ISN di A + lunghezza dati + 1)
  - Inoltre, B indica il valore della sua `Receive Window`, che servirà ad A per regolarsi nella trasmissione dei dati

### 3. Conferma (ACK)

- **Host A**:
  - Riceve il segmento `SYN/ACK da B
  - In risposta, invia un segmento TCP con il numero di `SEQ` impostato al valore atteso da B (2001)
  - Flag `ACK` attiva e il relativo valore di `ACK number` adeguato, ad esempio 3001, qualora B avesse incluso 1000 byte nel suo segmento (ISN di B + lunghezza dati + 1)
  - Un campo `Receive Window` che indica ad B la quantità di dati che A è pronta a ricevere