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Camada de Transporte Teleprocessamento e Redes Instituto de Informática – UFG Prof. Fábio M. Costa (slides baseados em [Kurose&Ross2003])

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Apresentação em tema: "Camada de Transporte Teleprocessamento e Redes Instituto de Informática – UFG Prof. Fábio M. Costa (slides baseados em [Kurose&Ross2003])"— Transcrição da apresentação:

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2 Camada de Transporte Teleprocessamento e Redes Instituto de Informática – UFG Prof. Fábio M. Costa (slides baseados em [Kurose&Ross2003])

3 Cap. 3: Camada de Transporte2 Capítulo 3: Camada de Transporte Objetivos do Capítulo: entender os princípios por trás dos serviços da camada de transporte : multiplexação / demultiplexação transferência de dados confiável controle de fluxo controle de congestionamento instanciação e implementação destes princípios na Internet Resumo do Capítulo: serviços da camada de transporte multiplexação/demultiplexação transporte sem conexão: UDP princípios de transferência confiável de dados transporte orientado a conexões: TCP transferência confiável controle de fluxo gerenciamento de conexão princípios de controle de congestionamento controle de congesetionamento do TCP

4 Cap. 3: Camada de Transporte3 Protocolos e Serviços de Transporte Comunicação lógica entre processos de aplicação em diferentes hosts Os protocolos de transporte são executados nos sistemas finais da rede (hosts ou end systems) Serviço de Transporte versus 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

5 Cap. 3: Camada de Transporte4 Protocolos da Camada de Transporte Serviços de Transporte da Internet: confiável, seqüencial e unicast: TCP congestionamento controle de fluxo orientado a conexões Não-confiável (best- effort), 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

6 Cap. 3: Camada de Transporte5 aplicação transporte rede M P2 aplicação transporte rede Multiplexação / Demultiplexação 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

7 Cap. 3: Camada de Transporte6 Multiplexação / Demultiplexação Multiplexação/demultiplexação: baseadas no número de porta do transmissor, número de porta do receptor e endereços IP números de porta origem e destino em cada segmento Lembre-se: 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 (campos comuns) Multiplexação:

8 Cap. 3: Camada de Transporte7 Multiplexação/Demultiplexação Em Protocolos Sem Conexão (UDP) Baseado no socket UDP de destino Socket UDP = Endereço IP + Número da Porta Em Protocolos Orientados a Conexão (TCP) Baseado no socket TCP de destino Socket TCP: Endereço IP de Origem + Número da Porta de Origem Endereço IP de Destino + Número da Porta de Dest. I.e., a conexão é identificada pelos endereços dos dois processos conectados

9 Cap. 3: Camada de Transporte8 Multiplexação: Exemplo 1 host A servidor B porta origem: x porta dest.: 53 porta origem:53 port dest.: x Aplicação: DNS (sobre UDP) (Observe a inversão dos números de portas na mensagem de resposta)

10 Cap. 3: Camada de Transporte9 Multiplexação: Exemplo 2 cliente Web host A Servidor Web host 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 (sobre TCP) IP Origem: A IP Dest: B porta origem : x porta dest.: 80 Processo (ou thread) da Aplicação Socket TCP Camada de Transporte (Demultiplex.)

11 Cap. 3: Camada de Transporte10 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 (handshaking) entre o UDP transmissor e o receptor cada segmento UDP é tratado de forma independente dos outros Por que UDP? não há estabelecimento de conexão (que pode redundar em atrasos ) simples: não há estado de conexão nem no transmissor, nem no receptor cabeçalho de segmento reduzido: baixo overhead não há controle de congestionamento: UDP pode enviar segmentos tão rápido quanto desejado (e possível)

12 Cap. 3: Camada de Transporte11 Mais sobre UDP Muito usado por aplicações de mutimídia contínua (streaming) tolerantes à perda sensíveis à taxa Outros usos do UDP (por que?): DNS SNMP Transferência confiável sobre UDP: acrescentar confiabilidade na camada de aplicação 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

13 Cap. 3: Camada de Transporte12 UDP checksum Transmissor: trata o conteúdo do segmento como seqüência de inteiros de 16 bits checksum: complemento de 1 da soma do conteúdo do segmento de 16 em 16 bits transmissor coloca o valor calculado no campo de checksum do cabeçalho UDP Receptor: computa o checksum do segmento recebido verifica se o checksum calculado é igual ao valor do campo checksum: NÃO - erro detectado SIM - não há erros. Mas, talvez haja erros apesar disto? Mais sobre isto depois …. Objetivo: detectar erros (ex., bits trocados) no segmento transmitido

14 Cap. 3: Camada de Transporte13 Princípios de Transferência Confiável de Dados Importante nas camadas de aplicação, transporte e enlace top-10 na lista dos tópicos mais importantes de redes! As caracteristicas do canal não confiável subjacente determinarão a complexidade de um protocolo confiável de transferência de dados (rdt) network layer

15 Cap. 3: Camada de Transporte14 Transferência Confiável: Modelo Básico lado transmissor lado receptor rdt_send(): chamada da camada superior, (ex., pela aplicação). Passa dados para entregar à camada superior receptora udt_send(): chamada pela entidade de transporte, para transferir pacotes para o receptor através do canal não confiável rdt_rcv(): chamada pela entidade da camada inferior quando o pacote chega ao lado receptor do canal deliver_data(): chamada pela entidade de transporte para entregar dados para camada superior

16 Cap. 3: Camada de Transporte15 Etapas: desenvolver incrementalmente o transmissor e o receptor de um protocolo confiável de transferência de dados (rdt) considerar apenas transferências de dados unidirecionais mas informação de controle deve fluir em ambas as direções! usar máquinas de estados finitos (FSM) para especificar o protocolo transmissor e o receptor estado 1 estado 2 evento causando transição de estados ações tomadas na transição de estado estado: quando neste estado o próximo estado fica unicamente determinado pelo próximo evento evento ações Transferência confiável: O ponto de partida

17 Cap. 3: Camada de Transporte16 rdt1.0: Transferência confiável sobre canais confiáveis canal de transmissão perfeitamente confiável não há erros de bits não há perdas de pacotes FSMs separadas para transmissor e receptor: transmissor envia dados para o canal subjacente receptor lê os dados do canal subjacente

18 Cap. 3: Camada de Transporte17 rdt2.0: Canal com erros de bit Canal subjacente pode trocar valores dos bits num pacote lembrete: checksum do UDP pode detectar erros de bits A questão: Como recuperar-se desses erros? reconhecimentos (ACKs): receptor avisa explicitamente ao transmissor que o pacote foi recebido corretamente reconhecimentos negativos (NAKs): receptor avisa explicitamente ao transmissor que o pacote tem erros transmissor reenvia o pacote quando da recepção de um NAK cenários humanos usando ACKs, NAKs? Novos mecanismos no rdt2.0 (além do rdt1.0 ): deteção de erros retorno do receptor: mensagens de controle (ACK,NAK) receptor -> transmissor retransmissão de pacotes recebidos com erro

19 Cap. 3: Camada de Transporte18 rdt2.0: especificação da FSM FSM do transmissorFSM do receptor

20 Cap. 3: Camada de Transporte19 rdt2.0: em ação (ausência de erros) FSM do transmissorFSM do receptor

21 Cap. 3: Camada de Transporte20 rdt2.0: em ação (cenário com erros) FSM do transmissorFSM do receptor

22 Cap. 3: Camada de Transporte21 rdt2.0 tem um problema fatal! O que acontece se o ACK/NAK é corrompido? transmissor não sabe o que aconteceu no receptor! não pode apenas retransmitir: possível duplicata O que fazer? Transmissor envia um ACK/NAK para reconhecer o ACK/NAK do receptor. Mas o que acontece se este ACK/NAK se perdem? receptor retransmite o ACK/NAK. Mas isto poderia causar confusão p. ex.: a retransmissão de um pacote recebido corretamente! isto é, duplicatas claramente, esta não parece ser uma solução satisfatória! Uma solução mais simples: Baseada na deteção de duplicatas pelo receptor Tratando duplicatas: transmissor acrescenta número de seqüência em cada pacote Transmissor reenvia o último pacote se ACK/NAK 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

23 Cap. 3: Camada de Transporte22 rdt2.1: Transmissor, trata ACK/NAKs perdidos

24 Cap. 3: Camada de Transporte23 rdt2.1: Receptor, trata ACK/NAKs perdidos

25 Cap. 3: Camada de Transporte24 rdt2.1: Receptor, trata ACK/NAKs perdidos: Operação sem erros

26 Cap. 3: Camada de Transporte25 rdt2.1: Discussão Transmissor: adiciona número de seqüência ao pacote Dois números (0 e 1) bastam. Porque? deve verificar se os ACK/NAK recebidos estão corrompidos duas vezes o número de estados o estado 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 último ACK/NAK foi recebido pelo transmissor

27 Cap. 3: Camada de Transporte26 rdt2.2: um protocolo sem NAK mesma funcionalidade do rdt2.1, usando somente ACKs ao invés de enviar NAK, o receptor envia ACK para o último pacote recebido sem erro receptor deve incluir explicitamente o número de seqüência do pacote sendo reconhecido ACKs duplicados no transmissor resultam na mesma ação do NAK: retransmição do pacote corrente FSM do transmissor !

28 Cap. 3: Camada de Transporte27 rdt3.0: canais com erros e perdas Nova Hipótese: canal de transmissão pode também perder pacotes (de dados ou ACKs) checksum, números de seqüência, ACKs, retransmissões serão de ajuda, mas não o bastante Q: como tratar com perdas? transmissor espera até que certos dados ou ACKs sejam perdidos, então retransmite problemas? Abordagem: transmissor espera um tempo razoável pelo ACK retransmite se nenhum ACK for recebido neste tempo timeout se o pacote (ou ACK) estiver apenas atrasado (não perdido): retransmissão será duplicata, mas os números de seqüência já tratam com isso receptor deve especificar o número de seqüência do pacote sendo reconhecido exige um temporizador decrescente

29 Cap. 3: Camada de Transporte28 rdt3.0 sender

30 Cap. 3: Camada de Transporte29 rdt3.0 em ação (a) operação sem perda (b) pacote perdido

31 Cap. 3: Camada de Transporte30 rdt3.0 em ação (c) ACK perdido (d) timeout prematuro

32 Cap. 3: Camada de Transporte31 Utilização = U = = 8 s 30,016 ms fração do tempo transmissor ocupado = Desempenho do rdt3.0 rdt3.0 funciona, mas o desempenho é sofrível exemplo: enlace de 1 Gbps, 15 ms de atraso de propagação, pacotes de 1KB: transmissão = 8kb/pct 10**9 b/seg = 8 s Um pacote de 1KB cada 30 ms -> 33kB/seg de vazão sobre um canal de 1 Gbps o protocolo de rede limita o uso dos recursos físicos!

33 Cap. 3: Camada de Transporte32 Protocolos com Paralelismo (pipelining) Paralelismo: transmissor envia vários pacotes ao mesmo tempo, todos esperando para serem reconhecidos faixa de números de seqüência deve ser aumentada armazenamento dos pacotes no transmissor e/ou no receptor Duas formas genéricas de protocolos com paralelismo: go-Back-N e retransmissão seletiva (a) operação do protocolo stop-and-wait(a) operação do protocolo com paralelismo

34 Cap. 3: Camada de Transporte33 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 o pacote mais antigo enviado e não confirmado timeout: retransmite pacote mais antigo e todos os demais pacotes que estejam dentro da janela

35 Cap. 3: Camada de Transporte34 GBN: FSM estendida para o Transmissor Recebeu ACK Avança a janela Ok se janela avançou Ocorreu timeout Dados a enviar rdt_rcv(rcvpkt) && corrupt(rcvpkt) Λ Recebeu ACK com erro Q: E se for um ACK atrasado (< base)? Inicialização: base = 1 nextseqnum = 1

36 Cap. 3: Camada de Transporte35 Possíveis respostas Protocolo assume que a rede/camada subjacente jamais reordena pacotes! Neste caso específico, pacotes de ACK Melhorar o tratamento do evento de recepção de ACKs para verificar se não é um ACK ultrapassado Suficiente para lidar com a possibilidade de reordenação de pacotes pela camada inferior?

37 Cap. 3: Camada de Transporte36 GBN: FSM estendida para o Receptor receptor simples: somente ACK: sempre envia ACK para pacotes corretamente recebidos com o mais alto número de seqüência em ordem pode gerar ACKs duplicados precisa lembrar apenas do número de seqüência esperado ( expectedseqnum) pacotes fora de ordem (pacote anterior foi perdido) -> default: descarte (não armazena) -> não há buffer de recepção! reconhece pacote com o mais alto número de seqüência em ordem Qualquer outro evento expectedseqnum++ Inicialização: expectedseqnum = 1 sndpkt = make_pkt(0, ACK, checksum)

38 Cap. 3: Camada de Transporte37 Go-Back-N em ação (janela: 4 pacotes)

39 Cap. 3: Camada de Transporte38 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 (i.e., com ACK pendente)

40 Cap. 3: Camada de Transporte39 Retransmissão seletiva: janelas do transmissor e do receptor (a) visão dos números de seqüência pelo transmissor (b) visão dos números de seqüência pelo receptor

41 Cap. 3: Camada de Transporte40 Retransmissão seletiva dados da camada superior : se o próximo número de seqüência disponível está na janela, envia o pacote timeout(n): reenvia pacote n, e redispara seu temporizador de timeout ACK(n) em [sendbase,sendbase+N]: marca pacote n como recebido se n é o menor pacote não reconhecido, avança a base da janela para o próximo número de seqüência não reconhecido transmissor pacote n em [rcvbase, rcvbase+N-1] envia ACK(n) fora de ordem: armazena em ordem: entrega para a camada superior, avança janela para o próximo pacote ainda não recebido pkt n em [rcvbase-N,rcvbase-1] ACK(n) caso contrário: ignora receptor

42 Cap. 3: Camada de Transporte41 Retransmissão seletiva em ação

43 Cap. 3: Camada de Transporte42 Retransmissão seletiva: dilema Exemplo: núms. de seqüência: 0,..,3 tamanho da janela=3 receptor não vê diferença nos dois cenários! incorretamente passa dados duplicados como novos (figura a) Q: qual a relação entre o espaço de numeração seqüencial e o tamanho da janela?

44 Cap. 3: Camada de Transporte43 Exercícios Problemas: 5, 6, 7, 10, 12, 16, 18, 19 2a. Edição (na bibl. do INF ou no Xerox do CA) Prático: Implementar incrementalmente os protocolos estudados na seção 3.4 (em Java ou em C) Sobre UDP, como se fosse a camada de rede Analisar o desempenho dos protocolos em uma rede local ênfase no throughput e eficiência de utilização Considerar a mesma análise em uma rede com latência maior ex.: introduzindo um atraso artificial Lab. de Redes


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