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1 6. Camada de Transporte DIN/CTC/UEM 2008

2 Principais Funções Oferece conexão lógica entre duas extremidades da rede Oferece controle fim-a-fim de fluxo e confiabilidade Independente da tecnologia utilizada na rede meio físico, estrutura e topologia da rede, etc. Significa a fronteira entre equipamento de rede e de usuário Tipicamente utiliza o modelo cliente-servidor Protocolos mais populares: User Datagram Protocol (UDP) Tarefas: Segmentação de dados da camada superior Estabelecimento da conexão fim-a-fim Multiplexação de fluxos Envio de segmentos com confiabilidade (com controle de fluxo, sem erros, com confirmação de recebimento)

3 Berkeley Sockets Fornece uma API (application programming interface) para comunicação entre processos (locais ou remotos) Inclui uma biblioteca em linguagem C; hoje disponível em outras linguagens Inicialmente desenvolvido para Unix; hoje disponível em outros sistemas operacionais Tornou-se a interface padrão para abstrair conexões de rede Utiliza o modelo cliente-servidor Primitivas (funções) do Berkeley sockets

4 Berkeley Sockets Servidor Cria um socket utilizando a primitiva (função) SOCKET Liga o socket a uma porta (utilizando BIND) Prepara o socket para ouvir (utilizando LISTEN) Permanece bloqueado enquanto aceita solicitações de conexão (utilizando o ACCEPT) Comunica-se com o cliente (utilizando SEND e RECEIVE) Fecha o socket que não é mais necessário (utilizando CLOSE) Cliente Cria um socket (utilizando SOCKET) Conecta com o servidor (utilizando CONNECT) Comunica-se com o servidor (utilizando SEND e RECEIVE) Termina a conexão que não é mais necessária (utilizando CLOSE)

5 Endereçamento Endereço de rede especifica a máquina (interface) Endereço de transporte especifica o processo/aplicação Na internet, esse endereço é denominado porta Legenda: SAP (Service Access Point), TSAP (Transport SAP), NSAP (Network SAP)

6 Endereçamento Como o cliente sabe o endereço (número da porta) onde o servidor estará oferecendo os seus serviços? Serviços têm o endereço fixo e publicamente conhecido Serviços com menor demanda podem usar um servidor de processos Servidor de processos aceita pedidos de conexão e encaminha ao processo apropriado (exemplo: inetd)

7 Estabelecimento da Conexão Problema: segmentos que ficam vagando pela rede e podem causar efeitos indesejáveis Solução: Segmentos e suas confirmações têm vida limitada Evita reutilizar os números se existe chance de segmentos antigos ainda existirem Objetivo é evitar que 2 PDUs diferentes com numeração idêntica existam na rede Mecanismo: Todas as máquinas mantém um relógio imune a falhas Os k bits menos significativos desse relógio são usados para numeração dos segmentos A faixa de numeração deve ser ampla o suficiente evitar que segmentos diferentes utilizem o mesmo número Uma região de numeração proibida é definida

8 Estabelecimento da Conexão T é o tempo máximo de sobrevivência de um segmento

9 Estabelecimento da Conexão 3-way handshake

10 Encerramento da Conexão Encerramento simétrico com 3-way handshake Cada sentido é tratado independentemente (isto é, como se fossem 2 conexões independentes)

11 User Datagram Protocol (UDP) Serviço sem conexão (veja RFC 768) Porta (endereço) utiliza 16 bits: de 0 a Portas 0 a 1023 são denominadas bem conhecidas (well known) e foram as primeiras definidas Portas 1024 a são designadas pela Internet Corporation for Assigned Names and Numbers (ICANN) Portas a são de uso geral e temporário Utilizado por: Aplicações sensíveis ao atraso (retardo) porque um segmento perdido é melhor do que um segmento atrasado Servidores respondendo a pequenas requisições Exemplos: DNS, IPTV, VoIP, jogos em rede, etc.

12 Real-time Transport Protocol (RTP) Protocolo padrão para transporte de dados em tempo real (audio e vídeo on demand ou interativo) (veja RFC 3551 e RFC 4571) Controle é definido pelo RTP Control Protocol (RTCP) Utiliza UDP e mais raramente TCP (portas 5004 para dados e 5005 para controle) Protocolo de carga (RTP) Camada fina para tráfego contínuo oferece detecção de perda, segurança, reconstrução temporal e identificação de conteúdo Protocolo de controle (RTPC) Permite conferência em tempo real Oferece controle de QoS (Quality of Service) e sincronização entre vários fluxos

13 Real-time Transport Protocol (RTP) Cabeçalho RTP V (version): versão do protocolo (atualmente 2) P (padding): enchimento foi utilizado X (extension): indica presença do cabeçalho de extensão CC (CSRC count): número de identificadores CSRC existentes M (mark): utilizado pela aplicação (por exemplo, indica fim de bloco) PT (payload type): formato dos dados sequence number: número do segmento (para detecção de perda de segmentos) timestamp: informação de tempo SSRC (synchronization source): identifica fluxos de dados para efeito de sincronização temporal CSRC (contributing source): identifica fontes contribuindo para o fluxo (opcional) Extension header: cabeçalho de extensão, dependente do perfil do fluxo (opcional)

14 Real-time Transport Protocol (RTP) Cabeçalho RTP RTP Control Protocol (RTCP) Principal função é oferecer feedback da qualidade da transmissão Transmite periodicamente mensagens de controle a todos os participantes da sessão Recomenda-se 5% da bandwidth reservado para controle

15 Serviço orientado a conexão (veja RFC 793 para começo) É provavelmente o protocolo mais importante da Internet Características principais Serviço full ou half duplex Confirmação de recebimento (com ACK) Janela deslizante com tamanho variável Sequence number conta bytes Checksum no cabeçalho e no dado Receptor re-ordena segmentos e descarta duplicados Permite controle de fluxo Conexão é representada por uma máquina de estados finitos

16 Cabeçalho

17 Cabeçalho Source port e destination port: endereços Sequence number: número de seqüência Acknowledgement number: confirmação de recebimento URG: campo Urgent pointer é válido ACK: campo Acknowledgement number é valido PSH (push): dado deve ser passado à aplicação imediatamente RST (reset): reinicia a conexão SYN: sincroniza números de seqüência para iniciar conexão FIN: fonte terminou de enviar dados Window size: janela de transmissão Checksum: para detecção de erros do cabeçalho e dado Urgent pointer: aponta para conteúdo urgente (por exemplo, um Ctrl-C que precisa atenção imediata)

18 Estabelecimento da conexão 3-way handshake (a) normal; (b) colisão

19 Máquina de estados finitos: CLOSED: nenhuma conexão ativa ou pendente LISTEN: servidor esperando conexão SYN RCVD: pedido de conexão recebido SYN SENT: aplicação solicitou conexão ESTABLISHED: conexão estabelecida; transferência de dados FIN WAIT 1: aplicação solicitou fim da conexão FIN WAIT 2: outro lado concordou com término da conexão TIMED WAIT: aguarda todos os segmentos extinguirem-se CLOSING: ambos os lados tentam terminar simultaneamente CLOSE WAIT: outro lado iniciou término da conexão LAST ACK: aguarda todos os segmentos extinguirem-se

20 Linhas grossas = transições normais para cliente; Linhas pontilhadas = transições normais para servidor; e Linhas finas = transições anormais

21 Números de seqüência (sequence numbers) Importante que não se re-utilizem números de segmentos que ainda estejam circulando pela rede Existe um amplo espaço para numeração (32 bits) Valor inicial é definido por um relógio na fonte Máquinas devem evitar números de seqüência na faixa proibida Números de seqüência (enviados e confirmados) referem-se a bytes O ACK indica o próximo byte que o receptor espera receber Mesmo parâmetro utilizado para janelas: quantos bytes o destino está apto a receber Persistence timer Evita a seguinte situação: receptor enviou ACK com janela = 0, e depois com janela 0, mas esse último segmento perdeu-se ambos os lados agora esperam algo acontecer Origem temporiza pausas de transmissão e pergunta ao destino se ainda janela = 0

22 Controle de fluxo

23 Poĺıtica de transmissão Desde que respeitando a janela do receptor, a origem pode enviar dados segundo seu desejo Deve-se: Esperar (500 ms) para que uma quantidade de dados se acumule antes do envio para evitar tinygrams Aplicação pode solicitar um PUSH para forçar transmissão Atrasar o envio de ACK na esperança de que ele possa ser embutido em um segmento de dados Evitar a sindrome da janela boba Algoritmo de Nagle Uso tipico: aplicações como telnet Origem envia primeiro byte e armazena os seguintes Quando o primeiro byte é confirmado (ACK) envia aqueles armazenados e volta a armazenar os seguintes Não funciona com o movimento do mouse, que fica errático

24 Poĺıtica de transmissão Sindrome da janela boba

25 Controle de congestionamento Na Internet, com o protocolo de rede (IP) sendo sem conexão, a maior parte da responsabilidade em evitar congestionamentos cai sobre o protocolo de transporte (TCP)

26 Controle de congestionamento Problemas com capacidade do receptor: Utiliza janela deslizante Problemas com capacidade da rede: Perda de pacotes devido a ruído ou erros causados pelo meio são raros Assim, perda de pacote é causado por timeout E timeout é causado por congestionamento Conclusão: TCP assume que perda de pacotes é devido a congestionamento Janela de Congestionamento (congestion window) Fonte mantém janela de congestionamento (valor inicial: máximo tamanho de segmento) Se ACK recebido, janela de congestionamento tem valor dobrado até chegar ao limiar (valor inicial: 64 Kbytes) ou aumenta linearmente se já está acima do limiar Se ocorrer timeout, o limiar é reduzido a metade e a janela de congestionamento recomeça com o valor inicial

27 Controle de congestionamento Mecanismo denominado slow-start Janela de transmissão = valor mínimo entre janela do deslizante e janela de congestionamento

28 Controle de retransmissão Dificuldade em estimar o tempo correto de timeout Para funcionamento efetivo, retransmissão deve ser adaptativa Fonte monitora atraso do ACK e calcula o timeout utilizando análise estatística Densidade de probabilidade do tempo de recebimento do ACK (a) camada de enlace de dados; (b) camada de transporte

29 Controle de retransmissão Com uma nova medida M do tempo necessário para transmissão e recebimento do ACK (round trip time ou RTT), calcula-se Nova estimativa do round trip time: RTTnovo = RTT velho + (1 α) M onde α é um fator de escala (tipicamento 7/8) Estimativa do desvio padrão (D) do RTT Dnovo = α D velho + (1 α) RTT M Tipicamente o valor do timeout é dado por timeout = RTT + 4 D

30 Controle de retransmissão Algoritmo de Karn Quando ocorre timeout, o segmento TCP é retransmitido Quando o ACK chega, ele é para a transmissão original ou para o segmento retransmitido? Uma reposta incorreta pode ter uma influência muito negativa na estimativa do RTT O algoritmo de Karn recomenda atualizar o RTT sómente para segmentos que não são retransmitidos No caso de retransmissão, apenas dobrar o valor do timeout

31 Wireless TCP Enlaces por rádio (sem fio) tem confiabilidade mais baixa e podem perder mensagens/pacotes por causa do ruído Portanto a presunção do TCP de que retransmissão indica congestionamento não é mais válida Conexões TCP são fim-a-fim e podem incluir um segmento feito por rádio Alternativas: Quebrar a conexão TCP em 2 partes: a parte com fio e a parte sem fio Base Station antecipar-se e enviar ACK para evitar falso congestionamento

32 Transactional TCP (T/TCP) TCP não é eficiente para conexões de curta duração UDP não é confiável Uma solução: TCP transacional (a) TCP normal; (b) T/TCP

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