Redes de computadores e a Internet. Capítulo 3. Camada de transporte

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1 Redes de computadores e a Internet Capítulo Camada de transporte

2 2005 by Pearson Education - 2 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 Aprender sobre os protocolos de transporte na Internet: UDP: transporte não orientado à conexão TCP: transporte orientado à conexão Controle de congestionamento do TCP

3 2005 by Pearson Education - Camada de transporte.1 Serviços da camada de transporte.2 Multiplexação e demultiplexação. Transporte não orientado à conexão: UDP.4 Princípios de transferência confiável de dados.5 Transporte orientado à conexão: TCP Estrutura do segmento Transferência confiável de dados Controle de fluxo Gerenciamento de conexão.6 Princípios de controle de congestionamento.7 Controle de congestionamento do TCP

4 2005 by Pearson Education - 4 Protocolos e serviços de transporte Fornecem comunicação lógica entre processos de aplicação em diferentes hospedeiros Os protocolos de transporte são executados nos sistemas finais Lado emissor: quebra as mensagens da aplicação em segmentos e envia para a camada de rede Lado receptor: remonta os segmentos em mensagens e passa para a camada de aplicação Há mais de um protocolo de transporte disponível para as aplicações Internet: TCP e UDP

5 2005 by Pearson Education - 5 Camada de transporte vs. camada de rede Camada de rede: comunicação lógica entre os hospedeiros Camada de transporte: comunicação lógica entre os processos Depende dos serviços da camada de rede Analogia com uma casa familiar: 12 crianças enviam cartas para 12 crianças Processos = crianças Mensagens da aplicação = cartas nos envelopes Hospedeiros = casas Protocolo de transporte = Anna e Bill Protocolo da camada de rede = serviço postal

6 2005 by Pearson Education - 6 Protocolos da camada de transporte da Internet Confiável, garante ordem de entrega (TCP) Controle de congestionamento Controle de fluxo Orientado à conexão Não confiável, sem ordem de entrega: UDP Extensão do melhor esforço do IP Serviços não disponíveis: Garantia a atrasos Garantia de banda

7 2005 by Pearson Education - 7 Camada de transporte.1 Serviços da camada de transporte.2 Multiplexação e demultiplexação. Transporte não orientado à conexão: UDP.4 Princípios de transferência confiável de dados.5 Transporte orientado à conexão: TCP Estrutura do segmento Transferência confiável de dados Controle de fluxo Gerenciamento de conexão.6 Princípios de controle de congestionamento.7 Controle de congestionamento do TCP

8 2005 by Pearson Education - 8 Multiplexação/demultiplexação Demultiplexação no hospedeiro receptor: entrega os segmentos recebidos ao socket correto Multiplexação no hospedeiro emissor: coleta dados de múltiplos sockets, envelopa os dados com cabeçalho (usado depois para demultiplexação)

9 Como funciona a demultiplexação Computador recebe datagramas IP Cada datagrama possui endereço IP de origem e IP de destino Cada datagrama carrega 1 segmento da camada de transporte Cada segmento possui números de porta de origem e destino (lembre-se: números de porta bem conhecidos para aplicações específicas) O hospedeiro usa endereços IP e números de porta para direcionar o segmento ao socket apropriado 2005 by Pearson Education - 9

10 2005 by Pearson Education - 10 Demultiplexação não orientada à conexão Cria sockets com números de porta: DatagramSocket mysocket1 = new DatagramSocket(9111); DatagramSocket mysocket2 = new DatagramSocket(9222); Socket UDP identificado por dois valores: (endereço IP de destino, número da porta de destino) Quando o hospedeiro recebe o segmento UDP: Verifica o número da porta de destino no segmento Direciona o segmento UDP para o socket com este número de porta Datagramas com IP de origem diferentes e/ou portas de origem diferentes são direcionados para o mesmo socket

11 2005 by Pearson Education - 11 Demultiplexação não orientada à conexão DatagramSocket serversocket = new DatagramSocket(6428); P2 P P1 P1 SP: 6428 DP: 9157 SP: 6428 DP: 5775 SP: 9157 SP: 5775 cliente IP: A DP: 6428 servidor IP: C DP: 6428 cliente IP: B

12 2005 by Pearson Education - 12 Demux orientada à conexão Socket TCP identificado por 4 valores: Endereço IP de origem End. porta de origem Endereço IP de destino End. porta de destino Hospedeiro receptor usa os quatro valores para direcionar o segmento ao socket apropriado Hospedeiro servidor pode suportar vários sockets TCP simultâneos: Cada socket é identificado pelos seus próprios 4 valores Servidores Web possuem sockets diferentes para cada cliente conectado HTTP não persistente terá um socket diferente para cada requisição

13 Demux orientada à conexão P1 P4 P5 P6 P2 P1 P SP: 5775 DP: 80 S-IP: B D-IP: C SP: 9157 SP: 9157 cliente IP: A DP: 80 S-IP: A D-IP: C servidor IP: C DP: 80 S-IP: B D-IP: C cliente IP: B 2005 by Pearson Education - 1

14 Demux orientada à conexão servidor Web threaded P1 P4 P2 P1 P SP: 5775 DP: 80 S-IP: B D-IP: C SP: 9157 SP: 9157 cliente IP: A DP: 80 S-IP: A D-IP: C servidor IP: C DP: 80 S-IP: B D-IP: C cliente IP: B 2005 by Pearson Education - 14

16 2005 by Pearson Education - 16 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 entre o UDP transmissor e o receptor Cada segmento UDP é tratado de forma independente dos outros Por que existe um UDP? Não há estabelecimento de conexão (que possa redundar em atrasos) Simples: não há estado de conexão nem no transmissor, nem no receptor Cabeçalho de segmento reduzido Não há controle de congestionamento: UDP pode enviar segmentos tão rápido quanto desejado (e possível)

17 2005 by Pearson Education - 17 Mais sobre UDP Muito usado por aplicações de multimídia contínua (streaming) Tolerantes à perda Sensíveis à taxa Usos do UDP: DNS SNMP

18 2005 by Pearson Education - 18 Camada de transporte.1 Serviços da camada de transporte.2 Multiplexação e demultiplexação. Transporte não-orientado à conexão: UDP.4 Princípios de transferência confiável de dados.5 Transporte orientado à conexão: TCP Estrutura do segmento Transferência confiável de dados Controle de fluxo Gerenciamento de conexão.6 Princípios de controle de congestionamento.7 Controle de congestionamento do TCP

19 TCP: overview RFCs: 79, 1122, 12, 2018, 2581 Ponto-a-ponto: Um transmissor, um receptor Confiável, seqüencial byte stream: Não há contornos de mensagens Pipelined: (transmissão de vários pacotes sem confirmação) Controle de congestão e de fluxo definem tamanho da janela Buffers de transmissão e de recepção Dados full-duplex: Transmissão bidirecional na mesma conexão MSS: maximum segment size Orientado à conexão: Apresentação (troca de mensagens de controle) inicia o estado do transmissor e do receptor antes da troca de dados Controle de fluxo: Transmissor não esgota a capacidade do receptor 2005 by Pearson Education - 19

20 2005 by Pearson Education - 20 Estrutura do segmento TCP URG: dados urgentes (pouco usados) ACK: campo de ACK é válido PSH: produz envio de dados (pouco usado) RST, SYN, FIN: estabelec. de conexão (comandos de criação e término) contagem por bytes de dados (não segmentos!) número de bytes receptor está pronto para aceitar Internet checksum (como no UDP)

21 2005 by Pearson Education - 21 Número de seqüência e ACKs do TCP Números de seqüência: Número do primeiro byte nos segmentos de dados ACKs: Número do próximo byte esperado do outro lado ACK cumulativo P.: Como o receptor trata segmentos fora de ordem? A especificação do TCP não define, fica a critério do implementador

22 2005 by Pearson Education - 22 TCP Round Trip Time e temporização P.: como escolher o valor da temporização do TCP? Maior que o RTT Nota: RTT varia Muito curto: temporização prematura Retransmissões desnecessárias Muito longo: a reação à perda de segmento fica lenta P.: Como estimar o RTT? SampleRTT: tempo medido da transmissão de um segmento até a respectiva confirmação Ignora retransmissões e segmentos reconhecidos de forma cumulativa SampleRTT varia de forma rápida, é desejável um amortecedor para a estimativa do RTT Usar várias medidas recentes, não apenas o último SampleRTT obtido

23 TCP Round Trip Time e temporização EstimatedRTT = (1- )*EstimatedRTT + *SampleRTT Média móvel com peso exponencial Influência de uma dada amostra decresce de forma exponencial Valor típico: = 0, by Pearson Education - 2

24 2005 by Pearson Education - 24 Exemplos de estimativa do RTT

25 2005 by Pearson Education - 25 TCP Round Trip Time e temporização Definindo a temporização EstimatedRTT mais margem de segurança Grandes variações no EstimatedRTT -> maior margem de segurança Primeiro estimar o quanto o SampleRTT se desvia do EstimatedRTT: DevRTT = (1- )*DevRTT + * SampleRTT-EstimatedRTT (typically, = 0.25) Então ajustar o intervalo de temporização TimeoutInterval = EstimatedRTT + 4*DevRTT

26 2005 by Pearson Education - 26 Camada de transporte.1 Serviços da camada de transporte.2 Multiplexação e demultiplexação. Transporte não-orientado à conexão: UDP.4 Princípios de transferência confiável de dados.5 Transporte orientado à conexão: TCP Estrutura do segmento Transferência confiável de dados Controle de fluxo Gerenciamento de conexão.6 Princípios de controle de congestionamento.7 Controle de congestionamento do TCP

27 2005 by Pearson Education - 27 TCP: transferência de dados confiável TCP cria serviços de rdt em cima do serviço não-confiável do IP Pipelined segments ACKs cumulativos TCP usa tempo de retransmissão simples Retransmissões são disparadas por: Eventos de tempo de confirmação ACKs duplicados Inicialmente, considere um transmissor TCP simplificado: Ignore ACKs duplicados Ignore controle de fluxo, controle de congestionamento

28 2005 by Pearson Education - 28 Eventos do transmissor TCP Dado recebido da app: Crie um segmento com número de seqüência # seq é o número do byte-stream do 1 o byte de dados no segmento Inicie o temporizador se ele ainda não estiver em execução (pense no temporizador para o mais antigo segmento não-confirmado) Tempo de expiração: TimeOutInterval Tempo de confirmação: Retransmite o segmento que provocou o tempo de confirmação Reinicia o temporizador ACK recebido: Quando houver o ACK de segmentos anteriormente não confirmados Atualizar o que foi confirmado Iniciar o temporizador se houver segmentos pendentes

29 2005 by Pearson Education - 29 NextSeqNum = InitialSeqNum SendBase = InitialSeqNum loop (forever) { switch(event) event: dado recebido da aplicação acima cria segmento TCP com n o de seqüência NextSeqNum if (timer currently not running) start timer pass segment to IP NextSeqNum = NextSeqNum + length(data) event: tempo de confirmação do temporizador retransmit not-yet-acknowledged segment with smallest sequence number start timer event: ACK recebido, com valor do campo de ACK do y if (y > SendBase) { SendBase = y if (there are currently not-yet-acknowledged segments) start timer } } /* end of loop forever */ Transmissor TCP (simplificado) Comentário: SendBase-1: último byte do ACK cumulativo Exemplo: SendBase-1 = 71; y= 7, então o receptor deseja 7+ ; y > SendBase, então o novo dado é confirmado

30 TCP: cenários de retransmissão Cenário com perda do ACK 2005 by Pearson Education - 0 Temporização prematura, ACKs cumulativos

31 2005 by Pearson Education - 1 TCP: cenários de retransmissão Cenário de ACK cumulativo

32 2005 by Pearson Education - 2 Geração de ACK [RFC 1122, RFC 2581] Evento no receptor Ação do receptor TCP Segmento chega em ordem, não há lacunas, segmentos anteriores já aceitos Segmento chega em ordem, não há lacunas, um ACK atrasado pendente Segmento chega fora de ordem, número de seqüência chegou maior: gap detectado Chegada de segmento que parcial ou completamente preenche o gap ACK retardado. Espera até 500 ms pelo próximo segmento. Se não chegar, envia ACK Imediatamente envia um ACK cumulativo Envia ACK duplicado, indicando número de seqüência do próximo byte esperado Reconhece imediatamente se o segmento começa na borda inferior do gap

33 2005 by Pearson Education - Retransmissão rápida Com freqüência, o tempo de expiração é relativamente longo: Longo atraso antes de reenviar um pacote perdido Detecta segmentos perdidos por meio de ACKs duplicados Transmissor freqüentemente envia muitos segmentos back-to-back Se o segmento é perdido, haverá muitos ACKs duplicados Se o transmissor recebe ACKs para o mesmo dado, ele supõe que o segmento após o dado confirmado foi perdido: Retransmissão rápida: reenvia o segmento antes de o temporizador expirar

34 2005 by Pearson Education - 4 Algoritmo de retransmissão rápida event: ACK received, with ACK field value of y if (y > SendBase) { SendBase = y if (there are currently not-yet-acknowledged segments) start timer } else { increment count of dup ACKs received for y if (count of dup ACKs received for y = ) { resend segment with sequence number y } ACK duplicado para um segmento já confirmado retransmissão rápida

36 2005 by Pearson Education - 6 TCP: controle de fluxo Lado receptor da conexão TCP possui um buffer de recepção: Controle de fluxo Transmissor não deve esgotar os buffers de recepção enviando dados rápido demais Serviço de speed-matching: encontra a taxa de envio adequada à taxa de vazão da aplicação receptora Processos de aplicação podem ser lentos para ler o buffer

37 Controle de fluxo TCP: como funciona Receptor informa a área disponível incluindo valor RcvWindow nos segmentos Transmissor limita os dados não confinados ao RcvWindow Garantia contra overflow no buffer do receptor (suponha que o receptor TCP descarte segmentos fora de ordem) Espaço disponível no buffer = RcvWindow = RcvBuffer-[LastByteRcvd - LastByteRead] 2005 by Pearson Education - 7

39 2005 by Pearson Education - 9 Gerenciamento de conexão TCP TCP transmissor estabelece conexão com o receptor antes de trocar segmentos de dados Inicializar variáveis: Números de seqüência Buffers, controle de fluxo (ex.: RcvWindow) Cliente: iniciador da conexão Socket clientsocket = new Socket( hostname","port number"); Servidor: chamado pelo cliente Socket connectionsocket = welcomesocket.accept(); Three way handshake: Passo 1: sistema final cliente envia TCP SYN ao servidor Especifica número de seqüência inicial Passo 2: sistema final servidor que recebe o SYN, responde com segmento SYNACK Reconhece o SYN recebido Aloca buffers Especifica o número de seqüência inicial do servidor Passo : sistema final cliente reconhece o SYNACK

40 2005 by Pearson Education - 40 Gerenciamento de conexão TCP Fechando uma conexão: cliente fecha o socket: clientsocket.close(); Passo 1: o cliente envia o segmento TCP FIN ao servidor Passo 2: servidor recebe FIN, responde com ACK. Fecha a conexão, envia FIN

41 2005 by Pearson Education - 41 Gerenciamento de conexão TCP Passo : cliente recebe FIN, responde com ACK Entra espera temporizada - vai responder com ACK a FINs recebidos Passo 4: servidor, recebe ACK Conexão fechada Nota: com uma pequena modificação, pode-se manipular FINs simultâneos

42 2005 by Pearson Education - 42 Gerenciamento de conexão TCP Estados do cliente Estados do servidor

44 Princípios de controle de congestionamento Congestionamento: Informalmente: muitas fontes enviando dados acima da capacidade da rede de tratá-los Diferente de controle de fluxo! Sintomas: Perda de pacotes (saturação de buffer nos roteadores) Atrasos grandes (filas nos buffers dos roteadores) Um dos 10 problemas mais importantes na Internet! 2005 by Pearson Education - 44

45 2005 by Pearson Education - 45 Causas/custos do congestionamento: cenário 1 Dois transmissores, dois receptores Um roteador, buffers infinitos Não há retransmissão Grandes atrasos quando congestionado Máxima vazão alcançável

46 Causas/custos do congestionamento: cenário 2 Um roteador, buffers finitos Transmissor reenvia pacotes perdidos 2005 by Pearson Education - 46

47 Causas/custos do congestionamento: cenário 2 Sempre vale : = (tráfego bom) in out perfeita retransmissão somente quando há perdas: in Retransmissão de pacotes atrasados (não perdidos) torna perfeito ) para o mesmo out > out maior (que o caso in custos do congestionamento: Mais trabalho (retransmissões) para um dado tráfego bom Retransmissões desnecessárias: enlace transporta várias cópias do mesmo pacote 2005 by Pearson Education - 47

48 2005 by Pearson Education - 48 Causas/custos do congestionamento: cenário Quatro transmissores Caminhos com múltiplos saltos Temporizações/retransmissões P.: O que acontece quando aumentam? e in in

49 2005 by Pearson Education - 49 Causas/custos do congestionamento: cenário h o s p e d ei ro B h o s p e d ei ro A o u t Quando o pacote é descartado, qualquer capacidade de transmissão que tenha sido anteriormente usada para aquele pacote é desperdiçada!

50 Abordagens do produto de controle de congestionamento Existem duas abordagens gerais para o problema de controle de congestionamento: Controle de congestionamento fim-a-fim: Não usa realimentação explícita da rede Congestionamento é inferido a partir das perdas e dos atrasos observados nos sistemas finais Abordagem usada pelo TCP Controle de congestionamento assistido pela rede: Roteadores enviam informações para os sistemas finais Bit único indicando o congestionamento Taxa explícita do transmissor poderia ser enviada 2005 by Pearson Education - 50

52 TCP: controle de congestionamento Controle fim-a-fim (sem assistência da rede) Transmissor limita a transmissão: rate = CongWin é dinâmico, função de congestionamento das redes detectadas Como o transmissor detecta o congestionamento? Evento de perda = tempo de confirmação ou ACKs duplicados Transmissor TCP reduz a taxa (CongWin) após o evento de perda Mecanismos: AIMD Partida lenta CongWin RTT Bytes/sec 2005 by Pearson Education - 52

53 TCP AIMD Redução multiplicativa: diminui o CongWin pela metade após o evento de perda Aumento aditivo: aumenta o CongWin com 1 MSS a cada RTT na ausência de eventos de perda (ou seja, a cada reconhecimento) conexão TCP de longa-vida 2005 by Pearson Education - 5

54 2005 by Pearson Education - 54 TCP Partida lenta Quando a conexão começa, CongWin = 1 MSS Exemplo: MSS = 500 bytes e RTT = 200 milissegundos Taxa inicial = 20 kbps Largura de banda disponível pode ser >> MSS/RTT Desejável aumentar rapidamente até a taxa respeitável Quando a conexão começa, a taxa aumenta rapidamente de modo exponencial até a ocorrência do primeiro evento de perda

55 2005 by Pearson Education - 55 RTT TCP Partida lenta Quando a conexão começa, a taxa aumenta rapidamente de modo exponencial até a ocorrência do primeiro evento de perda : Dobra o CongWin a cada RTT Faz-se incrementando o CongWin para cada ACK recebido Sumário: taxa inicial é lenta mas aumenta de modo exponencialmente rápido Hospedeiro A Hospedeiro B tempo

56 2005 by Pearson Education - 56 Resumo Princípios por trás dos serviços da camada de transporte: Multiplexação/demultiplexação Transferência de dados confiável Controle de fluxo Controle de congestionamento Instanciação e implementação na Internet UDP TCP A seguir: Saímos da borda da rede (camadas de aplicação e de transporte) Vamos para o núcleo da rede