Redes de Computadores I

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1 UNIVERSIDADE FEDERAL RURAL DO SEMI-ÁRIDO DEPARTAMENTO DE CIÊNCIAS EXATAS E NATURAIS CURSO DE CIÊNCIA DA COMPUTAÇÃO Redes de Computadores I Nível de Transporte (TCP & UDP) Prof. Helcio Wagner da Silva. p.1/41

2 Introdução Na Arquitetura Internet, o Nível de Transporte pode fornecer tanto um serviço orientado à conexão como um serviço não-orientado à conexão. O Serviço orientado à conexão é prestado pelo TCP (Transmission Control Protocol), definido na RFC 793. A função do TCP é garantir a entrega de dados e na seqüência correta, haja vista que o protocolo de rede não provê tais garantias. O TCP provê ainda o controle de fluxo e de congestionamento fim a fim. O Serviço não-orientado à conexão é prestado pelo UDP (User Datagram Protocol), definido na RFC p.2/41

3 Formato do Segmento TCP 16 bits 16 bits Porta de origem Porta de destino Número de seqüência Número de reconhecimento Tamanho do Não cabeçalho usado U R G A C K P H S R S T S Y N F I N Tamanho da janela Checksum (cobre o cabeçalho e os dados) Ponteiro p/ dados urgentes Opções (tamanho variável) Dados (tamanho variável). p.3/41

4 Formato do Segmento TCP A Porta de origem (16 bits) é aquela utilizada pelo transmissor do segmento. A Porta de destino (16 bits) é aquela pela qual o receptor aguarda pelo segmento. Os Números de seqüência e de reconhecimento (32 bits) são usados para implementar um serviço confiável. O Tamanho da janela (16 bits) é um campo utilizado para controle de fluxo. O Tamanho do cabeçalho (4 bits) é tipicamente de 20 Bytes, haja vista que, na maioria das vezes, o cabeçalho não possui opções.. p.4/41

5 Formato do Segmento TCP As Opções são usadas para negociação do MSS (Maximum Segment Size) e colocação de marcas de tempo (timestamps), por exemplo. Bits RST, SYN e FIN: usados para estabelecer e encerrar conexões. Bit ACK: se 1, indica que o Número de reconhecimento é válido. Se 0, o segmento não contém uma confirmação e o Número de reconhecimento é ignorado. Bit PSH: indica que os dados do segmento devem ser passados para o nível superior imediatamente. Bit URG: indica a presença de dados urgentes, na posição indicada pelo Ponteiro para dados urgentes.. p.5/41

6 Números de Seqüência São aplicados sobre a cadeia de Bytes transmitidos, e não sobre a série de segmentos Arquivo Dados para o primeiro segmento Dados para o segundo segmento Números de seqüência para os primeiro e segundo segmentos, respectivamente Na prática, os números de seqüência iniciais não são inicializados em 0, mas sim aleatoriamente. O número de reconhecimento contém o número se seqüência do próximo Byte que o host está esperando.. p.6/41

7 Exemplo de Uso de Números de Seqüência... Cadeia de Bytes a serem enviados Seq=42, Ack=79, ACK= Cadeia de Bytes a serem enviados Seq=79, Ack=46, ACK= Seq=46, Ack=83, ACK= Seq=83, Ack=50, ACK= p.7/41

8 Piggyback Acknowledgement Conforme se viu, o reconhecimento para os dados contidos em um segmento pode ser levado em outro segmento contendo dados. Neste caso, diz-se que esse reconhecimento pegou uma carona no outro segmento de dados. Dá-se a isso o nome de piggyback a acknowledgement. a piggyback - [Noun]: a ride on the back and shoulders of another person. [Adverb, adj]: on the back and shoulders of another person. [Verb]: support on the back and shoulders; He piggybacked her child so she could see the show. Fonte: http : // reedictionary.com.. p.8/41

9 Controle de Erros O TCP usa uma combinação de dois mecanismos para controle de erros. No Go Back-N, os segmentos recebidos fora de ordem são imediatamente descartados. Na Retransmissão Seletiva, os segmentos recebidos fora de ordem são armazenados em um buffer intermediário. Quando o segmento faltante é recebido, a seqüência é reestabelecida. Esses mecanismos são também conhecidos como mecanismos de janelas deslizantes.. p.9/41

10 Mecanismo Go Back-N Remetente Destinatário seg5 seg4 seg3 seg2 seg1 seg0 envia seg0 envia seg1 envia seg2 envia seg3 (espera) recebe ACK0 envia seg4 recebe ACK1 envia seg5 expira a temporização do seg2 envia seg2 envia seg3 envia seg4 envia seg5 X recebe seg0 envia ACK0 recebe seg1 envia ACK1 recebe seg3, descarta envia ACK1 recebe seg4, descarta envia ACK1 recebe seg5, descarta envia ACK1 recebe seg2, entrega envia ACK2 recebe seg3, entrega envia ACK3 recebe seg4, entrega envia ACK4 recebe seg5, entrega envia ACK5. p.10/41

11 Mecanismo de Retransmissão Seletiva Remetente Destinatário seg5 seg4 seg3 seg2 seg1 seg0 envia seg0 envia seg1 envia seg2 envia seg3 (espera) recebe ACK0 envia seg4 recebe ACK] envia seg5 expira a temporização do seg2 envia seg2 X recebe seg0 envia ACK0 recebe seg1 envia ACK1 recebe seg3, armazena envia ACK3 recebe seg4, armazena envia ACK4 recebe seg5, armazena envia ACK5 recebe seg2 (reconstrói a seqüência) envia ACK2. p.11/41

12 Comparação Entre os Mecanismos Go Back-N: Servidor mais leve - não há necessidade de armazenamento temporário e remontagem de seqüência de segmentos ( ). Tráfego intenso pela rede - vários segmentos terão que ser retransmitidos ( ). Retransmissão Seletiva: Servidor mais complexo - há necessidade de armazenamento temporario e lógica de remontagem de segmentos ( ). Pouco trafego pela rede - apenas o segmento que falta deve ser retransmitido ( ).. p.12/41

13 Temporizador de Retransmissão O TCP associa um temporizador a cada segmento. Quando a temporização expira (devido a um reconhecimento perdido, por exemplo), o segmento é retransmitido. Por esta razão, este temporizador é chamado de temporizador de retransmissão.. p.13/41

14 Uso do Temporizador de Retransmissão Cadeia de Bytes a serem enviados Seq=92, ACK= temporização x Ack=96, ACK= Seq=92, ACK= Ack=96, ACK=1. p.14/41

15 Casos Especiais Cenário: dois segmentos são transmitidos e apenas o reconhecimento para o primeiro deles é perdido. 1a. hipótese: o reconhecimento para o segundo chega antes do temporizador associado ao primeiro expirar. O primeiro segmento não será retransmitido (reconhecimento cumulativo). 2a. hipótese: o reconhecimento para o segundo chega depois do temporizador associado ao primeiro expirar. O primeiro segmento (e apenas ele) terá que ser retransmitido.. p.15/41

16 1a. Hipótese Seq=92, ACK=0 x temporização Seq=96, ACK= Ack=96, ACK=1 Ack=100, ACK=1 Cadeia de Bytes a serem enviados p.16/41

17 Ack=100, ACK=1 2a. Hipótese Seq=92, ACK=0 Seq=96, ACK= Ack=96, ACK=1 Cadeia de Bytes a serem enviados x temporização Ack=100, ACK=1 Seq=92, ACK= p.17/41

18 Acelerando a Retransmissão Nem sempre o emissor de um segmento espera pelo temporizador de retransmissão. Ao perceber uma lacuna a, o TCP destinatário envia três reconhecimentos duplicados. Ao recebê-los, o TCP remetente efetua uma retransmissão rápida do segmento. Essa retransmissão e dita rápida porque ocorre antes do temporizador associado ao segmento faltoso expirar. a Uma falha na seqüência correta dos segmentos.. p.18/41

19 Exemplo de Retransmissão Acelerada Cadeia de Bytes a serem enviados Seq=92, ACK=0 Seq=96, ACK= x temporização Ack=92 Ack=92 Ack=92 Seq=92, ACK= p.19/41

20 Controle de Fluxo Serviço prestado pelo TCP para eliminar a possibilidade de o remetente saturar o buffer do destinatário. janela de recepção (RcvWindow) Dados vindos do IP Espaço disponível Dados do TCP no buffer Processo de Aplicação Buffer de recepção (RcvBuffer) O TCP destinatário armazena localmente as variáveis LastByteRead e LastByteRcvd.. p.20/41

21 Controle de Fluxo - Lado do Destinatário LastByteRead é o número do último Byte lido pelo nível superior (Aplicação). LastByteRcvd é o número do último Byte que chegou do Nível de Rede e foi posto no buffer. janela de recepção (RcvWindow) Dados vindos do IP Espaço disponível Dados do TCP no buffer Processo de Aplicação Buffer de recepção (RcvBuffer) RcvBuffer não pode ser ultrapassado, ou seja: LastByteRcvd - LastByteRead <= RcvBuffer. p.21/41

22 Controle de Fluxo - Lado do Destinatário A janela de recepção é assim definida: RcvWindow = RcvBuffer - (LastByteRcvd - LastByteRead) janela de recepção (RcvWindow) Dados vindos do IP Espaço disponível Dados do TCP no buffer Processo de Aplicação Buffer de recepção (RcvBuffer) Inicialmente, RcvWindow = RcvBuffer Os valores de RcvWindow são transmitidos ao remetente no campo Tamanho da janela.. p.22/41

23 Controle de Fluxo - Lado do Remetente O remetente, por sua vez, armazena duas variáveis: LastByteSent: número de seqüência do último Byte enviado; LastByteAcked: número de seqüência do último Byte reconhecido. O controle de fluxo se dá mantendo-se a inequação: LastByteSent - LastByteAcked <= RcvWindow Quando RcvWindow = 0, o remetente aguarda que o Nível de Aplicação consuma Bytes de RcvBuffer e um novo anúncio de janela seja feito pelo destinatário.. p.23/41

24 Controle de Fluxo - Lado do Remetente O que ocorre quando, após um anúncio de janela nula, um novo anúncio de janela (não nula) é perdido? O TCP emissor esperará infinitamente pelo anúncio? Ao receber um anúncio de janela nula, o remetente inicia também um temporizador. Este temporizador é denominado temporizador de persistência. Se um novo anúncio de janela é perdido, o temporizador de persistência expira; um segmento é enviado, e seu reconhecimento contém o novo valor de RcvWindow.. p.24/41

25 Dinâmica do Controle de Fluxo ACK=0, RcvWindow=5 Cadeia de Bytes a serem enviados Seq=92, ACK=0 Seq=95, ACK=0 ack=95, ACK=1, RcvWindow=2 ack=97, ACK=1, RcvWindow=0 ACK=0, RcvWindow= Anúncio de janela Aplicação lê 3 Bytes anúncio de janela Seq=92, ACK=0 ack=100, ACK=1, RcvWindow=0 ACK=0, RcvWindow=4 Aplicação lê 4 Bytes anúncio de janela. p.25/41

26 Abertura de Conexão Uma conexão TCP é aberta usando um procedimento conhecido como aperto de mão de três vias a. Os segmentos usados durante este procedimento não contêm dados do nível de Aplicação. Na maioria deles, o bit SYN é setado em 1. É na abertura de conexão que são definidos os números de seqüência iniciais e demais opções. Nos segmentos posteriores b, o bit SYN é setado em 0. a Ou, em inglês, three-way handshake. b Aqueles que carregam dados passados pelo Nível de Aplicação.. p.26/41

27 Three-way Handshake. p.27/41 Requisição de conexão (SYN=1, ACK=0, Seq=x) Conexão confirmada (SYN=1, ACK=1, Seq=y, Ack=x+1) Ack (SYN=0, ACK=1, Seq=x+1,Ack=y+1)

28 Encerramento de Conexão Após a troca de segmentos que carregam dados do Nível de Aplicação, ocorre o encerramento da conexão. Este procedimento, a exemplo da abertura, é definido por uma determinada seqüência de segmentos específicos. Cada entidade TCP fecha o seu lado da conexão com a outra entidade empregando segmentos com o bit FIN setado em 1. Os segmentos TCP carregam seus respectivos números de seqüência e reconhecimento.. p.28/41

29 Encerramento de Conexão. p.29/41 Requisição de desconexão (Seq=k, Ack=w+1, FIN=1, ACK=1) Requisição de desconexão (Seq=w, Ack=k, FIN=1, ACK=1) Ack (Seq=k, Ack=w+1, FIN=0, ACK=1) Ack (Seq=w+1, Ack=k+1, FIN=0, ACK=1)

30 Controle de Congestionamento Evita que segmentos não se percam excessivamente devido a congestionamento na rede. Controle de Fluxo (ajuste da taxa de transmissão para não transbordar o balde) Controle de Congestionamento (ajuste da taxa de transmissão para não transbordar o funil) Uma rede rápida alimentabdo um receptor de pequena capacidade Uma rede congestionada alimentando um receptor de grande capacidade. p.30/41

31 Controle de Congestionamento Para o controle de congestionamento, o TCP remetente mantém a janela de congestionamento (CongWin). A quantidade de dados que um remetente pode adicionar a uma conexão TCP é limitada também pela CongWin: LastByteSent - LastByteAcked <= min(congwin, RcvWindow) Há também outra variável, denominada limiar, que afeta o modo como a janela de congestionamento cresce.. p.31/41

32 Controle de Congestionamento Para melhor compreensão do algoritmo usado pelo TCP para controle de congestionamento, supõe-se que: 1. O buffer de recepção seja tão grande que a limitação imposta pela janela de recepção possa ser ignorada; 2. O remetente tem uma grande quantidade de dados a transmitir. Inicialmente, CongWin aumenta de forma exponencial, indo até o limiar a. Em seguida, ela aumenta linearmente até ocorrer um evento de perda. a Fase chamada de partida lenta, porque começa com uma janela pequena.. p.32/41

33 Controle de Congestionamento Janela de congestionamento (em segmentos) evento de perda limiar = 8 segmentos Número da transmissão. p.33/41

34 Dois Pesos, Duas Medidas Imediatamente após a ocorrência de um evento de perda, o valor do limiar é setado na metade da ConWin. O comportamento do emissor passará a ser regido pela natureza do evento de perda, que pode ser: 1. A recepção de três reconhecimentos duplicados; 2. A expiração de um temporizador de retransmissão. Imagens valem mais do que mil palavras.... p.34/41

35 Recepção de Três Reconhecimentos Duplicados recepção de três reconhecimentos duplicados!!! Janela de congestionamento (em segmentos) limiar = 8 segmentos (novo) limiar = 6 segmentos (12/2) Número da transmissão. p.35/41

36 Expira o Temporizador de Retransmissão expira o temporizador de retransmissão!!! Janela de congestionamento (em segmentos) limiar = 8 segmentos (novo) limiar = 6 segmentos (12/2) Número da transmissão. p.36/41

37 Controle de Congestionamento: Resumo da Ópera expira o temporizador de retransmissão!!! recepção de três reconhecimentos duplicados!!! Janela de congestionamento (em segmentos) limiar = 8 segmentos (novo) limiar = 6 segmentos (12/2) Número da transmissão. p.37/41

38 UDP (User Datagram Protocol) Definido na RFC 768, o UDP é usado por aplicações que não podem (ou não querem) pagar o preço do serviço prestado pelo TCP. Não há controle de erros. Não existe nem mesmo o conceito de conexão. Taxa de envio não-regulada: o UDP não provê controle de fluxo nem de congestionamento. Na prática, a taxa de recebimento é limitada apenas pela largura de banda. Apenas multiplexação/demultiplexação e detecção de erros em segmentos recebidos são realizadas.. p.38/41

39 Formato do Segmento UDP 16 bits 16 bits Porta de origem Porta de destino Tamanho (cobre o cabeçalho e os dados) Checksum (cobre o cabeçalho e os dados) Dados (tamanho variável). p.39/41

40 Detecção de Erros em Segmentos Recebidos Remetente realiza o complemento de 1 da soma de todas as palavras de 16 bits do segmento a, e o põe no campo Checksum. Destinatário faz a soma de todas as palavras de 16 bits, inclusive o checksum. Se não houve erros no envio, o resultado será Se pelo menos um daqueles bits for 0, sabe-se que um erro foi introduzido no segmento original. a Alguns campos do datagrama IP também entram nesse cálculo, e 0s são adicionados no final dos dados, se o total a ser somado não for um múltiplo de 16.. p.40/41

41 Detecção de Erros em Segmentos Recebidos Exemplo de cálculo do campo Checksum: 1a. palavra => a. palavra => a. palavra => Soma => Compl. de 1 => (Checksum) Quando o campo Checksum não é usado, todos os seus bits são setados em 0 a. Este procedimento é o mesmo usado pelo TCP. a Neste caso, o 0 verdadeiro é armazenado com todos os bits iguais a 1.. p.41/41