Transporte

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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

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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

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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)

Demultiplexação entrega de segmentos recebidos
aos processos de aplicação corretos
receptor
P3
P4
dados da camada de aplicação
cabeçalho do segmento
P1
P2
segmento
H
t
M
segmento
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Multiplexação de Aplicações
reunir dados de múltiplos processo de aplicação,
juntar cabeçalhos com informações para
demultiplexação
32 bits
porta origem
porta destino
outros campos de cabeçalho

• 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

dados de aplicação (mensagem)
formato do segmento TCP/UDP
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Multiplexação exemplos
cliente Web host C
servidor B
host A
aplicação Telnet
Servidor Web B
cliente Web host A
aplicação servidor Web
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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

32 bits
porta origem
porta destino
Tamanho, em bytes do segmento UDP,
incluíndo cabeçalho
checksum
tamanho
Dados de Aplicação (mensagem)
formato do segmento UDP
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UDP checksum
Objetivo detectar erros (ex.,bits trocados) no
segmento transmitido

• 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!

• 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

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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 pacote e então espera pela
resposta do receptor
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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

(a) operação do protocolo stop-and-wait
(a) operação do protocolo com paralelismo

• Duas formas genéricas de protocolos com
  paralelismo go-Back-N, retransmissão seletiva

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Go-Back-N

• Transmissor
• 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

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Estrutura do Segmento TCP
32 bits
URG dados urgentes (pouco usado)
contagem por bytes de dados (não segmentos!)
porta origem
porta destino
número de seqüência
ACK campo de ACK é válido
número de reconhecimento
tam. cabec.
não usado
janela de recep.
F
S
R
P
A
U
PSH produz envio de dados (pouco usado)
número de bytes receptor está pronto para
aceitar
checksum
dados urgentes
RST, SYN, FIN estabelec. de conexão (comandos de
criação e término)
Opções (tamanho variável)
dados de aplicação (tamanho variável)
Internet checksum (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 B
Host A
Usuário digita C
Seq42, ACK79, data C
host confirma recepção de C, e ecoa o C de
volta
Seq79, ACK43, data C
host confirma recepção do C ecoado
Seq43, ACK80
cenário 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","p
  ort 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
RcvBuffer tamanho do Buffer de recepção do
TCP RcvWindow total de espaço livre no buffer
armazenamento de recepção
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TCP Round Trip Time e Temporização

• 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

• 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

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TCP Round Trip Time e Temporização
EstimatedRTT (1-x)EstimatedRTT xSampleRTT

• 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 -gt maior
  margem de segurança

Temporização EstimatedRTT 4Desvios
Desvios (1-x)Desvio
xSampleRTT-EstimatedRTT
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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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Causas/custos do congestionamento
Causas/custos do congestionamento cenário 3

• ? Quatro transmissores
• ? Caminhos com múltiplos saltos
• ? Temporizações/retransmissões

P. o que acontece quando e aumentam?
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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

Congwin

• w segmentos, cada um com MSS bytes enviados em
  um RTT

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TCP Controle Congestionamento

• 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

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TCP Slowstart
Host A
Host B
one segment
initializar Congwin 1 para (cada segmento
reconhecido Congwin até (evento perda OU
CongWin gt threshold)
RTT
two segments
four segments

• aumento exponencial (por RTT) no tamanho da
  janela (não tão lento!)
• evento de perda temporização (Tahoe TCP) e/ou
  3 ACKs duplicados (Reno TCP)

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TCP Congestion Avoidance
Congestion avoidance
/ acabou slowstart / / Congwin gt
threshold / Até (evento perda) cada w
segmentos acked Congwin threshold
Congwin/2 Congwin 1 () realiza
slowstart ()
() TCP Reno pula a fase slowstart (recuperaçaõ
rápida) após três ACKs duplicados
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Retransmissão Rápida
TCP AIMD

• 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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AIMD
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 probing

conexão TCP de longa-vida
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Eqüidade do TCP

• 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

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Porque o TCP é justo?

• 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
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Eqüidade do TCP
Eqüidade

• 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!