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1 Transporte Referência: Slides extraídos do material dos professores Jim Kurose e Keith Ross relativos ao livro Redes de Computadores e a Internet – Uma.

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1 1 Transporte Referência: Slides extraídos do material dos professores Jim Kurose e Keith Ross relativos ao livro Redes de Computadores e a Internet – Uma abordagem top- down, segunda e terceira edições Alterações nos slides, incluindo sequenciamento, textos, figuras e novos slides, foram realizadas conforme necessidade

2 2 Protocolos e Serviços de Transporte Fornecem comunicação lógicas entre processos de aplicação em diferentes hosts Os protocolos de transporte são executados nos sistemas finais da rede serviço de transporte vs serviços de rede : camada de rede: transferência de dados entre computadores (end systems) camada de transporte: transferência de dados entre processos –utiliza e aprimora os serviços oferecidos pela camada de rede aplicação transporte eerede enlace física aplicação transporte rede enlace física rede enlace física rede enlace física rede enlace física rede enlace física rede enlace física transporte lógico fim-a-fim

3 3 Protocolos da Camada de Transporte Serviços de Transporte da Internet: confiável, seqüencial e unicast (TCP) –congestionamento –controle de fluxo –orientado à conexão não confiável, não seqüencial, entrega unicast or multicast: UDP serviços não disponíveis : –tempo-real –garantia de banda –multicast confiável application transporte rede enlace física application transporte rede enlace física rede enlace física rede enlace física rede enlace física rede enlace física rede enlace física transporte lógico fim-a-fim

4 4 aplicação transporte rede M P2 aplicação transporte rede Multiplexação de Aplicações Segmento - unidade de dados trocada entre entidades da camada de transporte –TPDU: transport protocol data unit (unidade de dados do protocolo de transporte) receptor H t H n Demultiplexação: entrega de segmentos recebidos aos processos de aplicação corretos segmento M aplicação transporte rede P1 MMM P3 P4 cabeçalho do segmento dados da camada de aplicação

5 5 Multiplexação de Aplicações multiplexação/demultiplexação: baseada nos número de porta do transmissor, número de porta do receptor e endereços IP –números de porta origem e destino em cada segmento –lembre: portas com números bem-conhecidos são usadas para aplicações específicas reunir dados de múltiplos processo de aplicação, juntar cabeçalhos com informações para demultiplexação porta origemporta destino 32 bits dados de aplicação (mensagem) outros campos de cabeçalho formato do segmento TCP/UDP Multiplexação:

6 6 Multiplexação: exemplos host A servidor B porta origem: x porta dest.: 23 porta origem:23 port dest.: x aplicação Telnet cliente Web host A Servidor Web B cliente Web host C IP Origem: C IP Dest: B porta origem: x porta dest.: 80 IP Origem: C IP Dest: B porta origem: y porta dest.: 80 aplicação: servidor Web IP Origem: A IP Dest: B porta origem : x porta dest.: 80

7 7 UDP: User Datagram Protocol [RFC 768] protocolo de transporte da Internet sem gorduras sem frescuras serviço best effort, segmentos UDP podem ser: –perdidos –entregues fora de ordem para a aplicação sem conexão : –não há apresentação entre o UDP transmissor e o receptor –cada segmento UDP é tratado de forma independente dos outros Porque existe um UDP? não há estabelecimento de conexão (que pode redundar em atrasos ) simples: não há estado de conexão nem no transmissor, nem no receptor cabeçal ho de segmento reduzido não há controle de congestionamento: UDP pode enviar segmentos tão rápido quanto d esejado (e possível)

8 8 Mais sobre UDP muito usado por aplicações de mutimídia contínua ( streaming) –tolerantes à perda –sensíveis à taxa outros usos do UDP: –DNS –SNMP transferência confiável sobre UDP: acrescentar confiabilidade na camada de aplic ação –recuperação de erro específica de cada aplicação porta origemporta destino 32 bits Dados de Aplicação (mensagem) formato do segmento UDP tamanho checksum Tamanho, em bytes do segmento UDP, incluíndo cabeçalho

9 9 UDP checksum Transmissor: trata o conteúdo do segmento como seqü encia de inteiros de 16 bits checksum: soma (complemento de 1 da soma) do conteúdo do segmento transmissor coloca o valor do checksum no campo de checksum do UDP Receptor: computa o checksum do segmento recebido verifica se o checksum calculado é igual ao valor do campo c hecksum: –NÃO - error detectado –SIM - não há erros. Mas, talvez haja erros apesar disto! Objetivo: detectar erros (ex.,bits trocados) no segmento transmitido

10 10 Princípios de Transferência Confiável de Dados Importante nas camadas de aplicação, transporte e enlace Caracteristicas dos canais não confiáveis determinarão a complexidade dos protocolos confiáveis de transferência de dados Necessário usar ACKs (e também NACKs, mas são desnecessários)

11 11 Há um problema fatal! O que acontece se o ACK é corrompido? transmissor não sabe o que aconteceu no receptor! não pode apenas retransmitir: possível duplicata O que fazer? Transmissor envia ACKs para reconhecer os ACKs do receptor? O que acontece se estes ACKs se perdem? retransmitir os ACKs, mas isto poderia causar a retransmissão de um pacote recebido corretamente! Tratando duplicatas: transmissor acrescenta número de seqüência em cada pacote Transmissor reenvia o último pacote se ACK for perdido receptor descarta (não passa para a aplicação) pacotes duplicados Transmissor envia um pacote e então espera pela resposta do receptor stop and wait

12 12 Discussão (Stop and Wait) Transmissor: adiciona número de seqüência ao pacote Dois números (0 e 1) bastam. Porque? deve verificar se os ACKs recebidos estão corrompidos estado da transmissão deve lembrar se o pacote corrente tem número de seqüência 0 ou 1 Receptor: deve verificar se o pacote recebido é duplicado –estado indica se o pacote 0 ou 1 é esperado nota: receptor pode não saber se seu últino ACK foi recebido pelo transmissor

13 13 Protocolos com Paralelismo (pipelining) Paralelismo: transmissor envia vários pacotes ao mesmo tempo (em seqüência), todos esperando para serem reconhecidos –faixa de números de seqüência deve ser aumentada –armazenamento no transmissor e/ou no receptor Duas formas genéricas de protocolos com paralelismo: go- Back-N, retransmissão seletiva (a) operação do protocolo stop-and-wait(a) operação do protocolo com paralelismo

14 14 Go-Back-N Transmissor: Número de seqüência com k bits no cabeçalho do pacote janela de até N, pacotes não reconhecidos, consecutivos, são permitidos ACK(n): reconhece todos os pacotes até o número de seqüência N (incluindo este limite). ACK cumulativo –pode receber ACKS duplicados (veja receptor) temporizador para cada pacote enviado e não confirmado timeout(n): retransmite pacote n e todos os pacotes com número de seqüência maior que estejam dentro da janela

15 15 GBN em ação

16 16 Retransmissão Seletiva receptor reconhece individualmente todos os pacotes recebidos corretamente –armazena pacotes, quando necessário, para eventual entrega em ordem para a camada superior transmissor somente reenvia os pacotes para os quais um ACK não foi recebido –transmissor temporiza cada pacote não reconhecido janela de transmissão –N números de seqüência consecutivos –novamente limita a quantidade de pacotes enviados, mas não reconhecidos

17 17 Retransmissão seletiva: janelas do transmissor e do receptor (a) visão dos números de seqüência pelo transmissor (b) visão dos números de seqüência pelo receptor

18 18 Retransmissão seletiva em ação

19 19 TCP: Overview RFCs: 793, 1122, 1323, 2018, 2581 dados full-duplex: –transmissão bi-direcional na mesma conexão –MSS: maximum segment size orientado à conexão: –handshaking (troca de mensagens de controle) inicia o estado do transmissor e do receptor antes da troca de dados controle de fluxo: –transmissor não esgota a capacidade do receptor ponto-a-ponto: –um transmissor, um receptor confiável, seqüêncial byte stream: –não há distorção nas mensagens pipelined: (transmissão de vários pacotes em confirmação) –Controle de congestionamento e de fluxo definem tamanho da janela buffers de transmissão e de recepção socket port TCP buffe de txr TCP buffer de rx socket port segment aplicação envia dados aplicação lê dados

20 20 Estrutura do Segmento TCP porta origem porta destino 32 bits dados de aplicação (tamanho variável) número de seqüência número de reconhecimento janela de recep. dados urgentes checksum F SR PAU tam. cabec. não usado Opções (tamanho variável) URG: dados urgentes (pouco usado) ACK: campo de ACK é válido PSH: produz envio de dados (pouco usado) RST, SYN, FIN: estabelec. de conexão (comandos de criação e término) número de bytes receptor está pronto para aceitar contagem por bytes de dados (não segmentos!) Internet checksum (como no UDP)

21 21 Números de Seqüência e ACKs do TCP Números de seqüência: –número do primeiro byte no segmentos de dados ACKs: –número do próximo byte esperado do outro lado –ACK cumulativo: forma como o receptor trata segmentos fora de ordem –alguns pontos ficam a critério da implementação como fazer Host A Host B Seq=42, ACK=79, data = C Seq=79, ACK=43, data = C Seq=43, ACK=80 Usuário digita C host confirma recepção do C ecoado host confirma recepção de C, e ecoa o C de volta tempo cenário telnet simples

22 22 TCP: Estabelecimento de Conexão TCP transmissor estabelece conexão com o receptor, antes mesmo de enviar dados: inicializar variáveis: –números de seqüência –buffers, controle de fluxo (ex. RcvWindow ) cliente: iniciador da conexão Socket clientSocket = new Socket("hostname","port number"); servidor: chamado pelo cliente Socket connectionSocket = welcomeSocket.accept(); Three way handshake: Passo 1: sistema final cliente envia TCP SYN ao servidor –especifica número de seqüência inicial Passo 2: sistema final servidor que recebe o SYN, responde com segmento SYNACK –reconhece o SYN recebido –aloca buffers –especifica o número de seqüência inicial do servidor Passo 3: o sistema final cliente reconhece o SYNACK

23 23 TCP: Término de Conexão Fechando uma conexão: cliente fecha o socket: clientSocket.close(); Passo 1: o cliente envia o segmento TCP FIN ao servidor Passo 2: servidor recebe FIN, responde com ACK. Fecha a conexão, en via FI N. Passo 3: cliente recebe FIN, responde com ACK. –entra espera temporizada –vai responder com ACK a FINs recebidos Passo 4: servidor, recebe ACK. Conexão fechada.

24 24 TCP: Controle de Fluxo receptor: explicitamente informa o transmissor da área livre no buffer (dinamicamente mudando) –campo RcvWindow no segmento TCP transmissor: mantém a quantidade de dados transmitidos mas não reconhecidos menor que o último RcvWindow recebido transmissor não deve esgotar os buffers de receção enviando dados rápido demais controle de fluxo armazenamento de recepção RcvBuffer = tamanho do Buffer de recepção do TCP RcvWindow = total de espaço livre no buffer

25 25 TCP Round Trip Time e Temporização Q: como escolher o valor da temporização do TCP (time-out)? maior que o RTT –nota: RTT varia muito curto: temporização prematura – retransmissões desnecessárias muito longo: a reação à perda de segmento fica lenta Q: Como estimar o RTT? SampleRTT : tempo medido da transmissão de um segmento até a respectiva confirmação –ignora retransmissões e segmentos reconhecidos de forma cumulativa SampleRTT varia de forma rápida, é desejável um amortecedor para a estimativa do RTT –usar várias medidas recentes, não apenas o último SampleRTT obtido

26 26 EstimatedRTT = (1-x)*EstimatedRTT + x*SampleRTT Média móvel com peso exponential influencia de uma dada amostra decresce de forma exponencial valor típico de x: 0.1 Definindo a temporização EstimtedRTT mais margem de segurança grandes variações no EstimatedRTT -> maior margem de segurança Temporização = EstimatedRTT + 4*Desvios Desvios = (1-x)*Desvio + x*|SampleRTT-EstimatedRTT| TCP Round Trip Time e Temporização

27 27 TCP Round Trip Time e Temporização

28 28 Princípios de Controle de Congestionamento Congestionamento: informalmente: muitas fontes enviando dados acima da capacidade da rede tratá-los diferente de controle de fluxo! sintomas: –perda de pacotes (saturação de buffer nos roteadores) –atrasos grandes (filas nos buffers dos roteadores) um dos 10 problemas mais importantes na Internet!

29 29 Quatro transmissores Caminhos com múltiplos saltos Temporizações/retransmissões in P.: o que acontece quando e aumentam? in Causas/custos do congestionamento: cenário 3 Causas/custos do congestionamento

30 30 TCP: Controle Congestionamento controle fim-a-fim (não há assistência da rede) taxa de transmissão é limitada pelo tamanho da janela, Congwin, sobre os segmentos: w segmentos, cada um com MSS bytes enviados em um RTT: vazão = w * MSS RTT Bytes/seg Congwin

31 31 Duas fases –slow start –congestion avoidance Variáveis importantes: –Congwin –threshold: define o limite entre a fase slow start e a fase congestion avoidance Realiza um teste para reconhecer a taxa possível: –idealmente: transmitir tão rápido quanto possível ( Congwin tão grande quanto possível) sem perdas –aumentar Congwin até que ocorra perda (congestionamento) –perda: diminuir Congwin, então ir testando (aumentando) outra vez TCP: Controle Congestionamento

32 32 TCP Slowstart aumento exponencial (por RTT) no tamanho da janela (não tão lento!) evento de perda : temporização (Tahoe TCP) e/ou 3 ACKs duplicados (Reno TCP) initializar: Congwin = 1 para (cada segmento reconhecido Congwin ++ até (evento perda OU CongWin > threshold) algoritmo Slowstart Host A one segment RTT Host B tempo two segments four segments

33 33 TCP: Congestion Avoidance /* acabou slowstart */ /* Congwin > threshold */ Até (evento perda) { cada w segmentos acked: Congwin++ } threshold = Congwin/2 Congwin = 1(*) realiza slowstart(*) Congestion avoidance (*) TCP Reno pula a fase slowstart (recuperaçaõ rápida) após três ACKs duplicados

34 34 TCP AIMD Retransmissão Rápida Com freqüência, o tempo de expiração é relativamente longo: -Longo atraso antes de reenviar um pacote perdido Pode-se detectar segmentos perdidos por meio de ACKs duplicados: - Transmissor freqüentemente envia muitos segmentos ao receptor - Se um segmento é perdido, haverá desordenamento e, portanto, muitos ACKs duplicados. ACK duplicado: receptor reenvia ACK do último byte de dados recebido em ordem qdo chega um segmento fora de ordem Se o transmissor recebe 3 ACKs para o mesmo dado, ele supõe que o segmento após o dado confirmado foi perdido: Retransmissão rápida: perda é decretada e reenvia-se o segmento antes do temporizador expirar

35 35 Redução multiplicativa: diminui o CongWin pela metade após o evento de perda Aumento aditivo: aumenta o CongWin com 1 MSS a cada RTT na ausência de eventos de perda: probing conexão TCP de longa-vida TCP AIMD AIMD

36 36 Objetivo de eqüidade: se K sessões TCP compartilham o mesmo enlace do gargalo com largura de banda R, cada uma deve ter taxa média de R/K Eqüidade do TCP

37 37 Duas sessões competindo pela banda: O aumento aditivo fornece uma inclinação de 1, quando a vazão aumenta Redução multiplicativa diminui a vazão proporcionalmente perda: reduz janela por um fator de 2 prevenção de congestionamento: aumento aditivo Porque o TCP é justo?

38 38 Eqüidade e UDP Aplicações multimedia normalmente não usam TCP Não querem a taxa estrangulada pelo controle de congestionamento Em vez disso, usam UDP: Trafega áudio/vídeo a taxas constantes, toleram perda de pacotes várea de pesquisa: TCP amigável Eqüidade e conexões TCP paralelas Nada previne as aplicações de abrirem conexões paralelas entre 2 hosts. Web browsers fazem isso Exemplo: enlace de taxa R suportando 9 conexões; Novas aplicações pedem 1 TCP, obtém taxa de R/10 Novas aplicações pedem 11 TCPs, obtém R/2! Eqüidade Eqüidade do TCP


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