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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