UNIVERSIDADE ESTADUAL DE MARINGÁ Centro de Tecnologia Departamento de Informática Redes de Computadores A CAMADA DE TRANSPORTE Prof.: Mauro Henrique Mulati
A CAMADA DE TRANSPORTE Roteiro TCP 2
A CAMADA DE TRANSPORTE Introdução ao TCP TCP (Transmission Control Protocol) Fornece um fluxo de bytes fim a fim confiável em um inter-rede não confiável Orientado a conexão (fornece um circuito virtual entre aplicações do usuário final) TCP deve retransmitir os segmentos sempre que necessário TCP deve reorganizar as mensagens na seqüência correta Entidade de transporte TCP Procedimento de biblioteca Processo do usuário Parte do núcleo do SO Gerencia fluxos e interfaces TCP para a camada IP Aceita fluxos de dados do usuário, divide-os em partes e envia cada parte em um datagrama IP distinto 3
A CAMADA DE TRANSPORTE O modelo de serviço do TCP Portas, conexões e extremidades O TCP usa a conexão, e não a porta do protocolo, como sua abstração fundamental; as conexões são identificadas por um par de extremidades Extremidade: (host, porta) Host: Endereço IP Porta: Porta TCP nesse host (128.10.2.3, 25): porta TCP 25 na máquina com endereço IP 128.10.2.3 Conexão: definida por suas duas extremidades (128.26.0.36, 1069) e (128.10.2.3, 25) (128.9.0.32, 1184) e (128.10.2.3, 53) (128.2.254.139, 1184) e (128.10.2.3, 53) N.º de porta TCP pode ser compartilhado por várias conexões 4
A CAMADA DE TRANSPORTE O modelo de serviço do TCP Portas, conexões e extremidades Soquete mecanismo que oferece uma extremidade para comunicação API para programação de aplicações sobre Internet Conjunto de primitivas de transporte Primitivas de soquetes usadas no UNIX de Berkeley para o TCP As primitivas de socket para o TCP. 5
O modelo de serviço do TCP Portas, conexões e extremidades Port Protocol Use 21 FTP File transfer 23 Telnet Remote login 25 SMTP E-mail 69 TFTP Trivial File Transfer Protocol 79 Finger Lookup info about a user 80 HTTP World Wide Web 110 POP-3 Remote e-mail access 119 NNTP USENET news Abaixo de 1024: portas bem conhecidas, serviços padrão Inetd (Internet daemon) Algumas portas atribuídas 6
O modelo de serviço do TCP TCP não admite os processos de multidifusão e difusão Conexão TCP é um fluxo de bytes e não um fluxo de mensagens (fronteiras não são preservadas) No UNIX, os arquivos também têm essa propriedade Aplicação repassa dados para entidade TCP Pode enviá-los imediatamente ou armazená-los em um buffer PUSH Dados urgentes (Ctrl-C p/ interromper processo remoto) (a) Quatro segmentos de 512 bytes enviados como datagramas IP separados (b) Os 2.048 bytes de dados entregues à aplicação em uma única chamada READ 7
O protocolo TCP Cada byte em uma conexão TCP tem seu próprio n.º de seqüência de 32 bits Segmento TCP: Cabeçalho fixo de 20 bytes (além da parte opcional) Carga útil IP: 65515 bytes MTU: Maximum transfer unit (taxa máxima de transferência) 1500 bytes (carga útil Ethernet) TCP usa protocolo de janela deslizante Envia segmento, dispara um timer Chega ao destino, entidade TCP receptora retorna um segmento (com ou sem dados) com um n.º de confirmação igual ao próximo n.º de seqüência que espera receber Se o timer expirar antes, o segmento será restransmitido 8
O protocolo TCP Segmentos podem chegar fora de ordem 3072 a 4095 podem chegar, mas não serão confirmados porque os bytes 2048 a 3071 ainda não chegaram 9
O cabeçalho do segmento TCP O cabeçalho TCP 10
O cabeçalho do segmento TCP Source port e destination port (16 bits cada) Sequence number (32 bits) Acknowledgement number (32 bits): próximo byte esperado e não o último byte recebido corretamente TCP header length (4 bits): Quantas palavras de 32 bits existem no cabeçalho URG: Campo de ponteiro de urgente é valido ACK: Campo de confirmação é válido PSH: Este segmento requer um PSH RST: Reinicia a conexão SYN: Sincroniza n.º s de seqüência FIN: Emissor alcançou final do seu fluxo de bytes 11
O cabeçalho do segmento TCP Window size (16 bits): indica quantos bytes podem ser enviados a partir do byte confirmado No TCP, as confirmações e a permissão para enviar dados adicionais são isoladas Recebi os bytes até k, mas não quero mais agora. Esse desacoplamento (na verdade, uma janela de tamanho variável) proporciona flexibilidade adicional 12
O cabeçalho do segmento TCP Checksum: para aumentar confiabilidade Total de verificação do cabeçalho, dos dados e do pseudocabeçalho O pseudocabeçalho incluído no total de verificação do TCP Ajuda a detectar pacotes extraviados Viola a hierarquia do protocolo UDP também utiliza 13
O cabeçalho do segmento TCP Options: Recursos extras Opção que permite a cada host estipular o máximo de carga útil do TCP que está disposto a receber Durante a configuração da conexão Pode anunciar sua capacidade máxima e avaliar a capacidade de seu parceiro Padrão: 536 bytes Nos dois sentidos não precisa ser o mesmo Window scale: fator de escala para a janela Permite deslocar o campo window size até 14 bits para a esquerda, janelas de até 2 30 bytes Retransmissão seletiva em vez do go back n NACK para permitir que o receptor solicite segmento(s) espe.(s) 14
O estabelecimento de conexões TCP CONNECT: endereço IP, porta, tamanho máximo, e opcionalmente alguns dados do usuário. SYN ativado e ACK desativado (...) (a) Estabelecimento de uma conexão TCP em condições normais. (b) Colisão entre chamadas N.º de seq. inicial é baseado no uso do clock Quando um host sofrer uma pane, ele não poderá reinicializar por um período equivalente a duração máxima de pacotes 15
Encerramento de conexões TCP São full-duplex Vamos considerar como sendo um par de conexões simplex Cada conexão simplex é encerrada de modo independente de sua parceira Bit FIN ativado: não há mais dados a serem transmitidos FIN é confirmado, esse sentido é destivado Dados podem fluir indefinidamente no outro sentido Dois sentidos desativados, conexão encerrada Quatro segmentos: um FIN e um ACK em cada sentido Primeiro ACK e segundo FIN podem ocupar o mesmo segmento Evitar problemas dos dois exércitos: timers Se uma resposta FIN não chegar em 2T, transmissor encerra Outro lado perceberá, e sofrerá um timeout 16
Modelagem do gerenciamento de conexões do TCP - Em cada estado, determinados eventos são válidos - Quando ocorre um evento válido, é possível executar uma ação - Outro evento, será reportado um erro Os estados usados na máquina de estados finitos para o gerenciamento de uma conexão TCP 17
Modelagem do gerenciamento de conexões do TCP Máquinas de estados finitos usada no gerenciamento de uma conexão TCP. A linha contínua mais escura representa o caminho normal de um cliente. A linha tracejada mais escura representa o caminho normal de um servidor. As linhas mais finas representam eventos incomuns. Cada transição é identificada pelo evento que a provoca e pela ação resultante dela, separados por uma barra 18
Política de transmissão do TCP Gerenciamento de janelas no TCP não está diretamente relacionado às confirmações Transmissores não são obrigados a enviar os dados assim que os receberem da aplicação. Nem os receptores tem a obrigação de enviar as confirmações imediatamente Gerenciamento de janelas no TCP 19
Política de transmissão do TCP Exceções Dados urgentes: por ex., para eliminar o processo na máquina remota Transmissor pode enviar um segmento de 1 byte para fazer com que o receptor anuncie novamente o próximo byte esperado e o tamanho da janela Para evitar impasse Exemplo Telnet, ssh Abordagem: retardar as confirmações e atualizações de janela durante 500 ms Algoritmo de Nagle Quando os dados chegarem ao transmissor um byte por vez, basta enviar o primeiro byte e armazenar no buffer todos os outros até que o byte pendente tenha sido confirmado, depois enviar o buffer em um único segmento 20
Política de transmissão do TCP Dados são repassados p/ a entidade TCP transmissora em grandes blocos, mas uma aplicação interativa no lado receptor lê os dados um byte por vez Forçar aguardar até que haja espaço considerável na janela para então anunciar o fato Tamanho máximo anunciado ou Metade de sua capacidade livre (o que for menor) Emissor pode ajudar não enviando segmentos pequenos Síndrome da janela boba 21
Controle de congestionamento do TCP Quando a carga oferecida a qualquer rede é maior que sua capacidade, acontece um congestionamento A Internet não é exceção a essa regra O controle é feito pelo TCP (trabalho mais pesado) Verdadeira solução é diminuir a taxa de transmissão de dados Idéia é não injetar um novo pacote na rede até que um pacote antigo saia da rede O TCP tenta alcançar esse objetivo manipulando dinamicamente o tamanho da janela Primeiro passo: Detectar congestionamento. timeout pode ser causado por: Ruído Pacote descartado em um roteador por congestionamento 22
Controle de congestionamento do TCP A maioria dos timeouts de transmissão se deve a congestionamentos Estabelecimento: Tamanho de janela adequado Para evitar congestionamento: Receptor pode especificar uma janela a partir do tamanho de seu buffer Se transmissor se mantiver dentro do tamanho da janela, não haverá problemas causados pela sobrecarga dos buffers na extremidade receptora, mas eles ainda poderão ocorrer devido a congestionamentos internos na rede 23
Controle de congestionamento do TCP (a) Uma rede rápida alimentando um receptor de pequena capacidade. (b) Uma rede lenta alimentando um receptor de grande capacidade 24
Controle de congestionamento do TCP Problemas em potencial: Capacidade da rede Capacidade do receptor Lidar com cada um em separado Cada transmissor mantém duas janelas Janela fornecida pelo receptor Janela de congestionamento O n.º de bytes que pode ser transmitido é o valor mínimo entre as duas janelas 25
Controle de congestionamento do TCP Ex.: 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 Se o receptor pedir: Envie 8 KB Transmissor souber que rajadas de até 32 KB passam pela rede sem problemas Enviará os 8 KB solicitados 26
Controle de congestionamento do TCP Conexão estabelecida: Transmissor ajusta a janela de congestionamento ao tamanho do segmento máximo em uso na conexão Envia um segmento máximo Se confirmado antes do timeout Transmissor dobra o tamanho do segmento A medida que cada um desses segmentos for confirmado, a janela de congestionamento será aumentada em um tamanho de segmento máximo da janela de congestionamento (dobrada) Janela de congestionamento mantém crescimento exponencial até que ocorra um timeout (ou que a janela do receptor seja alcançada) Se janelas de 1024, 2048 e 4096 bytes funcinarem bem, mas uma rajada de 8192 bytes causar um timeout Janela de congestionamento deverá ser mantida em 4096 bytes Não importando quanto espaço de janela o receptor ofereça Algoritmo de inicialização lenta (Jacobson, 1988) 27
Controle de congestionamento do TCP Na Internet: Terceiro parâmetro: limiar (inicialmente 64 KB) Além das janelas: Do receptor De congestionamento Quando há timeout: O limiar é definido como a metade da janela de congestionamento atual E a janela de congestionamento é redefinida como um segmento máximo Em seguida, a inicialização lenta é usada para determinar o que a rede é capaz de gerenciar, exceto pelo fato de o crescimento exponencial ser interrompido quando o limiar é alcançado A partir daí, as transmissões bem-sucedidas proporcionam um crescimento linear à janela de congestionamento 28
Controle de congestionamento do TCP Tamanho da janela de congestionamento (kilobytes) Tamanho máximo do segmento: 1024 bytes ou 1 KB Em principio, a janela de congestionamento tinha 64 KB, mas houve timeout limiar foi definido com 32 KB e janela de congestionamento 1 KB p/ transmissão 0 Exponencialmente até chegar a 32 KB a partir daí, crescimento linear Um exemplo de algoritmo de congestionamento da Internet 29
Controle de congestionamento do TCP Se não ocorrerem outros timeouts A janela de congestionamento continuará a crescer até atingir o tamanho da janela do receptor Nesse ponto ele pára de crescer e permanece constante desde que: Não ocorra outro timeout A janela do receptor não mude de tamanho Se chegar um pacote SOURCE QUENCH do ICMP e for repassado ao TCP, esse evento será tratado como se tivesse ocorrido um timeout (existe abordagem mais recente: RFC 3168) 30
Gerenciamento de timers do TCP TCP utiliza vários timers 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 Se o timer expirar antes de a confirmação chegar, o segmento será retransmitido (e o timer será disparado novamente) Qual deve ser o intervalo de timeout? Camada de enlace: retardo esperado é bastante previsível (pequena variância) -> timer pode ser programada para expirar logo após o momento em que a confirmação é esperada Camada de transporte: ambiente radicalmente distinto 31
Gerenciamento de timers do TCP (a) Densidade de probabilidades de tempos de chegada de confirmações na camada de enlace de dados (b) Densidade de probabilidades de tempos de chegada de confirmações para o TCP 32
Gerenciamento de timers do TCP Determinar tempo de ida e volta para o destino não é uma tarefa fácil Mesmo quando o tempo é conhecido, também é difícil decidir sobre o intervalo de timeout Se o timeout for curto demais, T1, ocorrerão retransmissões desnecessárias, sobrecarregando a Internet com pacotes inúteis Por outro lado, se for longo demais, T2, o desempenho será prejudicado devido ao longo retardo de retransmissão sempre que um pacote se perder Média e variância na distribuição da chegada das confirmações podem mudar com muita rapidez em um intervalo de poucos segundos, devido à ocorrência ou à resolução de um congestionamento 33
Gerenciamento de timers do TCP Solução: utilizar algoritmo altamente dinâmico que ajuste constantemente os intervalos de timeout Com base na contínua avaliação do desempenho da rede No TCP (criado por Jacobson (1988) ) Para cada conexão, RTT Melhor estimativa no momento para o tempo de percurso de ida e volta até o destino em questão Segmento enviado, timer disparado Não só para verificar quanto tempo a confirmação leva para chegar Também para acionar uma retransmissão, caso a confirmação demore demais para chegar Se confirmação votar antes de o timer expirar, TCP medirá o tempo necessário, que será M 34
Gerenciamento de timers do TCP Em seguida, TCP atualiza RTT: RTT = RTT 1 M = 7 8 =0,875 RTT =0,875 RTT 0,125 M 35
Gerenciamento de timers do TCP Mesmo que RTT seja adequado, não é trivial escolher timeout para retransmissão Em geral, TCP utiliza: Valor para Implementações iniciais: RTT =2 Experiência mostrou que um valor constante era inflexível, não atendia casos com variância maior Em 1988 Jacobson propôs: tornar aproximadamente proporcional ao desvio-padrão da função de densidade de probabilidades de tempos de chegada de confirmações Grande variância, alto valor de Pequena variância, baixo valor de 36
Gerenciamento de timers do TCP Foi sugerido o desvio-médio, uma forma econômica do desvio padrão Algoritmo de Jacobson exige o controle de outra variável de suavização, D, o desvio Sempre que uma confirmação chega, é calculada a diferença entre os valores esperados e os valores observados RTT-M Valor suavizado dessa expressão é mantido em D pela fórmula: D= D 1 RTT M Onde pode ou não ter o mesmo valor para usado para suavizar RTT Mesmo que D não seja exatamente igual ao desvio-padrão, ela atende às necessidade da rede Pode ser realizada usando-se apenas somas, subtrações e deslocamentos de inteiros 37
Gerenciamento de timers do TCP Por fim, intervalo de timeout: Timeout=RTT 4 D Fator 4: escolha é arbitrária Multiplicação realizada com um único deslocamento Minimiza o n.º de timeouts e retransmissões desnecessárias Menos de 1% de todos os pacotes chegam com um atraso de mais de 4 vezes o desvio padrão Problema: quando um segmento é retransmitido e a confirmação chega: se refere à primeira ou a uma transmissão posterior? Não atualizar RTT em qualquer segmento que tenha sido retransmitido Em vez disso, intervalo de timeout seria duplicado a cada falha, até os segmentos chegarem ao destino da primeira vez Algoritmo de Karn 38
Gerenciamento de timers do TCP Timer de retransmissão não é o único que o TCP utiliza Timer de persistência, para evitar impasse a seguir Receptor envia confirmação com um tamanho de janela 0 Mais tarde, receptor atualiza a janela, mas pacote com atualização se perde Agora, tanto o transmissor quanto o receptor estão esperando que o outro faça algo Quando o timer de persistência expirar, o transmissor enviará um teste ao receptor A resposta ao teste fornece o tamanho da janela Se ela ainda for zero, o timer de persistência será ativado novamente Se for diferente de zero, os dados poderão ser transmitidos 39
Gerenciamento de timers do TCP Timer keepalive (mater vivo) Quando conexão permanece inativa por muito tempo O timer keepalive pode expirar, fazendo um lado verificar se o outro lado ainda está ativo Se o outro lado não responder, a conexão será encerrada Recurso polêmico: Além de aumentar o overhead Pode encerrar uma boa conexão devido a uma partição transitória da rede Timer empregado no estado TIMED WAIT durante o encerramento É executado por um tempo igual a 2 vezes a duração máxima dos pacotes Para garantir que, quando uma conexão for fechada, todos os pacote criados por ela também serão extintos 40
UDP: User Datagram Protocol UDP: Transmite dados entre hosts sem confiabilidade Transmite segmentos (chamadas de datagramas do usuário) Sem conexão Não confiável Não realiza controle de erros nem retransmite após a recepção de um segmento incorreto Não usa confirmações (não é confiável) Não realiza controle de fluxo Não realiza controle de congestionamento Não reagrupa os segmentos de entrada Cabe ao processo do usuário 41
OS PROTOCOLOS DA INTERNET: UDP Introdução ao UDP Principal motivo de se ter o UDP em relação ao uso do IP bruto é a adição das portas de origem e destino Sem os campos de portas, a camada de transporte não saberia o que fazer com o pacote O cabeçalho do UDP Quando um pacote UDP chega, sua carga útil é entregue ao processo associado à porta de destino Associação ocorre quando a primitiva BIND ou algo semelhante é usado Fornece uma interface para o protocolo IP com o recurso adicional de demultiplexação de vários processos que utilizam as portas 42
OS PROTOCOLOS DA INTERNET: UDP Introdução ao UDP UDP é especialmente útil: Aplicações cliente/servidor DNS (Domain Name System) Não é necessário nenhuma configuração antecipada e também nenhum encerramento posterior Basta enviar duas mensagens pela rede 43
OS PROTOCOLOS DA INTERNET: UDP Remote Procedure Call Etapas na criação de uma chamada de procedimento remoto. Os stubs estão sombreados 44
OS PROTOCOLOS DA INTERNET: UDP Remote Procedure Call Idéia: tornar uma chamada de procedimento remoto o mais semelhante possível a uma chamada local Stub do cliente Stub do servidor Esses procedimento ocultam o fato de que a chamada de procedimento do cliente até o servidor não é local Reunião dos parâmetros é chamada de empacotamento (marshaling) 45
OS PROTOCOLOS DA INTERNET: UDP Remote Procedure Call Problemas Passagem de parâmetros por ponteiros Linguagem com tipificação fraca, como C Ex.: Procedimento que calcula o produto interno de dois vetores sem especificar o tamanho de cada vetor. Poderia terminar com um valor especial Não tem como determinar o tamanho do vetor a ser passado Nem sempre é possível deduzir os tipos dos parâmetros Não é possível usar variáveis globais E ainda... RPC não precisa usar pacotes UDP, mas RPC e UDP se adaptam muito bem Mas pode ser necessário instalar uma conexão TCP (T/TCP) Parâmetros ou resultados maiores que o pacote UDP máximo Operações não são idempotentes 46
OS PROTOCOLOS DA INTERNET: UDP O RTP (Real-time Transport Protocol) Aplicações multimídia em tempo real (a) A posição do RTP na pilha de protocolos (b) O aninhamento de pacotes 47
OS PROTOCOLOS DA INTERNET: UDP O RTP (Real-time Transport Protocol) O cabeçalho do RTP 48