Capítulo 3: Camada de Transporte

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1 Capítulo 3: Camada de Transporte
Metas do capítulo: compreender os princípios atrás dos serviços da camada de transporte: multiplexação/ desmultiplexação transferência confiável de dados controle de fluxo controle de congestionamento instanciação e implementação na Internet Sumário do Capítulo: serviços da camada de transporte multiplexação/desmultiplexação transporte sem conexão: UDP transporte orientado a conexão: TCP transferência confiável controle de fluxo gerenciamento de conexões controle de congestionamento em TCP 3: Camada de Transporte

2 Serviços e protocolos de transporte
aplicação transporte rede enlace física transporte lógico fim a fim provê comunicação lógica entre processos de aplicação executando em hospedeiros diferentes protocolos de transporte executam em sistemas terminais serviços das camadas de transporte X rede: camada de rede : dados transferidos entre sistemas camada de transporte: dados transferidos entre processos depende de, estende serviços da camada de rede 3: Camada de Transporte

3 Protocolos da camada de transporte
aplicação transporte rede enlace física transporte lógico fim a fim Serviços de transporte na Internet: entrega confiável, ordenada, ponto a ponto (TCP) congestionamento controle de fluxo estabelecimento de conexão (setup) entrega não confiável, (“melhor esforço”), não ordenada, ponto a ponto ou multiponto: UDP serviços não disponíveis: tempo-real garantias de banda multiponto confiável 3: Camada de Transporte

4 Multiplexação/desmultiplexação
Lembrança: segmento - unidade de dados trocada entre entidades da camada de transporte = TPDU: transport protocol data unit Desmultiplexação: entrega de segmentos recebidos para os processos da camada de apl corretos receptor P3 P4 dados da camada de aplicação M M aplicação transporte rede cabeçalho de segmento P1 P2 M M aplicação transporte rede aplicação transporte rede segmento H t M H n segmento 3: Camada de Transporte

5 Multiplexação/desmultiplexação
juntar dados de múltiplos processos de apl, envelopando dados com cabeçalho (usado depois para desmultiplexação) porta remetente porta receptor 32 bits dados da aplicação (mensagem) outros campos do cabeçalho multiplexação/desmultiplexação: baseadas em números de porta e endereços IP de remetente e receptor números de porta de remetente/receptor em cada segmento lembrete: número de porta bem conhecido para aplicações específicas formato de segmento TCP/UDP 3: Camada de Transporte

6 Multiplexação/desmultiplexação: exemplos
estação A porta orig.: x porta dest: 23 servidor B Web client host C porta orig:23 porta dest: x IP orig : C IP dest: B porta orig: y porta dest: 80 IP orig: C IP dest: B porta orig: x porta dest: 80 uso de portas: apl. simples de telnet IP orig: A IP dest: B porta orig: x porta dest: 80 servidor WWW B cliente WWW estação A uso de portas : servidor WWW 3: Camada de Transporte

7 UDP: User Datagram Protocol [RFC 768]
Protocolo de transporte da Internet mínimo, “sem frescura”, Serviço “melhor esforço”, segmentos UDP podem ser: perdidos entregues à aplicação fora de ordem do remesso sem conexão: não há “setup” UDP entre remetente, receptor tratamento independente de cada segmento UDP Por quê existe um UDP? elimina estabelecimento de conexão (o que pode causar retardo) simples: não se mantém “estado” da conexão no remetente/receptor pequeno cabeçalho de segmento sem controle de congestionamento: UDP pode transmitir o mais rápido possível 3: Camada de Transporte

8 Mais sobre UDP outros usos de UDP (por quê?):
Comprimento em bytes do segmento UDP, incluindo cabeçalho muito utilizado para apls. de meios contínuos (voz, vídeo) tolerantes de perdas sensíveis à taxa de transmissão outros usos de UDP (por quê?): DNS (nomes) SNMP (gerenciamento) transferência confiável com UDP: incluir confiabilidade na camada de aplicação recuperação de erro específica à apl.! 32 bits porta origem porta dest. comprimento checksum Dados de aplicação (mensagem) UDP segment format 3: Camada de Transporte

9 Checksum UDP Meta: detecta “erro” (e.g., bits invertidos) no segmento transmitido Remetente: trata conteúdo do segmento como sequência de inteiros de 16-bits campo checksum zerado checksum: soma (adição usando complemento de 1) do conteúdo do segmento remetente coloca complemento do valor da soma no campo checksum de UDP Receiver: computa checksum do segmento recebido verifica se checksum computado é zero: NÃO - erro detectado SIM - nenhum erro detectado. Mas ainda pode ter erros? Veja depois …. 3: Camada de Transporte

10 TCP: Visão geral RFCs: 793, 1122, 1323, 2018, 2581 ponto a ponto:
1 remetente, 1 receptor fluxo de bytes, ordenados, confiável: não estruturado em msgs dutado: tam. da janela ajustado por controle de fluxo e congestionamento do TCP buffers de envio e recepção transmissão full duplex: fluxo de dados bi-direcional na mesma conexão MSS: tamanho máximo de segmento orientado a conexão: handshaking (troca de msgs de controle) inicia estado de remetente, receptor antes de trocar dados fluxo controlado: receptor não será afogado 3: Camada de Transporte

11 TCP: estrutura do segmento
no. porta origem no. porta dest 32 bits dados da aplicação (tam. variável) número de seqüência número de reconhecimento janela receptor ptr dados urg. checksum F S R P A U tam. cab. sem uso Opções (tam. variável) URG: dados urgentes (pouco usados) contagem de dados por bytes (não segmentos!) ACK: no. ACK válido PSH: envia dados já (pouco usado) no. bytes rcpt quer aceitar RST, SYN, FIN: gestão de conexão (comandos de estabelecimento, liberação) checksum Internet (como UDP) 3: Camada de Transporte

12 cenário simples de telnet
TCP: nos. de seq. e ACKs Nos. de seq.: “número”dentro do fluxo de bytes do primeiro byte de dados do segmento ACKs: no. de seq do próx. byte esperado do outro lado ACK cumulativo P: como receptor trata segmentos fora da ordem? R: espec do TCP omissa - deixado ao implementador Estação A Estação B Usuário tecla ‘C’ Seq=42, ACK=79, data = ‘C’ B reconhece chegada de ‘C’, ecoa ‘C’ de volta Seq=79, ACK=43, data = ‘C’ A reconhece chegada do ‘C’ ecoado Seq=43, ACK=80 tempo cenário simples de telnet 3: Camada de Transporte

13 TCP: transferência confiável de dados
event: data received from application above remetente simplificado, supondo: create, send segment fluxo de dados uni-direcional sem controle de fluxo, congestionamento wait for event wait for event event: timer timeout for segment with seq # y retransmit segment event: ACK received, with ACK # y ACK processing 3: Camada de Transporte

14 TCP: transfer-ência confiável de dados
00 sendbase = número de seqüência inicial 01 nextseqnum = número de seqüência inicial 02 loop (forever) { switch(event) event: dados recebidos da aplicação acima cria segmento TCP com número de seqüência nextseqnum inicia temporizador para segmento nextseqnum passa segmento para IP nextseqnum = nextseqnum + comprimento(dados) event: expirado temporizador de segmento c/ no. de seqüência y retransmite segmento com número de seqüência y computa novo intervalo de temporização para segmento y reinicia temporizador para número de seqüência y event: ACK recebido, com valor de campo ACK de y se (y > sendbase) { /* ACK cumulativo de todos dados até y */ cancela temporizadores p/ segmentos c/ nos. de seqüência < y sendbase = y } senão { /* é ACK duplicado para segmento já reconhecido */ incrementa número de ACKs duplicados recebidos para y if (número de ACKs duplicados recebidos para y == 3) { /* TCP: retransmissão rápida */ reenvia segmento com número de seqüência y reinicia temporizador para número de seqüência y } } /* fim de loop forever */ TCP: transfer-ência confiável de dados Remetente TCP simplificado 3: Camada de Transporte

15 TCP geração de ACKs [RFCs 1122, 2581]
Evento chegada de segmento em ordem sem lacunas, anteriores já reconhecidos um ACK retardado pendente chegada de segmento fora de ordem, com no. de seq. maior que esperado -> lacuna chegada de segmento que preenche a lacuna parcial ou completamente Ação do receptor TCP ACK retardado. Espera até 500ms p/ próx. segmento. Se não chegar segmento, envia ACK envia imediatamente um único ACK cumulativo envia ACK duplicado, indicando no. de seq.do próximo byte esperado ACK imediato se segmento no início da lacuna 3: Camada de Transporte

16 TCP: cenários de retransmissão
Host A Estação A Estação B Host B Seq=92, 8 bytes de dados Seq=92, 8 bytes de dados Seq=100, 20 bytes de dados ACK=100 Temp.p/ Seq=92 temporização X ACK=100 Temp. p/ Seq=100 ACK=120 perda Seq=92, 8 bytes de dados Seq=92, 8 bytes de dados ACK=120 ACK=100 tempo tempo cenário do ACK perdido temporização prematura, ACKs cumulativos 3: Camada de Transporte

17 TCP: Controle de Fluxo controle de fluxo
receptor: explicitamente avisa o remetente da quantidade de espaço livre disponível (muda dinamicamente) campo RcvWindow no segmento TCP remetente: mantém a quantidade de dados transmitidos, porém ainda não reconhecidos, menor que o valor mais recente de RcvWindow remetente não esgotaria buffers do receptor por transmitir muito, ou muito rápidamente RcvBuffer = tamanho do Buffer de recepção RcvWindow = espaço vazio no Buffer buffering pelo receptor 3: Camada de Transporte

18 TCP: Tempo de Resposta (RTT) e Temporização
P: como escolher valor do temporizador TCP? maior que o RTT note: RTT pode variar muito curto: temporização prematura retransmissões são desnecessárias muito longo: reação demorada à perda de segmentos P: como estimar RTT? RTTamostra: tempo medido entre a transmissão do segmento e o recebimento do ACK correspondente ignora retransmissões, segmentos com ACKs cumulativos RTTamostra vai variar, queremos “amaciador” de RTT estimado usa várias medições recentes, não apenas o valor corrente (RTTamostra) 3: Camada de Transporte

19 TCP: Tempo de Resposta (RTT) e Temporização
RTT_estimado = (1-x)* RTT_estimado + x*RTT_amostra média corrente exponencialmente ponderada influência de cada amostra diminui exponencialmente com o tempo valor típico de x: 0.1 Escolhendo o intervalo de temporização RTT_estimado mais uma “margem de segurança” variação grande em RTT_estimado -> margem de segurança maior Temporização = RTT_estimado + 4*Desvio Desvio = (1-x)* Desvio + x*|RTT_amostra - RTT_estimado| 3: Camada de Transporte

20 TCP: Gerenciamento de Conexões
Lembrete: Remetente, receptor TCP estabelecem “conexão” antes de trocar segmentos de dados inicializam variáveis TCP: nos. de seq. buffers, info s/ controle de fluxo (p.ex. RcvWindow) cliente: iniciador de conexão Socket clientSocket = new Socket("hostname","port number"); servidor: contactado por cliente Socket connectionSocket = welcomeSocket.accept(); Inicialização em 3 tempos: Passo 1: sistema cliente envia segmento de controle SYN do TCP ao servidor especifica no. inicial de seq Passo 2: sistema servidor recebe SYN, responde com segmento de controle SYNACK reconhece SYN recebido aloca buffers especifica no. inicial de seq. servidor-> receptor 3: Camada de Transporte

21 TCP: Gerenciamento de Conexões (cont.)
Encerrando uma conexão: cliente fecha soquete: clientSocket.close(); Passo 1: sistema cliente envia segmento de controle FIN ao servidor Passo 2: servidor recebe FIN, responde com ACK. Encerra a conexão, enviando FIN. cliente servidor fechar FIN ACK fechar FIN ACK espera temporizada fechada 3: Camada de Transporte

22 TCP: Gerenciamento de Conexões (cont.)
Passo 3: cliente recebe FIN, responde com ACK. Entre em “espera temporizada” - responderá com ACK a FINs recebidos Step 4: servidor, recebe ACK. Conexão encerrada. Note: com pequena modificação, consegue tratar de FINs simultâneos. cliente servidor fechando FIN ACK fechando FIN ACK espera temporizada fechada fechada 3: Camada de Transporte

23 TCP Connection Management (cont)
Ciclo de vida de servidor TCP Ciclo de vida de cliente TCP 3: Camada de Transporte

24 TCP: Controle de Congestionamento
controle fim a fim (sem apoio da rede) taxa de transmissão limitada pela tamanho da janela de congestionamento, Congwin: Congwin w segmentos, cada um c/ MSS bytes, enviados por RTT: vazão = w * MSS RTT Bytes/seg 3: Camada de Transporte

25 TCP: Controle de Congestionamento
“sondagem” para banda utilizável: idealmente: transmitir o mais rápido possível (Congwin o máximo possível) sem perder pacotes aumentar Congwin até perder pacotes (congestionamento) perdas: diminui Congwin, depois volta a à sondagem (aumento) novamente duas “fases” partida lenta evitar congestionamento variáveis importantes: Congwin threshold: define limiar entre fases de partida lenta, controle de congestionamento 3: Camada de Transporte

26 TCP: Partida lenta Algoritmo Partida Lenta initializa: Congwin = 1
Estação A Estação B Algoritmo Partida Lenta um segmento initializa: Congwin = 1 for (cada segmento c/ ACK) Congwin++ until (evento de perda OR CongWin > threshold) RTT dois segmentos quqtro segmentos aumento exponencial (por RTT) no tamanho da janela (não muito lenta!) evento de perda: temporizador (Tahoe TCP) e/ou três ACKs duplicados (Reno TCP) tempo 3: Camada de Transporte

27 TCP: Evitar Congestionamento
/* partida lenta acabou */ /* Congwin > threshold */ Until (event de perda) { cada w segmentos reconhecidos: Congwin++ } threshold = Congwin/2 Congwin = 1 faça partida lenta 1 1: TCP Reno pula partida lenta (recuperação rápida) depois de três ACKs duplicados 3: Camada de Transporte

28 AADM Justeza do TCP TCP congestion avoidance:
AADM: aumento aditivo, decremento multiplicativo aumenta janela em 1 por cada RTT diminui janela por fator de 2 num evento de perda Meta de justeza: se N sessões TCP compartilham o mesmo enlace de gargalo, cada uma deve ganhar 1/N da capacidade do enlace TCP conexão 1 Roteador gargalo capacidade R TCP conexão 2 3: Camada de Transporte

29 Por quê TCP é justo? Duas sessões concorrentes:
Aumento aditivo dá gradiente de 1, enquanto vazão aumenta decrementa multiplicativa diminui vazão proporcionalmente R compartilhamento igual da banda perda: diminui janela por fator de 2 evitar congestionamento: aumento aditivo Vazão da conexão 2 perda: diminui janela por fator de 2 evitar congestionamento: aumento aditivo Vazão da conexão 1 R 3: Camada de Transporte

30 Capítulo 3: Sumário Princípios atrás dos serviços da camada de transporte: multiplexação/ desmultiplexação transferência confiável de dados controle de fluxo controle de congestionamento instanciação e implementação na Internet UDP TCP Próximo capítulo: saímos da “borda” da rede (camadas de aplicação e transporte) entramos no “núcleo”da rede 3: Camada de Transporte