Curso: Redes II (Heterogênea e Convergente) Tema da Aula: Controle de Congestionamento

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1 Curso: Redes II (Heterogênea e Convergente) Tema da Aula: Controle de Congestionamento Professor Rene - UNIP 1

2 Revisão... Segmento A unidade de dados trocada entre as entidades de transporte é denominada de Segmento. O segmento é a unidade básica de transferência de dados do TCP. Cada segmento é entregue ao IP para transmissão em um único datagrama. Entretanto, a fragmentação pode ser necessária no nível de rede. Como é um protocolo orientado a byte o TCP é livre para dividir o stream de bytes em segmentos de qualquer tamanho para transmissão. Professor Rene - UNIP 2

3 Revisão... Segmento Professor Rene - UNIP 3

4 Revisão... Segmento Cada byte de um segmento de dados enviado em uma conexão TCP é visto como tendo um número de sequência.. O cabeçalho do TCP contém o número de sequência do primeiro byte do segmento. Cada lado de uma conexão TCP possui o seu próprio conjunto de números de sequência. Professor Rene - UNIP 4

5 Revisão... Segmento Professor Rene - UNIP 5

6 Revisão... Segmento O primeiro número de sequência para cada lado de uma conexão é especificado no estabelecimento da conexão. Para que uma conexão seja estabelecida os dois lados devem se sincronizar (concordar) com o número de sequência inicial de cada lado. Professor Rene - UNIP 6

7 Revisão... Segmento. O TCP usa o conceito de porta para identificar a aplicação destino. Os números das portas TCP variam de 0 a Portas de 0 a 1023 são reservadas para o acesso a serviços padrão, como FTP e Telnet (well-known ports). As portas permitem que vários processos dentro de uma estação utilizem simultaneamente as facilidades de transmissão do TCP. A associação de portas aos processos é tratada independentemente em cada estação. Professor Rene - UNIP 7

8 Revisão... Segmento (protocolotcp/ip) Professor Rene - UNIP 8

9 Quando a carga oferecida a qualquer rede é maior que sua capacidade, acontece um congestionamento. Embora a camada de rede também tente gerenciar o congestionamento, o trabalho mais pesado é feito pelo TCP, pois a verdadeira solução para o congestionamento é diminuir a taxa de transmissão de dados. Professor Rene - UNIP 9

10 O primeiro passo para gerenciar o congestionamento é detectá-lo. Hoje em dia, a perda de pacotes devido a erros de transmissão é relativamente rara, porque a maioria dos troncos de longa distancia é de fibra. Como consequência a maioria dos timeouts de transmissão na internet se deve a congestionamentos. Professor Rene - UNIP 10

11 O que o TCP faz para tentar evitar sua ocorrência? O TCP tem a sua capacidade de se adaptar rapidamente a variações na carga oferecida e na banda disponível, utilizando a perda de pacote como forma de retroalimentação. O controle de congestionamento da maioria das implementações atuais de TCP segue a proposta de Van Jacobson. Professor Rene - UNIP 11

12 O mecanismo baseia-se na ideia de que a taxa de chegada deve ser igual à taxa suportada pelo ponto da rede com maior estrangulamento (gargalo), ou seja, o transmissor deve usar os ACKs como "clock" para transmissão (ver a Figura ). Professor Rene - UNIP 12

13 Quando uma conexão é estabelecida, deve-se escolher um tamanho de janela adequado. O TCP utiliza um mecanismo de janela de congestionamento com início gradual (slow start) e diminuição multiplicativa (multiplicative decrease). Dessa forma, o transmissor possui uma variável chamada janela de congestionamento e outra chamada tamanho limite da janela (ssthresh), passando a determinar o número de pacotes à transmitir pelo menor valor entre a janela de congestionamento e o obtido pelo aviso de tamanho de janela. Professor Rene - UNIP 13

14 O receptor pode especificar uma janela a partir do tamanho de seu buffer. Se a transmissão se mantiver dentro do tamanho da janela, não haverá problemas causados pela sobrecarga dos buffers na extremidade receptora, mas ele ainda poderá ocorrer devido a congestionamento interno na rede. Professor Rene - UNIP 14

15 Professor Rene - UNIP 15

16 A solução da internet é entender que existem dois problemas potenciais, a capacidade da rede e a capacidade do receptor, e lidar com cada um deles separadamente. cada transmissor mantém duas janelas: janela fornecida pelo receptor e uma segunda janela, a janela de congestionamento. Cada uma reflete o número de Bytes que o transmissor pode enviar. O número de bytes que podem ser enviados é o numero mínimo entre as duas janelas. Professor Rene - UNIP 16

17 Desse modo a janela efetiva é a janela mínima que o transmissor imagina ser correta. Se o receptor pedir Envie 8 KB, mas o transmissor souber que qualquer rajada com mais de 4 KB irá congestionar a rede, ele enviará apenas 4 KB. A janela de congestionamento aumenta a cada rajada ate ocorrer o timeout e volta ao numero de bytes antecessor ao numero que causou o timeout. Professor Rene - UNIP 17

18 Se rajadas de tamanho igual a 1.024, e 4096 bytes funcionarem bem, mas uma rajada de 8192 bytes causar um timeout, a janela de congestionamento deverá ser mantida em 4096 bytes. Você sabe o que é ACK? Por meio de numero de sequencia, o transmissor numera os pacotes transmitidos. Por meio do ACK (acknolegment = confirmação) o destinatário responde sobre os pacotes que recebeu. Professor Rene - UNIP 18

19 Professor Rene - UNIP 19

20 Professor Rene - UNIP 20

21 Algoritmo de Controle de Congestionamento da Internet. A ideia básica desse algoritmo consiste em elevar gradualmente a taxa de transmissão de tráfego na rede até que uma situação de equilíbrio seja atingida. Ele utiliza um terceiro parâmetro, o limitante (threshold), que, em principio, é 64 KB, além das janelas do receptor e de congestionamento. Quando há um timeout, o limitante é atribuído à metade da janela de congestionamento atual, e a janela de congestionamento é reinicializada para um tamanho se segmento máximo. Professor Rene - UNIP 21

22 Algoritmo de Controle de Congestionamento da Internet. Quando há um timeout, o limiar é definido como a metade da janela de congestionamento atual, e a janela é redefinida como um segmento máximo. Em seguida, a inicialização lenta é usada para determinar o que a rede é capaz de gerenciar, só que agora o crescimento exponencial é interrompido quando o limite é alcançado. A partir dai, as transmissões bem-sucedidas proporcionam um crescimento linear à janelas de congestionamento. Na pratica, esse algoritmo diminui o tamanho da janela de congestionamento à metade, e depois retoma seu crescimento a partir daí. Professor Rene - UNIP 22

23 Um exemplo Algoritmo de Controle Professor Rene - UNIP 23

24 Um Exemplo Algoritmo de Controle O tamanha máximo do segmento aqui é 1024 bytes. A janela de congestionamento tem, em principio, 64 KB, mas há um timeout; portanto foi atribuído ao limite o valor de 32 KB, e 1 KB à janela de congestionamento para 0. Em seguida, a janela de congestionamento cresce de maneira exponencial até chegar ao limite (32 KB). A partir daí seu crescimento é linear. A transmissão 13 não tem muita sorte, e há um timeout. Ao limite é atribuído um valor que é a metade da janela atual (agora 40 KB, portanto, a metade é 20 KB), e o inicio lento começa outra vez. Professor Rene - UNIP 24

25 Um Exemplo Algoritmo de Controle Quando as confirmações da transmissão 18 começam a chegar, os quatro primeiros incrementam a janela de congestionamento em um segmento máximo cada um; depois disso, o crescimento volta a ser linear. Se não houver outro timeout, a janela de congestionamento continuará a crescer até atingir o tamanho da janela do receptor. Nesse ponto, ela para de crescer e permanece constante desde que não ocorra outro timeout e que a janela do receptor não mude de tamanho. Professor Rene - UNIP 25

26 Gerenciamento de Timers do TCP. O timer mais importante utilizado pelo TCP é o timer de retransmissão. Quando um segmento é enviado, um timer de retransmissão é ativado. Se o segmento for confirmado antes de o timer expirar, ele será interrompido. Por outro lado, se o timer expirar antes de a confirmação chegar, o segmento será retransmitido e o time disparado mais uma vez. Professor Rene - UNIP 26

27 Gerenciamento de Timers do TCP. Surge à pergunta, Qual deve ser o intervalo de timeout? Determinar o tempo de ida e volta para o destino não é uma tarefa fácil. Mesmo quando o tempo é conhecido, também é difícil sobre o intervalo do timeout. Se o timeout for curto demais, digamos T1 na figura abaixo, ocorrerão retransmissões desnecessárias, sobrecarregando a Internet com pacotes inúteis. Professor Rene - UNIP 27

28 Gerenciamento de Timers do TCP. Por outro lado, se ele for longo demais, T2, o desempenho será prejudicado devido ao longo retardo de retransmissão sempre que um pacote se perde. Professor Rene - UNIP 28

29 Gerenciamento de Timers do TCP. A solução é utilizar um algoritmo altamente dinâmico que ajuste constantemente os intervalos de timeout, com base na continua avaliação do desempenho da rede. Quando um segmento é enviado, um timer é disparado, não só para verificar quanto tempo à confirmação leva para chegar, como também para acionar uma retransmissão, caso a confirmação demore demais. Professor Rene - UNIP 29

30 Gerenciamento de Timers do TCP. Se a confirmação voltar antes de o timer expirar, o TCP medirá o tempo necessário, que será M. Em seguida, o TCP atualiza a variável RTT (ROUND TRIP TIME) de acordo com a formula: RTT = αrtt (1 α)m Onde α é um fator de suavização que determina o peso dado ao antigo valor. Normalmente α = 7/8. Professor Rene - UNIP 30

31 TCP e UDP Sem Fio Na teoria o TCP não deveria se preocupar com o fato de o IP esta sendo executado sobre fibra ou rádio. Na pratica o TCP foi otimizado para redes fisicamente conectadas, mas que falham no caso de redes sem fio. Professor Rene - UNIP 31

32 TCP e UDP Sem Fio O principal problema é o algoritmo de controle de congestionamento. Quase todas as implementações do TCP atuais pressupõem que os timeouts ocorrem devido a congestionamento, e não a pacotes perdidos. Consequentemente, quando um timer expira, o TCP diminui o ritmo e começa a transmitir de modo mais lento. Professor Rene - UNIP 32

33 TCP e UDP Sem Fio A ideia por trás dessa abordagem é reduzir a carga da rede e assim diminuir o congestionamento. Ao contrário da rede cabeada, o transmissor deve aumentar mais o ritmo, mas se o transmissor não souber em que tipo de rede está trabalhando, será difícil tomar a decisão correta. Professor Rene - UNIP 33

34 TCP e UDP Sem Fio Com frequência, o caminho entre o transmissor e o receptor não é homogêneo. Os primeiro 1000 km podem ser controlados por uma rede fisicamente conectada, enquanto o último quilômetro pode representar uma rede sem fio. Nessas circunstancia, é mais difícil ainda tomar uma decisão em relação ao timeout, pois é necessário saber onde ocorreu o problema. Professor Rene - UNIP 34

35 TCP e UDP Sem Fio O TCP indireto consiste em dividir a conexão TCP em duas conexões separadas, como ilustra a figura abaixo: Professor Rene - UNIP 35

36 TCP e UDP Sem Fio A vantagem deste mecanismo é que agora as duas conexões são homogêneas. Os timeouts da primeira conexão podem fazer com que o transmissor diminua o ritmo, enquanto o da segunda possa torna-la mais rápida. Professor Rene - UNIP 36

37 TCP Transacional Usando chamada remota de procedimentos para implementar sistema cliente/servidor. A sequência normal de pacotes para fazer uma RPC sobre TCP é mostrada na figura (a) abaixo: Professor Rene - UNIP 37

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