Redes de Computadores I Prof. Mateus Raeder

Transcrição

1 Redes de Computadores I Prof. Mateus Raeder Universidade do Vale do Rio dos Sinos - São Leopoldo - Camada de Transporte É responsável pela transmissão lógica dos dados A camada de enlace é responsável pela transmissão física Dois tipos de transmissão: Orientado a conexão TCP Transmission Control Protocol Não orientado a conexão UDP User Datagram Protocol 1

2 Camada de Transporte O transporte dos dados pode ser tratado na camada de enlace Entretanto, o transporte trabalha com a pior hipótese (enlace não controlar o transporte) Isto, então, é tratado logicamente na Camada de Transporte Na camada de Rede (abaixo do Transporte), sabe-se apenas o host destino Sem distinções entre qual aplicação receberá Camada de Transporte TCP e UDP acrescentam um mecanismo que escolhe diferentes locais de entrega em um host Porta Vários aplicativos enviam e recebem mensagens individualmente Necessário, pois os Sistemas Operacionais geralmente são multitarefa Várias tarefas ao mesmo tempo 2

3 Camada de Transporte Portas identificam os diferentes processos sendo executados São definidas como um número inteiro positivo Processos que utilizam a rede utilizam determinada porta para comunicação Um processo transmissor precisa conhecer não somente o endereço IP do destino, mas também a porta a ser utilizada Identifica host e aplicação Camada de Transporte Além da identificação do destino, a porta de origem deve ser enviada também Assim, o processo receptor pode responder a mensagem ao processo origem Origem Destino : : : :16784 Identifica a conexão, permitindo Várias conexões entre Origem e Destino 3

4 UDP (User Datagram Protocol) Protocolo do nível de transporte Entrega de mensagens sem conexão Não confiável O UDP também permite a distinção entre os vários processos (aplicativos) nos hosts Uma mensagem UDP carrega dados, porta de destino e porta de origem Mensagens UDP são Datagramas UDP (User Datagram Protocol) Aplicações que utilizam UDP são totalmente responsáveis por lidar com confiabilidade Perda de mensagens Duplicação de mensagens Retardo de mensagens Erros de transmissão Erros de conexão 4

5 UDP (User Datagram Protocol) Porta Origem Porta Destino Tamanho Checksum Dados Datagrama UDP possui 2 partes Cabeçalho Dados UDP (User Datagram Protocol) Porta Origem Porta Destino Tamanho Checksum Dados Portas Origem e Destino Número de 16 bts, utilizado para entregar os datagramas entre os programas 5

6 UDP (User Datagram Protocol) Porta Origem Porta Destino Tamanho Checksum Dados Tamanho Tamanho total incluindo cabeçalho e dados Contagem de octetos (valor mínimo é 8) UDP (User Datagram Protocol) Porta Origem Porta Destino Tamanho Checksum Dados Checksum Soma de verificação Verifica se o Datagrama UDP está correto VERIFICA mas não RECUPERA erros 6

7 UDP (User Datagram Protocol) Checksum Campo opcional Preenchido com zeros no caso de não ser usado Mínimo overhead possível Unicamente para verificar se os dados chegaram intactos e possam ser usados Para realizar o Checksum, o UDP utiliza mais informações do que existem no seu cabeçalho Adiciona-se um pseudocabeçalho ao datagrama UDP (User Datagram Protocol) Checksum O pseudocabeçalho é criado com o IP origem e destino e o campo protocolo De onde vem estas informações? Do datagrama IP, e não do UDP O Tamanho é o único campo extraído do UDP IP Origem IP Destino (zeros) Protocol Tamanho Pseudoheader 7

8 UDP (User Datagram Protocol) Checksum Acrescenta um octeto de zeros para preencher, fazendo-o um múltiplo de 16 bits A soma de verificação é calculada com todo o objeto IMPORTANTE: pseudoheader não percorre a rede IP Origem IP Destino (zeros) Protocol Tamanho Pseudoheader UDP (User Datagram Protocol) Checksum Remetente O remetente calcula a soma dos valores contidos nos campos Realiza complemento de 1 no resultado Coloca no campo checksum da mensagem Destino Cria o pseudocabeçalho Realiza o mesmo cálculo do remetente Soma o resultado ao checksum 8

9 UDP (User Datagram Protocol) Checksum Se o resultado for 0, não houve erros na mensagem Checksum é opcional Coloca-se 0 quando não deseja E se o checksum no remetente resultar em 0? Neste caso, todos os bits do checksum são marcados em 1 UDP (User Datagram Protocol) Porta Origem Porta Destino Tamanho Checksum Dados Dados Dados do usuário O que será entregue para a Camada de Aplicação 9

10 UDP (User Datagram Protocol) Encapsulamento Cabeçalho UDP Dados Cabeçalho IP Cabeçalho UDP Dados Cabeçalho Ethernet Cabeçalho IP Cabeçalho UDP Dados UDP (User Datagram Protocol) Multiplexação e demultiplexação Multiplexar: dados que saem da Camada de Aplicação e passam para a Camada de Transporte Acrescentar informações Demultiplexar: dados que saem da Camada de Transporte e passam para a Camada de Aplicação Retirar informações Baseados nas portas definidas na comunicação No destino, UDP aceita as mensagens da Camada de Rede e desmultiplexa com base na porta destino do UDP 10

11 UDP (User Datagram Protocol) Multiplexação e demultiplexação UDP recebe um datagrama Verifica se a porta de destino combina com alguma das que podem ser utilizadas Caso não haja, envia uma mensagem de erro ICMP de porta inalcançável (port unreacheable), descartando o datagrama Se encontra a combinação informada, enfileira na porta da aplicação Fila cheia: mensagem descartada UDP (User Datagram Protocol) Multiplexação e demultiplexação Porta X Porta Y Porta Z Porta W UDP: realiza a demultiplexação de acordo com a porta Camada de Rede 11

12 UDP (User Datagram Protocol) UDP não realiza diversas ações Controle de fluxo Controle de erros Retransmissão de mensagens incorretas Sequenciamento de mensagens Fornece apenas a principal tarefa dos protocolos de transporte Entrega dos dados na Camada de Aplicação UDP (User Datagram Protocol) Trata-se de um protocolo simples Implementação Utilização Aplicações de tempo real (como Voz sobre IP (VoIP), por exemplo) necessitam desta simplicidade Deve ser utilizado em aplicações que não requerem segurança nos dados Velocidade e simplicidade 12

13 UDP (User Datagram Protocol) Desvantagens Não confirma a entrega dos dados Não ordena os dados enviados Os erros devem ser tratados na aplicação Vantagens Facilidade de implementação e utilização Menos overhead na rede Sem mensagens de controle TCP (Transmission Control Protocol) O protocolo TCP implementa a funcionalidade não implementada no UDP Orientação a conexão Trata-se, então, de uma implementação mais complexa O protocolo TCP tem o objetivo de sanar os erros de envio das camadas mais baixas Todas entregando pacotes de forma não confiável 13

14 TCP (Transmission Control Protocol) As aplicações inúmeras vezes necessitam enviar grandes volumes de dados entre si Sistemas não confiáveis e não orientados a conexão Trazem tarefas nem sempre desejáveis aos programadores, pois eles são os que precisam controlar os erros que vão ocorrer O TCP realiza estes controles para os aplicativos TCP (Transmission Control Protocol) Quatro características Orientação de streams Dados são considerados streams (fluxo) de bits O receptor recebe a mesma sequência de bytes que o remetente enviou Circuito virtual: Como uma chamada telefônica (chamada/aceita) A comunicação deve ser autorizada Durante transferência, protocolos continuam se comunicando para eventuais erros 14

15 TCP (Transmission Control Protocol) Quatro características Transmissão bufferizada: Programas enviam streams de dados através do circuito virtual Repassam diversos octetos para o protocolo Cada aplicativo pode enviar a quantidade de dados que achar necessário O protocolo, então, entrega estes octetos na mesma ordem que recebeu O protocolo pode, então, dividir o stream de dados em quantas partes ele desejar TCP (Transmission Control Protocol) Quatro características Transmissão bufferizada (cont.): Quanto mais dados houver no datagrama, mais eficaz e com menos tráfego na rede será a comunicação Se a aplicação gerar blocos muito extensos, o protocolo pode dividir em pequenas partes para transmissão Conexão full duplex Permitem transferência de dados nas duas direções De A B e de B A 15

16 TCP (Transmission Control Protocol) O TCP garante os fluxos de uma máquina para a outra sem duplicação e sem perda de dados Utiliza-se a técnica conhecida como Confirmação Positiva com Retransmissão Positive Acknowledgement with Retransmition Esta técnica requer que um destinatário envia uma mensagem de confirmação (ACK) TCP (Transmission Control Protocol) O remetente mantém registro de cada pacote enviado aguarda confirmação para enviar o próximo pacote Quando envia um pacote, dispara um timer Retransmite o pacote quando o timer expira sem um ACK retornado 16

17 TCP (Transmission Control Protocol) Envio sem problemas na transmissão Origem Envio do pacote 1 Recebe ACK 1 Envio do pacote 2 Destino Recebe pacote 1 Envio do ACK 1 Recebe pacote 2 Envio do ACK 2 Recebe ACK 2 TCP (Transmission Control Protocol) Envio com problemas na transmissão Envio do pacote 1 Início timer Origem Destino Fim do timer Retransmite pacote 1 Recebe pacote 1 Envio do ACK 1 Recebe ACK 1 17

18 TCP (Transmission Control Protocol) Janelas deslizantes (Go-back-N) Para conseguir confiabilidade, emissor aguarda o ACK de cada pacote enviado Só então envia o próximo pacote Rede permanece ociosa durante este tempo Janelas deslizantes: tornam a transmissão de pacotes mais eficiente (vários pacotes antes do ACK) Mais complexa que a confirmação positiva vista anteriormente TCP - Janela Deslizante N Janela inicial (tamanho 3) O protocolo cria uma janela de tamanho fixo Pode transmitir todos os pacotes que se encontram nesta janela antes de receber uma confirmação Um pacote é dito não-confirmado se foi enviado e nenhum ACK retornou Máximo de confirmações: tamanho da janela 18

19 TCP - Janela Deslizante N Janela desliza Quando o remetente recebe um ACK para o primeiro pacote da janela Desliza a janela Envia o próximo pacote A janela continua deslizando de acordo com a chegada das confirmações ACK 1 recebido: TCP - Janela Deslizante N Janela desliza ACK 3 recebido: N Janela desliza Indica que até o 3 (inclusive) Já chegaram todos corretamente Não enviados Enviados Confirmados 19

20 ACK 4 recebido: TCP - Janela Deslizante N ACK 7 recebido: Janela desliza N Janela desliza Não enviados Enviados Confirmados TCP - Janela Deslizante Envia PCT 0 Envia PCT 1 Envia PCT 2 (espera) Recebe ACK 0 Envia PCT 3 Timeout PCT 1 Envia PCT 1 Envia PCT 2 Envia PCT 3... Remetente Receptor Recebe PCT 0 Envia ACK 0 Recebe PCT 2 (descarta) Recebe PCT 3 (descarta) Recebe PCT 1 Envia ACK 1 Recebe PCT 2 Envia ACK 2 Recebe PCT 3 Envia ACK 3 20

21 TCP - Janela Deslizante Com um mecanismo bem ajustado de janela Rede fica com mais pacotes trafegando Tráfego mais eficiente na rede do que uma técnica de confirmação simples, baseada somente em ACKs Mecanismo de janela continua oferecendo transferência confiável Garante a ordem da entrega das mensagens TCP Janela variável TCP permite que o tamanho da janela varie com o tempo Cada confirmação de recebimento contém uma informação sobre quantos pacotes o receptor está preparado para aceitar Assim, o remetente atualiza o tamanho da sua janela de acordo com a capacidade informada pelo receptor Aumento da capacidade do receptor, aumento da janela Diminuição da capacidade do receptor, diminuição da janela Fornece melhor controle de fluxo e transferência confiável Controle de fluxo é essencial para redes e hosts heterogêneos Cada um com sua velocidade e capacidade Melhor utilização da rede 21

22 Pacote TCP A unidade de transferência entre dois hosts com TCP é chamada de segmento ou pacote Pacotes são trocados para estabelecer conexões Piggybacking (carona): permite envio de controle junto dos dados Em uma mensagem, pode ser enviado um ACK anterior Ameniza o overhead Cada pacote TCP é dividido em duas partes Cabeçalho Dados Pacote TCP Porta Origem Porta Destino Número de sequência Número ACK Tamanho cabeçalho Não usado U R G A C K P S H R S T S Y N F I N Tamanho da janela Checksum Ponteiro de urgência Opções (0 ou mais palavras de 32 bits) Dados 22

23 Pacote TCP Portas destino e origem Número de sequência: do pacote do remetente Número ACK: número de confirmação que identifica o próximo número de sequência esperado pelo outro host (receptor) Tamanho do cabeçalho: especifica o tamanho do cabeçalho do pacote TCP. Tamanho mínimo é de 5 palavras de 32 bits Não usado: reservados para uso futuro Pacote TCP Bits de controle (identificam a finalidade do segmento) URG: o campo Ponteiro Urgente é válido ACK: o campo Número ACK é válido PSH: força a entrega da mensagem (push empurrar) Receptor não armazena a mensagem até encher o buffer RST: reiniciar a conexão Caso tenha ficado confusa devido falhas no host, por exemplo Rejeitar uma conexão ou um segmento inválido SYN: sincroniza números de sequência (estabelece conexão) FIN: remetente não tem dados 23

24 Pacote TCP Ponteiro urgente: deslocamento de bytes no fluxo de dados em que existem dados urgentes Tamanho da janela: especifica o tamanho da janela (em bytes) que será usada na conexão Técnica de piggybacking Bits todos em 0: Interrompe a transmissão por um tempo Para receber novamente, basta enviar o Tamanho da Janela diferente de 0 Pacote TCP Checksum: similar ao cálculo do UDP, com o pseudo cabeçalho Ponteiro urgente: identifica que o receptor deve receber os dados o mais rápido possível Não bufferiza Não depende da sua posição no fluxo de dados Por exemplo, abortar conexão antes de chegar ao fim Informação deve ser recebida antes do processamento dos dados Seguirá com bit URG ativado 24

25 Opções TCP Options: pode conter 0 ou mais opções Cada opção começa com um campo de 1 octeto que indica o tipo da opção Em seguida, 1 octeto que indica o tamanho da opção Opção de Tamanho Máximo de Segmento (Maximum Segment Size MSS) Combina entre as extremidades o tamanho máximo do segmento a ser transferido Permite que receptor diga o tamanho máximo, permitindo comunicação entre máquinas e redes heterogêneas de maneira mais eficiente Opções TCP Opção de Tamanho Máximo de Segmento (Maximum Segment Size MSS) cont... Se não estão na mesma rede física, podem tentar descobrir a MTU ( capacidade da rede ) mínima ao longo do caminho Escolha de MSS é crítica Muito pequeno: pode causar overhead e sobrecarga na rede Muito grandes: podem obrigar roteadores a fragmentar o pacote diversas vezes, diminuindo o desempenho da rede Qual o tamanho de segmento ideal? O maior possível sem exigir fragmentação alguma!! Prática é muito difícil 25

26 Opções TCP Opção de Janela móvel A janela do cabeçalho IP tem 16 bits Máximo do tamanho é 64Kbytes Para acomodar janelas maiores, a opção de Escala de Janela apresenta campos que permitem informar o tamanho real da nova janela Opção de estampa de tempo Ajuda o TCP a calcular o atraso na rede Valor de tempo e um de estampa de tempo de resposta de eco Remetente: coloca a hora no estampa ao enviar um pacote Receptor: copia o tempo para o campo resposta de eco e manda confirmação Receptor sabe o tempo total gasto desde o envio do segmento Opções TCP Retransmissão Seletiva Substituir o Go-back-N No Go-back-N, quando o receptor recebe um defeituoso seguido de vários perfeitos, todos os perfeitos deverão ser retransmitidos Na Retransmissão Seletiva, o receptor reconhece individualmente todos os pacotes recebidos corretamente Armazena em um buffer conforme necessário para entregar em ordem à camada superior 26

27 Opções TCP Retransmissão Seletiva O remetente deverá retransmitir os pacotes que não receberam confirmação (ACK) Temporizador para cada pacote sem ACK Janela existe no remetente Com os números de sequência consecutivos Limita quantidade de pacotes enviados sem reconhecimento Opções TCP Retransmissão Seletiva 27

28 TCP Abertura de conexão As duas extremidades da conexão (diferentemente do UDP) devem concordar em participar da transmissão A aplicação em uma extremidade realizará a abertura passiva: Indica que aceitará uma conexão que irá chegar em uma determinada porta Na outra extremidade, a aplicação realiza a abertura ativa Indicará que deseja estabelecer uma conexão com determinada porta em determinado host TCP Controle da conexão Três fases Estabelecimento da conexão Transmissão de dados Encerramento da conexão Flags SYN: indica solicitação de conexão FIN: indica finalização da conexão RST: indica o reset da conexão ACK: indica um reconhecimento de recebimento de pacote 28

29 TCP Estabelecimento da conexão Handshaking de 3 vias Primeiro handshake: bit SYN marcado Segundo handshake: SYN e ACK marcados Terceiro handshake: somente uma confirmação Origem A Destino B SYN SYN + ACK ACK TCP Números de sequência iniciais Handshaking realiza 2 funções importantes: Garante dois lados prontos para transmitir Permite que os lados saibam os números de sequência inicial Máquinas escolhem números de sequência iniciais aleatoriamente As extremidades devem conhecer os números de sequência umas das outras A envia SYN junto com seu número de sequência (x) para B B recebe o SYN, guarda o número de sequência do fluxo de A, e responde com seu número de sequência (y), dizendo que espera o número de sequência x+1 agora de A - A guarda o número de sequência de B e confirma dizendo que espera por y+1 29

30 TCP Números de sequência iniciais TCP Fechando uma conexão O término da conexão deve ser realizado de maneira controlada Conexões são full duplex, e vão nos dois sentidos independentemente Quando um aplicativo TCP não possui mais dados para enviar, fecha a conexão em uma direção Somente a sua metade Quando um lado recebe um pedido de encerramento, deve avisar a aplicação Entretanto, a aplicação poderá continuar enviando dados pela sua metade de conexão 30

31 TCP Fechando uma conexão Host A Host B FIN + ACK ACK Dados ACK dos dados FIN + ACK ACK TCP Fechando uma conexão A conexão estará encerrada quando os dous sentidos da conexão estiverem desativados São necessários, de modo geral, 4 segmentos TCP para encerrar uma conexão FIN e ACK em um sentido e FIN e ACK no outro sentido Pode ocorrer com apenas 3 segmentos? Sim!! O primeiro ACK e o segundo FIN podem ser enviados pelo mesmo segmento (de carona ) Somente 3 segmentos 31

32 TCP Reinício da conexão Algumas vezes condições anormais forçam a interrupção da conexão Um lado inicia o término com o bit RST setado O outro lado responde imediatamente com outro segmento de reset, abortando a conexão O TCP informa ao programa aplicativo que houve um aborto TCP Política de transmissão Vamos supor que o receptor tem um buffer de 5000 bytes Se o remetente enviar um segmento de 3000 bytes, o receptor confirmará o recebimento Porém, até que alguma aplicação retire do buffer, o buffer possui 2000 bytes restantes Esta informação (2000 bytes) vai para a janela do remetente O remetente envia mais 2000 bytes, e são confirmados Receptor anunciará janela 0, pois não cabem mais dados (buffer cheio) Assim, o remetente deve parar de enviar mensagens até uma janela maior ser anunciada 32

33 TCP Política de transmissão Existem 2 exceções para estes casos: Setar os Dados Urgentes, para que o usuário remoto elimine o processo executado na máquina remota, liberando o buffer O remetente pode enviar um segmento de 1 byte para fazer com que o receptor anuncie novamente o próximo byte enviado e o tamanho da janela TCP Política de transmissão 33

34 TCP Síndrome da janela boba Um problema que pode diminuir muito o desempenho do TCP Dados repassados para o remetente são muito grandes, mas uma aplicação consome os dados um byte por vez Buffer do lado receptor fica cheio, e o remetente sabe disso (janela é 0) A aplicação então lê 1 caractere do fluxo TCP O que acontece? Receptor fica bem faceiro e envia a janela de tamanho 1 TCP Síndrome da janela boba Qual a solução? Evitar que o receptor envie uma atualização de janela para 1 byte Ele é forçado a aguardar até que haja espaço considerável para anunciar sua janela Mas, qual é o espaço considerável? Difícil de prever É definido que o receptor não pode enviar uma atualização de janela até que ele possa lidar com o tamanho máximo do segmento (MSS) anunciado no começo da conexão, ou até metade da capacidade do seu buffer (o que for menor) 34