CAPÍTULO 6 A CAMADA DE TRANSPORTE

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1 CAPÍTULO 6 A CAMADA DE TRANSPORTE 6.1 OS SERVIÇOS DE TRANSPORTE: SERVIÇOS OFERECIDOS ÀS CAMADAS SUPERIORES: Tem como objetivo de oferecer um serviço confiável, eficiente e econômico a seus usuários. Para tal ela utiliza vários serviços oferecidos pela camada de rede. O hardware/software que executa tal tarefa é chamado de entidade de transporte e pode estar em: - No kernel do sistema operacional. - Em um outro processo de usuário. - Em um pacote de biblioteca vinculado a aplicações de rede, ou - Na placa de interface de rede. Figura 6.1 As camadas de rede, de transporte e de aplicação.

2 A mesma oferece serviços orientados e não orientados à conexão, tal como a camada de rede oferece. A razão para tais serviços é a de se ter um maior controle sobre as conexões de rede QUALIDADE DE SERVIÇO: No melhor caso a QdS da camada de transporte vem a ampliar a QdS oferecida pela camada de rede. Retardo no estabelecimento da conexão. Probabilidade de falha no estabelecimento da conexão. Throughput. Retardo de trânsito. Taxa de erros residuais. Proteção. Prioridade Resilência Figura 6.2 Parâmetros típicos para a qualidade de serviço da camada de transporte PRIMITIVAS DE SERVIÇO DE TRANSPORTE: Permite que os usuários de transporte tenham acesso ao serviço de transporte.

3 Primitiva TPDU enviada Significado LISTEN (nenhuma) Bloquear até que algum processo tente se conectar. CONNECT CONNECTION REQ. Tentar ativamente estabelecer uma conexão. SEND DATA Enviar informações. RECEIVE (nenhuma) Bloquear até uma TPDU DATA chegar. DISCONNECT DISCONNECTION REQ. Este lado quer encerrar a conexão. Figura 6.3 As primitivas para um serviço de transporte simples. Figura 6.4 Aninhamento de TPDUs, pacotes e quadros. O encerramento de uma conexão de transporte tem duas variantes a saber: ASSIMÉTRICA: Qualquer dos usuários de transporte pode encerrar uma conexão de transporte. SIMÉTRICA: Ambas as partes devem executar a primitiva DISCONNECT.

4 Connection request TPDU received Connection request TPDU received TPDU received Disconnection request Disconnection request TPDU received Figura 6.5 Diagrama de estados para um mecanismo de gerenciamento de conexão simples. As transições em itálico são acionadas pela chegada de um pacote. As linhas contínuas mostram a seqüência de estados do cliente. As linhas pontilhadas mostram a seqüência de estados do servidor. Berkeley Sockets: São primitivas SOCKET usadas no Berkeley UNIX para o TCP. Primitiva SOCKET BIND LISTEN ACCEPT CONNECT SEND RECEIVE CLOSE Significado Cria um novo ponto final de comunicação. Anexa um endereço local a um socket. Anuncia a disposição para aceitar conexões; mostra o tamanho da fila. Bloquear o responsável pela chamada até uma tentativa de conexão ser recebida. Tenta estabelecer uma conexão ativamente. Envia alguns dados através da conexão. Recebe alguns dados através da conexão. Encerra a conexão.

5 6.2 ELEMENTOS DOS PROTOCOLOS DE TRANSPORTE: Os protocolos de transporte, em alguns aspectos lembram os protocolos de enlace de dados, pois ambos tem de lidar com o controle de erros, com a definição de seqüências e com o controle de fluxo, entre outras coisas. Figura 6.7 (a) Ambiente da camada de enlace de dados. (b) Ambiente da camada de transporte. - Na camada de enlace de dados em conexões ponto a ponto não é necessário explicitar o destino. Na camada de transporte o mesmo é imperativo. - O estabelecimento da conexão inicial é simples na camada de enlace de dados e complexo na camada de transporte. - Na camada de transporte há decorrente da camada de rede a possibilidade dos pacotes chegarem fora de ordem. - Os controles de buffers e de fluxos são necessários em ambas as camadas, porém devem ser tratados de forma diferente na camada de transporte devido ao número elevado de conexões ENDEREÇAMENTO: Tanto no transporte com conexão quanto no sem conexão os endereços dos pontos de acesso aos serviços devem ser explicitados.

6 - Na camada de transporte TSAP. - Na camada de rede NSAP. Figura 6.8 TSAPs, NSAPs e conexões. Figura 6.9 Como um processo do usuário no host 1 estabelece uma conexão com o servidor de hora do dia no host 2.

7 Outra modalidade de servidor é o servidor de nomes ou também servidor de diretórios ESTABELECIMENTO DE UMA CONEXÃO: Parece simples, porém com os problemas que uma sub-rede congestionada pode causar, o mesmo torna-se complexo. O ponto crucial do problema é a existência de duplicações atrasadas. - Usar endereços de transporte descartáveis. - Atribuir a cada conexão um identificador, escolhido pelo cliente, e colocado em uma TPDU. - Para evitar que os pacotes permaneçam na sub-rede eternamente, pode-se restringir o tempo de vida dos pacotes usando-se uma das seguintes técnicas: - Restringindo-se o projeto de sub-rede. - Usando-se um contador de hops em cada pacote. - Usando-se um timestamp em cada pacote. Tomlinson (1975) propôs o uso de um relógio (contador) tal como ilustrado na Figura 6.10.!"" # $ % ( &' " Figura 6.10 (a) As TPDUs não podem entrar na área proibida. (b) O problema da resincronização.

8 Dois problemas ocorrem e são os seguintes: - Seqüenciamento após uma falha (Figura 6.10 (a)). - Taxa de envio menor que a do relógio (Figura 6.10 (b)). Para evitar o problema causado pela duplicação de requisições de conexão, Tomlinson (1975) criou o HANDSHAKE DE TRÊS VIAS. Figura 6.11 Três cenários de protocolos para o estabelecimento de uma conexão usando o handshake de três vias. CR e ACK correspondem a CONNECTION REQUEST e CONNECTION ACCEPTED respectivamente. (a) Operação normal. (b) Antiga CR duplicada que surge repentinamente. (c) CONNECTION REQUEST e ACK duplicadas..

9 6.2.3 ENCERRAMENTO DE UMA CONEXÃO: - Simétrico. - Assimétrico. Figura 6.12 Desconexão abrupta com perda de dados. B B W Figura 6.13 O problema dos dois exércitos.

10 Figura 6.14 Quatro situações de protocolo de estabelecimento de conexões. (a) Caso normal de handshake trilateral. (b) ACK final perdido. (c) Resposta perdida. (d) Resposta perdida e DRs subseqüentes perdidas CONTROLE DE FLUXO E USO DE BUFFERS: Comparação com a camada de enlace de dados: - Semelhança: Janela deslizante. - Diferença: Os roteadores tem poucas linhas e os hosts podem ter inúmeras conexões.

11 Figura 6.15 (a) Cadeia de buffers de tamanho fixo. (b) Cadeia de buffers de tamanho variável. (c) Um grande buffer circular por conexão. '! -#!!"#$% &$# &$# '!$#&((&$ #$!)(" &$ &$#) (#( *+%&(!#$!($$$# %# ##& &$ (#$#!( (($$$#,#($$# Figura 6.16 Alocação dinâmica de buffers. As setas mostram a direção da transmissão. As reticências (...) indicam a perda de uma TPDU.

12 Quando o espaço em buffer deixar de limitar o fluxo máximo, surgirá outro gargalo: a capacidade de transporte da sub-rede. Belsnes (1975) propôs o uso de um esquema de controle de fluxo com uma janela deslizante, no qual o tamanho da janela é ajustado de acordo com a capacidade de transporte da sub-rede MULTIPLEXAÇÃO: Figura 6.17 (a) Multiplexação ascendente. (b) Multiplexação descendente RECUPERAÇÃO DE FALHAS: Se a camada de rede oferece serviços de datagramas, a camada de transporte estará sempre esperando por TPDUs em atraso. Se a camada de rede oferece serviço de circuito virtual, somente um novo estabelecimento de circuito seguido de uma indagação por TPDUs recebidas trará bons resultados. Um problema mais grave é quando a falha ocorre:

13 !" ( #$ %&# % &#!"!#$ '$$($) ($($ ( '$$($! *( '$$($$ Figura 6.18 Diferentes combinações das estratégias do cliente e do servidor. 6.3 UM PROTOCOLO DE TRANSPORTE SIMPLES: As primitivas de serviço são as seguintes: Primitiva TPDU enviada Significado LISTEN (nenhuma) Bloquear até que algum processo tente se conectar. CONNECT CONNECTION REQ. Tentar ativamente estabelecer uma conexão. SEND DATA Enviar informações. RECEIVE (nenhuma) Bloquear até uma TPDU DATA chegar. DISCONNECT DISCONNECTION REQ. Este lado quer encerrar a conexão. Figura 6.3 As primitivas para um serviço de transporte simples.

14 6.3.1 EXEMPLO DE PRIMITIVAS DE SERVIÇO: Os parâmetros das primitivas de serviço e dos procedimentos de biblioteca são os seguintes: numcom = LISTEN(local) numcom = CONNECT(local, remoto) status = SEND(numcom, buffer, bytes) status = RECEIVE(numcom, buffer, bytes) status = DISCONNECT(numcom) EXEMPLO ENTIDADE DE TRANSPORTE: A camada de transporte utiliza as primitivas do serviço de rede para enviar e receber TPDUs. As primitivas do serviço de rede são diferentes do serviço ser: Não orientado à conexão. Orientado à conexão. A interface da camada de rede é estabelecida através dos procedimentos to_net e from_net, cujos parâmetros são: - Identificador de conexão, que mapea os circuitos virtuais da rede um a um. - Os bits Q e M que quando setados em 1 indicam uma mensagem de controle e que mais dados seguem na próxima mensagem. - Tipo de pacote.

15 Pacote de rede Significado CALL REQUEST Enviado para estabelecer uma conexão. CALL ACCEPTED Resposta a CALL REQUEST. CLEAR REQUEST Enviado para encerrar uma conexão. CLEAR CONFIRMATION Resposta a CLEAR REQUEST. DATA Usado para transportar dados. CREDIT Controla o pacote de gerenciamento de janelas. Figura 6.19 Os pacotes da camada de rede usados no nosso exemplo. - Um ponteiro para os dados. - Indica o volume de bytes de dados. A camada de rede pode controlar o fluxo de mensagens da camada de transporte, pelo uso dos comandos enable_transport_layer e disable_transport_layer. Outros procedimentos de suspensão são sleep e wakeup. Cada conexão sempre está em um dos seguintes estados: 1. IDLE A conexão ainda não foi estabelecida. 2. WAITING A primitiva CONNECT foi executada e um pacote CALL REQUEST foi enviado. 3. QUEUED Um pacote CALL REQUEST chegou, mas a primitiva LISTEN ainda não foi executada. 4. ESTABLISHED A conexão foi estabelecida. 5. SENDING O usuário está aguardando permissão para enviar um pacote. 6. RECEIVING Foi executada uma primitiva RECEIVE. 7. DISCONNECTING Foi executada uma primitiva DISCONNECT localmente.

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20 6.3.3 EXEMPLO DE MÁQUINA DE ESTADOS FINITA: - 7 estados por conexão eventos para mudança de estados. - 5 são as primitivas de serviço. - 6 pacotes válidos por chegar. - 1 expiração do temporizador.!! " "##$! % % % #$ % # #&' " #('!) #*') #+'!) #,' - -&' -/' % -('"! -0'" -*'! -1' -+' % -&2'! " -,' " -&&' -.'! -&('- )% Figura 6.21 O exemplo de protocolo como uma máquina de estados finita. Cada entrada tem um predicado opcional, uma ação opcional e um novo estado. O til indica que nenhuma ação mais importante foi executada. Um traço sobre um predicado indica a negação do predicado. As entradas em branco correspondem a eventos impossíveis ou inválidos.

21 As vantagens de representar o protocolo com uma matriz são: - Facilidade para o programador verificar periodicamente cada combinação de estado e evento, e constatar se alguma intervenção é necessária. - Está na própria implementação, no qual os elementos em a ij são vistos como um ponteiro ou índice para o procedimento que trataria da ocorrência do evento i no estado j. - Os protocolos sempre são apresentados tal como na Figura Como desvantagem tem-se que a mesma pode ser mais difícil de compreender que o código resultante. Como solução para o problema do entendimento tem-se: Figura 6.22 O exemplo de protocolo na forma de um grafo. Para tornar o processo mais simples, foram omitidas as transições que não alteram o estado da conexão.

22 6.4 OS PROTOCOLOS DE TRANSPORTE NA INTERNET (TCP e UDP): TCP Transmission Control Protocol. UDP User Datagram Protocol O MODELO DE SERVIÇO TCP:!"!!! #!! Primitiva SOCKET BIND LISTEN ACCEPT CONNECT SEND RECEIVE CLOSE Significado Cria um novo ponto final de comunicação. Anexa um endereço local a um socket. Anuncia a disposição para aceitar conexões; mostra o tamanho da fila. Bloquear o responsável pela chamada até uma tentativa de conexão ser recebida. Tenta estabelecer uma conexão ativamente. Envia alguns dados através da conexão. Recebe alguns dados através da conexão. Encerra a conexão.

23 As conexões TCP são identificadas nas duas extremidades pelos identificadores de socket, ou seja (socket1,socket2). Portas de número abaixo de 256 são conhecidas e são rservadas para serviços padrão: - TFP usa porta TELNET usa porta 23. Todas as conexões TCP são full-duplex e ponto a ponto. Uma conexão TCP é um fluxo de dados e não um fluxo de mensagens. %! $! $ # $ # &' Figura 6.23 (a) Quatro segmentos de 512 bytes enviados como datagramas IP separados. (b) Os bytes de dados entregues às aplicações em uma única chamada READ. &(' Quando uma aplicação passa dados para a entidade TCP, ela pode dependendo da necessidade, envia-los imediatamente (PUSH) ou armazenalos em buffer O PROTOCOLO TCP: A TPDU do TCP é denominada segmento e consiste de um cabeçalho fixo de 20 bytes (mais uma parte opcional), seguido de zero ou mais bytes de dados. O tamanho do segmento está restrito a dois fatores: - Deve ter o tamanho da carga útil do IP que é de bytes; ou - Deve estar contido na MTU (Maximum Transfer Unit) da rede.

24 Um roteador pode chegar a dividir um segmento em vários outros segmentos, dependendo da rede na qual o mesmo se destina. Tem como protocolo básico de controle de transporte o protocolo de janela deslizante, combinado com um temporizador O CABEÇALHO DE SEGMENTO TCP: ) # ( *( $! * +, - $.!, / 0 % 1 $ +* 2&3)4( ' #&' Figura 6.24 O cabeçalho TCP. Os seis flags de bits indicam: URG Indica um deslocamento de bit no número de seqüência no qual os dados urgentes deverão estar. ACK Indica que acknowledgement number é válido. PSH Força a entrega imediata dos dados à camada de aplicação. RST Usado para reinicializar uma conexãoperdida. SYN Usado para estabelecer uma conexão. SYN=1 e ACK=0 => Requisição. SYN=1 e ACK=1 => Aceitação. FIN Encerra uma conexão.

25 Figura 6.25 O pseudocabeçalho incluído na soma de verificação TCP GERENCIAMENTO DE CONEXÃO TCP: Utiliza o handshake de três vias. Figura 6.26 (a) Estabelecimento de uma conexão TCP em condições normais. (b) Colisão de chamada. O servidor aguarda possivelmente por uma conexão ao executar as primitiva LISTEN e ACCEPT. O cliente executa uma primitiva CONNECT, especificando: porta e IP do destinatário, tamanho máximo do segmento TCP que está disposto a aceitar e alguns dados opcionais do usuário. Ao chegar no destino, a entidade TCP verifica se a porta indicada está sendo executada.

26 - Se algum processo estiver na escuta da porta, a ele será entregue o segmento TCP. - Se não, um segmento TCP com RST = 1 será enviado indicando a rejeição da conexão. A desconexão é independente em cada direção, necessitando apenas do envio do quadro TCP com o bit FIN=1 e de uma confirmação. O número de seqüência é controlado por um relógio que pulsa a cada 4 µs. Após uma falha, o host só poderá ser reiniciado após esgotado o tempo de vida máximo de um pacote. O problema dos dois exércitos é contornado com temporizadores POLÍTICA DE TRANSMISSÃO TCP:! Figura 6.29 O gerenciamento de janelas no TCP.

27 Quando a janela for 0 duas excessões podem ocorrer: - Dados urgentes podem ser enviados para, por exemplo, permitir que o usuário elimine o processo executado na máquina remota. - O transmissor envia um segmento de 1 byte para fazer com que o receptor reanuncie o próximo byte aguardado e o tamanho da janela. Nagle (1984) propôs o seguinte algoritmo como forma de reduzir o desperdício de banda passante: - Trasmita somente um byte e armazene os demais, em caso de os dados chegarem em um byte por vez. - Em seguida envie todos os caracteres armazenados em um segmento. - Reinicie o processo de armazenamento. O algoritmo de Nagle não se aplica por exemplo para o controle do movimento do mouse. Figura 6.30 A síndrome da janela bora.

28 Clark (1982) providenciou a seguinte solução: - Força o transmissor a ter uma quantidade considerável de bytes a enviar. - O receptor deve enviar uma janela de atualização somente quando o mesmo tiver o tamanho máximo do segmento negociado em buffer, ou o buffer estiver parcialmente cheio. As soluções de Nagle e de Clark são complementares e devem operar em conjunto CONTROLE DE CONGESTIONAMENTO TCP: Para se controlar o congestionamento e mesmo tem que ser detectado. A tarefa da detecção já foi um problema. 5 % * 4 6*4 &' Figura 6.31 (a) Uma rede rápida alimentando um receptor de pequena capacidade. (b) Uma rede lenta alimentando um receptor de grande capacidade. &('

29 Sendo assim dois problemas potenciais existem: - A capacidade da rede, e - A capacidade do receptor. E conseqüentemente duas janelas deslizantes existem: - A adquirida inicialmente, e - A janela de congestionamento. Figura 6.32 Um exemplo do algoritmo de congestionamento da Internet GERÊNCIA DO TIMER TCP: - O TCP usa temporizadores múltiplos para conduzir seu trabalho. - O mais importante deles é o temporizador de retransmissão. - Uma questão importante é: Quanto deve durar o intervalo de timeout?

30 !! " " "! % & "! % & #$ #$ #$ #$ Figura (a) Densidade de probabilidade dos tempos de chagada na camada de enlace de dados. (b) Densidade de probabilidade dos tempos de chegada para o serviço TCP. Jacobson (1988) propôs que para cada conexão TCP, a variável RTT (Round Trip Time) deva ser atualizada periodicamente de acordo com a seguinte fórmula: RTT = αrtt + ( α )1 M onde: M É o tempo decorrido desde o envio dos dados até o recebimento do ACK. α - É um fator de suavização que determina o peso dado à estimativa anterior ( 7/8). Dentre os parâmetros avaliados, a escolha do timeout de retransmissão é o mais dofícil de avaliar. Sendo assim, Jacobson (1988) propôs a seguinte equação alternativa: D α D +=)1 ( α RTT M

31 onde: D É o desvio padrão da FDP do tempo de chagada das confirmações. Logo, o intervalo de timeout é definido como: Timeout = RTT + 4D Um problema: Como comportar perante retransmissões? Solução: Segundo Karm, uma nova estimativa do RTT deverá ocorrer somente sob condições normais. Caso contrário a estimativa consistirá em se dobrar o valor do RTT. Outros temporizadores: Temporizador de persistência: Serve para evitar impasses, em que a perda subseqüente de dados enviados para uma janela de recepção zero. Temporizador mantenha-vivo: (Keepalive timer). Usado para lembrar aos parceiros de se comunicarem um com o outro em caso de um período de inatividade muito longo. Timed Wait: Quando uma conexão é desfeita o mesmo é executado por duas vezes o tempo de vida máximo de um pacote para confirmar que quando a conexão for encerrada, todos os pacotes tenham sido entregues UDP (User Datagram Protocol): Consiste em uma forma de as aplicações enviarem datagramas IP brutos sem a necessidade de se estabelecer uma conexão.

32 Figura 6.34 O cabeçalho UDP UDP E TCP SEM FIO: TCP Indireto Bakne e Badrinath (1995) $! $!, 7( Figura A divisão de uma conexão TCP em duas conexões.