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Transporte
Referência:
Slides extraídos do material dos professores Jim Kurose e Keith Ross relativos ao livro “Redes de Computadores e a Internet – Uma abordagem top-down”, segunda e terceira edições
Alterações nos slides, incluindo sequenciamento, textos, figuras e novos slides, foram realizadas conforme necessidade
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Protocolos e Serviços de Transporte
• Fornecem comunicação lógicas entre processos de aplicação em diferentes hosts
• Os protocolos de transporte são executados nos sistemas finais da rede
• serviço de transporte vs serviços de rede :
• camada de rede: transferência de dados entre computadores (end systems)
• camada de transporte: transferência de dados entre processos
– utiliza e aprimora os serviços oferecidos pela camada de rede
aplicaçãotransporteeeredeenlacefísica
aplicaçãotransporte
redeenlacefísica
redeenlacefísica
redeenlacefísica
redeenlacefísica
redeenlacefísicarede
enlacefísica
transporte lógico fim-a-fim
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Protocolos da Camada de Transporte
Serviços de Transporte da Internet:
• confiável, seqüencial e unicast (TCP)
– congestionamento
– controle de fluxo
– orientado à conexão
• não confiável, não seqüencial, entrega unicast or multicast: UDP
• serviços não disponíveis:
– tempo-real
– garantia de banda
– multicast confiável
application
transporterede
enlacefísica
application
transporterede
enlacefísica
redeenlacefísica
redeenlacefísica
redeenlacefísica
redeenlacefísicarede
enlacefísica
transporte lógico fim-a-fim
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aplicaçãotransporte
rede
MP2
aplicaçãotransporte
rede
Multiplexação de Aplicações
Segmento - unidade de dados trocada entre entidades da camada de transporte
– TPDU: transport protocol data unit (unidade de dados do protocolo de transporte) receptor
HtHn
Demultiplexação: entrega de segmentos recebidos aos processos de aplicação corretos
segmento
segmento Maplicaçãotransporte
rede
P1M
M MP3 P4
cabeçalho dosegmento
dados da camada de aplicação
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Multiplexação de Aplicações
multiplexação/demultiplexação:
• baseada nos número de porta do transmissor, número de porta do receptor e endereços IP
– números de porta origem e destino em cada segmento
– lembre: portas com números bem-conhecidos são usadas para aplicações específicas
reunir dados de múltiplosprocesso de aplicação, juntar cabeçalhos com informações para demultiplexação
porta origem porta destino
32 bits
dados de aplicação(mensagem)
outros campos de cabeçalho
formato do segmento TCP/UDP
Multiplexação:
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Multiplexação: exemplos
host A servidor Bporta origem: xporta dest.: 23
porta origem:23port dest.: x
aplicação Telnet
cliente Webhost A
Servidor Web B
cliente Webhost C
IP Origem: CIP Dest: B
porta origem: x
porta dest.: 80
IP Origem: CIP Dest: B
porta origem: y
porta dest.: 80
aplicação: servidor Web
IP Origem: AIP Dest: B
porta origem : x
porta dest.: 80
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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
Porque existe um UDP?• não há estabelecimento de
conexão (que pode 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)
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Mais sobre UDP
• muito usado por aplicações de mutimídia contínua (streaming)
– tolerantes à perda
– sensíveis à taxa
• outros usos do UDP:– DNS
– SNMP
• transferência confiável sobre UDP: acrescentar confiabilidade na camada de aplicação
– recuperação de erro específica de cada aplicação
porta origem porta destino
32 bits
Dados de Aplicação(mensagem)
formato do segmento UDP
tamanho checksumTamanho, em
bytes do segmento UDP, incluíndo
cabeçalho
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UDP checksum
Transmissor:• trata o conteúdo do segmento
como seqüencia de inteiros de 16 bits
• checksum: soma (complemento de 1 da soma) do conteúdo do segmento
• transmissor coloca o valor do checksum no campo de checksum do UDP
Receptor:• computa o checksum do segmento
recebido• verifica se o checksum calculado
é igual ao valor do campo checksum:
– NÃO - error detectado
– SIM - não há erros. Mas, talvez haja erros apesar disto!
Objetivo: detectar “erros” (ex.,bits trocados) no segmento transmitido
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Princípios de Transferência Confiável de Dados
• Importante nas camadas de aplicação, transporte e enlace
• Caracteristicas dos canais não confiáveis determinarão a complexidade dos protocolos confiáveis de transferência de dados
• Necessário usar ACKs (e também NACKs, mas são desnecessários)
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Há um problema fatal!
O que acontece se o ACK é corrompido?
• transmissor não sabe o que aconteceu no receptor!
• não pode apenas retransmitir: possível duplicata
O que fazer?• Transmissor envia ACKs para
reconhecer os ACKs do receptor? O que acontece se estes ACKs se perdem?
• retransmitir os ACKs, mas isto poderia causar a retransmissão de um pacote recebido corretamente!
Tratando duplicatas: • transmissor acrescenta número de
seqüência em cada pacote
• Transmissor reenvia o último pacote se ACK for perdido
• receptor descarta (não passa para a aplicação) pacotes duplicados
Transmissor envia um pacotee então espera pela respostado receptor
stop and wait
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Discussão (Stop and Wait)
Transmissor:• adiciona número de
seqüência ao pacote• Dois números (0 e 1) bastam.
Porque?• deve verificar se os ACKs
recebidos estão corrompidos • estado da transmissão deve
“lembrar” se o pacote “corrente” tem número de seqüência 0 ou 1
Receptor:
• deve verificar se o pacote recebido é duplicado– estado indica se o pacote
0 ou 1 é esperado
• nota: receptor pode não saber se seu últino ACK foi recebido pelo transmissor
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Protocolos com Paralelismo (pipelining)
Paralelismo: transmissor envia vários pacotes “ao mesmo tempo” (em seqüência), todos esperando para serem reconhecidos – faixa de números de seqüência deve ser aumentada
– armazenamento no transmissor e/ou no receptor
• Duas formas genéricas de protocolos com paralelismo: go-Back-N, retransmissão seletiva
(a) operação do protocolo stop-and-wait (a) operação do protocolo com paralelismo
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Go-Back-NTransmissor:• Número de seqüência com k bits no cabeçalho do pacote
• “janela” de até N, pacotes não reconhecidos, consecutivos, são permitidos
• ACK(n): reconhece todos os pacotes até o número de seqüência N (incluindo este limite). “ACK cumulativo”
– pode receber ACKS duplicados (veja receptor)
• temporizador para cada pacote enviado e não confirmado
• timeout(n): retransmite pacote n e todos os pacotes com número de seqüência maior que estejam dentro da janela
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GBN em ação
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Retransmissão Seletiva
• receptor reconhece individualmente todos os pacotes recebidos corretamente– armazena pacotes, quando necessário, para eventual
entrega em ordem para a camada superior
• transmissor somente reenvia os pacotes para os quais um ACK não foi recebido– transmissor temporiza cada pacote não reconhecido
• janela de transmissão– N números de seqüência consecutivos
– novamente limita a quantidade de pacotes enviados, mas não reconhecidos
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Retransmissão seletiva: janelas do transmissor e do receptor
(a) visão dos números de seqüência pelo transmissor
(b) visão dos números de seqüência pelo receptor
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Retransmissão seletiva em ação
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TCP: Overview RFCs: 793, 1122, 1323, 2018, 2581
• dados full-duplex:– transmissão bi-direcional na
mesma conexão
– MSS: maximum segment size
• orientado à conexão: – handshaking (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
• ponto-a-ponto:– um transmissor, um receptor
• confiável, seqüêncial byte stream:– não há distorção nas mensagens
• pipelined: (transmissão de vários pacotes em confirmação)
– Controle de congestionamento e de fluxo definem tamanho da janela
• buffers de transmissão e de recepção
socket
port
TCP
buffe de txr
TCP
buffer de rx
socket
port
segment
aplicação
envia dados
aplicação
lê dados
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Estrutura do Segmento TCP
porta origem porta destino
32 bits
dados de aplicação(tamanho variável)
número de seqüência
número de reconhecimentojanela de recep.
dados urgenteschecksum
FSRPAUtam.
cabec.não
usado
Opções (tamanho variável)
URG: dados urgentes (pouco usado)
ACK: campo de ACKé válido
PSH: produz envio dedados (pouco usado)
RST, SYN, FIN:estabelec. de conexão
(comandos de criação e término)
número de bytes receptor estápronto para aceitar
contagem porbytes de dados(não segmentos!)
Internetchecksum
(como no UDP)
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Números de Seqüência e ACKs do TCP
Números de seqüência:
– número do primeiro byte no segmentos de dados
ACKs:
– número do próximo byte esperado do outro lado
– ACK cumulativo: forma como o receptor trata segmentos fora de ordem
– alguns pontos ficam a critério da implementação como fazer
Host A Host B
Seq=42, ACK=79, data = ‘C’
Seq=79, ACK=43, data = ‘C’
Seq=43, ACK=80
Usuáriodigita
‘C’
host confirmarecepção
do ‘C’ ecoado
host confirmarecepção de‘C’, e ecoa o’C’ de volta
tempocenário telnet simples
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TCP: Estabelecimento de Conexão
TCP transmissor estabelece conexão com o receptor, antes mesmo de enviar 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 3: o sistema final cliente reconhece o SYNACK
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TCP: Término de Conexão
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.
Passo 3: cliente recebe FIN, responde com ACK.
– entra “espera temporizada”
– vai responder com ACK a FINs recebidos
Passo 4: servidor, recebe ACK. Conexão fechada.
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TCP: Controle de Fluxo
receptor: explicitamente informa o transmissor da área livre no buffer (dinamicamente mudando) – campo RcvWindow
no segmento TCP
transmissor: mantém a quantidade de dados transmitidos mas não reconhecidos menor que o último RcvWindow recebido
transmissor não deve esgotar os
buffers de receção enviando dados rápido demais
controle de fluxo
armazenamento de recepção
RcvBuffer = tamanho do Buffer de recepção do TCP
RcvWindow = total de espaço livre no buffer
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TCP Round Trip Time e Temporização
Q: como escolher o valor da temporização do TCP (time-out)?
• maior que o RTT
– nota: RTT varia
• muito curto: temporização prematura
– retransmissões desnecessárias
• muito longo: a reação à perda de segmento fica lenta
Q: 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
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EstimatedRTT = (1-x)*EstimatedRTT + x*SampleRTT
• Média móvel com peso exponential
• influencia de uma dada amostra decresce de forma exponencial
• valor típico de x: 0.1
Definindo a temporização• EstimtedRTT mais “margem de segurança”
• grandes variações no EstimatedRTT -> maior margem de segurança
Temporização = EstimatedRTT + 4*Desvios
Desvios = (1-x)*Desvio + x*|SampleRTT-EstimatedRTT|
TCP Round Trip Time e Temporização
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TCP Round Trip Time e Temporização
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Princípios de Controle de Congestionamento
Congestionamento:• informalmente: “muitas fontes enviando dados acima da
capacidade da rede 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!
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Quatro transmissores Caminhos com múltiplos
saltos
Temporizações/retransmissões
inP.: o que acontece quando e
aumentam?
in
Causas/custos do congestionamento: cenário 3Causas/custos do congestionamento
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TCP: Controle Congestionamento
• controle fim-a-fim (não há assistência da rede)
• taxa de transmissão é limitada pelo tamanho da janela, Congwin, sobre os segmentos:
• w segmentos, cada um com MSS bytes enviados em um RTT:
vazão = w * MSS
RTT Bytes/seg
Congwin
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• Duas “fases””– slow start– congestion avoidance
• Variáveis importantes:– Congwin– threshold: define o
limite entre a fase slow start e a fase congestion avoidance
• Realiza um “teste” para reconhecer a taxa possível: – idealmente: transmitir tão
rápido quanto possível (Congwin tão grande quanto possível) sem perdas
– aumentar Congwin até que ocorra perda (congestionamento)
– perda: diminuir Congwin, então ir testando (aumentando) outra vez
TCP: Controle Congestionamento
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TCP Slowstart
• aumento exponencial (por RTT) no tamanho da janela (não tão lento!)
• evento de perda : temporização (Tahoe TCP) e/ou 3 ACKs duplicados (Reno TCP)
initializar: Congwin = 1para (cada segmento reconhecido Congwin++até (evento perda OU CongWin > threshold)
algoritmo SlowstartHost A
one segment
RTT
Host B
tempo
two segments
four segments
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TCP: Congestion Avoidance
/* acabou slowstart */ /* Congwin > threshold */Até (evento perda) { cada w segmentos “acked”: Congwin++ }threshold = Congwin/2Congwin = 1 (*)realiza slowstart (*)
Congestion avoidance
(*) TCP Reno pula a fase slowstart (recuperaçaõ rápida)após três ACKs duplicados
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TCP AIMDRetransmissão Rápida
• Com freqüência, o tempo de expiração é relativamente longo:- Longo atraso antes de reenviar um pacote perdido
• Pode-se detectar segmentos perdidos por meio de ACKs duplicados:- Transmissor freqüentemente envia muitos segmentos ao receptor- Se um segmento é perdido, haverá desordenamento e, portanto, muitos ACKs duplicados.
• ACK duplicado: receptor reenvia ACK do último byte de dados recebido em ordem qdo chega um segmento fora de ordem
• Se o transmissor recebe 3 ACKs para o mesmo dado, ele supõe que o segmento após o dado confirmado foi perdido:
• Retransmissão rápida: perda é decretada e reenvia-se o segmento antes do temporizador expirar
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Redução multiplicativa: diminui o CongWin pela metade após o evento de perdaAumento aditivo: aumenta o CongWin com 1 MSS a cada RTT na ausência de eventos de perda: probing
conexão TCP de longa-vida
TCP AIMD AIMD
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Objetivo de eqüidade: se K sessões TCP compartilham o mesmo enlace do gargalo com largura de banda R, cada uma deve ter taxa média de R/K
Eqüidade do TCP
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Duas sessões competindo pela banda: O aumento aditivo fornece uma inclinação de 1, quando a vazão
aumenta Redução multiplicativa diminui a vazão proporcionalmente
perda: reduz janela por um fator de 2
prevenção de congestionamento: aumento aditivo
Porque o TCP é justo?
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Eqüidade e UDP Aplicações multimedia normalmente não usam TCP
Não querem a taxa estrangulada pelo controle de congestionamento
Em vez disso, usam UDP: Trafega áudio/vídeo a taxas constantes, toleram perda de pacotes
várea de pesquisa: TCP amigável
Eqüidade e conexões TCP paralelas Nada previne as aplicações de abrirem conexões paralelas entre 2 hosts.
Web browsers fazem isso
Exemplo: enlace de taxa R suportando 9 conexões; Novas aplicações pedem 1 TCP, obtém taxa de R/10 Novas aplicações pedem 11 TCPs, obtém R/2!
Eqüidade Eqüidade do TCP