REDES DE COMPUTADORES Tema 3: Nivel de Transporte 3.1 Servicios del nivel de transporte 3.2 Multiplexión y demultiplexión 3.3 Transporte sin conexión: UDP 3.4 Principios de la transferencia fiable 3.5 Transporte orientado a la conexión: TCP Estructura del segmento TCP Transferencia de datos fiable Control de flujo Gestión de la conexión Departamento de Tecnología Electrónica Some material copyright 1996-2010 J.F Kurose and K.W. Ross, All Rights Reserved Transporte 3-1 Tema 3: Nivel de Transporte Objetivos: Entender los principios que hay detrás de los servicios del nivel de transporte: Multiplexión/ demultiplexión Transferencia de datos confiable Control de flujo Conocer los protocolos de transporte usados en Internet: UDP: transporte no orientado a la conexión TCP: transporte orientado a la conexión Transporte 3-2 Tema 3: Nivel de Transporte 3.1 Servicios del nivel de transporte 3.2 Multiplexión y demultiplexión 3.3 Transporte sin conexión: UDP 3.4 Principios de la transferencia fiable 3.5 Transporte orientado a la conexión: TCP Estructura del segmento TCP Transferencia de datos fiable Control de flujo Gestión de la conexión Transporte 3-3 Servicios del nivel de transporte proporciona comunicación logica entre aplicaciones que se ejecutan en hosts diferentes, ocultándoles la complejidad de la red que une a ambos host. Los protocolos de transporte se ejecutan en los sistemas terminales (hosts), no en los routers. Las aplicaciones pueden escoger el protocolo de transporte que quieren usar, en función del tipo de servicio que necesiten En Internet: TCP y UDP aplicación transport. red enlace física aplicación transport. red enlace física Transporte 3-4 Servicios del nivel de transporte En el lado emisor (origen), el nivel de transporte acepta mensajes (A_PDU) de las aplicaciones de red que recibe a través del T_SAP y con ellas construye segmentos (T_PDU) que luego envía usando los servicios del nivel de red. En el lado receptor (destino), el nivel de transporte recibe los segmentos del nivel de red y pasa los datos de usuario que contienen (mensajes) hacia el nivel de aplicación a través del T_SAP. origen aplicación transporte red enlace física destino Protocolo aplicación Protocolo transporte Protocolo red Protocolo enlace Protocolo físico red enlace física router Protocolo red Protocolo enlace Protocolo físico aplicación transporte red enlace física Transporte 3-5 Nivel de Transporte frente a Nivel de Red Capa de red: proporciona un servicio de comunicación lógica entre equipos terminales (hosts) Es un servicio similar al servicio de correo postal que permite enviar una carta a una casa (domicilio). Capa de transporte: extiende el servicio de la capa de red para proporcionar un servicio de comunicación lógica entre los procesos de aplicación. Esto se conoce como multiplexión y demultiplexión de la capa de transporte. Se consigue usando el servicio prestado por la capa de red, para, a partir de él, construir un servicio “mejorado”. Transporte 3-6 Nivel de Transporte frente a Nivel de Red Analogía del servicio de correo postal “mejorado”: Dos casas con 10 niños en cada una, los cuales se envian semanalmente cartas entre ellos. procesos = niños Mensajes de aplicación = cartas en sobres Sistema finales = casas Protocolo de nivel de transporte = Ana (en una casa) y Benito (en la otra) se encargan de recoger las cartas de sus hermanos, enviarlas en la oficina de correos, estar pendientes del correo entrante y de repartirlo cuando llega, directamente a sus hermanos. Protocolo de nivel de red = servicio de correo postal Transporte 3-7 Protocolos de Transporte en Internet TCP: Servicio de entrega de datos fiable y en orden Control de flujo Establecimiento de la conexión UDP: Servicio de entrega de datos no fiable y sin garantía de orden. Protocolo simple “sin florituras” Servicios no disponibles: Retardo garantizado Ancho de banda garantizado Tanto TCP como UDP usan los servicios de IP protocolo que suministra un servicio de mejor esfuerzo (“best-effort”). aplicación transport. red enlace física red enlace física red enlace física red enlace física red enlace física red enlace física red enlace física aplicación transport. red enlace física Transporte 3-8 Tema 3: Nivel de Transporte 3.1 Servicios del nivel de transporte 3.2 Multiplexión y demultiplexión 3.3 Transporte sin conexión: UDP 3.4 Principios de la transferencia fiable 3.5 Transporte orientado a la conexión: TCP Estructura del segmento TCP Transferencia de datos fiable Control de flujo Gestión de la conexión Transporte 3-9 Multiplexión/demultiplexión Multiplexión al enviar Recolectar datos de múltiples sockets, crear los segmentos (T_PDU) añadiendo información de cabecera (T_PCI) que se usará luego al demultiplexar. Demultiplexión al recibir Entregar en el socket correcto el contenido de los segmentos (T_PDU) recibidos, gracias a la info. de la cabecera (T_PCI). = socket aplicación transporte red P3 P1 P1 aplicación transporte P2 = proceso P4 aplicación transporte red red enlace enlace enlace física física física host 1 host 2 host 3 Transporte 3-10 Cómo funciona la demultiplexión El nivel de red recibe datagramas IP (R_PDU) Cada R_PDU tiene una dirección IP origen y una dirección IP destino en su cabecera (R_PCI). Cada R_PDU encapsula en su interior un segmento (T_PDU)1. El nivel de transporte recibe segmentos (T_PDU) Cada T_PDU tiene en su T_PCI un nº de puerto origen y un nº de puerto destino. Cada T_PDU encapsula datos del usuario, el nivel de aplicación (T_UD). En el host destino las direcciones IP y los números de puerto sirven para entregar la T_UD de la T_PDU al socket adecuado. 32 bits Nº puerto origen Nº puerto destino Otros campos de la cabecera (T_PCI) T_UD: Datos del nivel de aplicación (mensaje) Formato de la T_PDU de TCP/UDP 1 Cierto si no hay fragmentación Transporte 3-11 Demultiplexión sin conexión (UDP) Al crear el socket UDP podemos proporcionar un número de puerto local concreto o dejar que se use uno cualquiera que esté libre: Comprueba el número de puerto destino en la cabecera (T_PCI). Dirige los datos de usuario (T_UD) de la T_PDU al socket UDP con ese número de puerto. DatagramSocket miSocket1 = new DatagramSocket(12534); DatagramSocket miSocket2 = new DatagramSocket(); Cuando el host origen prepara la T_IDU para enviarla por un socket UDP, debe especificar (en la T_ICI): ( dirección IP destino, número de puerto destino ) Cuando el protocolo UDP del host destino recibe la T_PDU: No se comprueba la dirección IP origen ni el nº de puerto origen durante el proceso de demultiplexión (en UDP). Transporte 3-12 Demultiplexión sin conexión (UDP) Nº de puerto local. Obligatorio especificarlo si es un proceso servidor. DatagramSocket serverSocket = new DatagramSocket(6428); P2 P1 P1 P3 PO: 6428 PO: 6428 PD: 9157 PD: 5775 PO: 9157 cliente IP: A PD: 6428 PO: 5775 servidor IP: C La IP origen y el Puerto Origen permitirán a P3 identificar al proceso origen (P1 o P2) y devolverle un mensaje. PD: 6428 cliente IP: B PO = Nº de Puerto Origen PD = Nº de Puerto Destino Transporte 3-13 Demultiplexión orientada a la conexión (TCP) Una conexión TCP se identifica por una 4-tupla: Dir. IP local Nº Puerto local Dir. IP remota Nº Puerto remoto En el host destino se usan los 4 valores, (presentes en la R_PCI y T_PCI) para hacer llegar los datos de usuario de la T_PDU al socket TCP adecuado. Una aplicación servidora puede tener varias conexiones TCP funcionando simultáneamente. Cada conexión se identifica por su propia 4-tupla Un servidor web tiene una conexión TCP distinta para cada cliente que se conecta. Con HTTP no persistente, cada petición del mismo cliente irá por una conexión TCP diferente. Transporte 3-14 Demultiplexión orientada a la … en el servidor al recibir una conexión (TCP) solicitud de conexión por parte del cliente la acepta, quedando esta identificada por socket cliente (IP cliente, puerto cliente) y socket servidor (IP servidor, puerto servidor). Al crear el socket TCP… … en el servidor indicamos el número de puerto y se deja en modo escucha: ServerSocket socketAcogida = new ServerSocket(6789); … en el cliente se proporciona el socket del servidor (IP/nombre, puerto) como T_ICI y se establece la conexión con este (que debe estar en modo escucha). Socket socketCliente = new Socket("hostnameservidor", 6789); Socket socketConnection = welcomeSocket.accept(); Cuando el protocolo TCP del host destino recibe la T_PDU comprueba tanto el número de puerto origen como destino en la cabecera (T_PCI) así como la dirección IP origen y destino recibida en la R_ICI y dirige los datos de usuario (T_UD) de la T_PDU al proceso de aplicación correcto. Transporte 3-15 Demultiplexión en TCP: Servidor Web con varios procesos P1 P4 P5 P2 P6 P1P3 PO: 5775 PD: 80 IP-O: B IP-D: C cliente IP: A PO: 9157 PD: 80 IP-O: A servidor IP: C PD: 80 IP-O: B IP-D: C IP-D: C PO = Nº de Puerto Origen PD = Nº de Puerto Destino IP-O = Dir. IP Origen IP-D = Dir. IP Destino PO: 9157 No es problema que dos procesos cliente usen el mismo puerto origen cliente IP: B No es problema que dos procesos cliente usen la misma IP origen Transporte 3-16 Demultiplexión en TCP: Servidor Web multihilo (threaded) P1 cliente IP: A En lugar de un proceso servidor por cada socket, hay un “hilo” por socket y un solo proceso. PO: 9157 PD: 80 IP-O: A IP-D: C PO = Nº de Puerto Origen PD = Nº de Puerto Destino IP-O = Dir. IP Origen IP-D = Dir. IP Destino P4 P2 P1P3 PO: 5775 PD: 80 IP-O: B IP-D: C servidor IP: C PO: 9157 PD: 80 IP-O: B IP-D: C cliente IP: B Transporte 3-17 Tema 3: Nivel de Transporte 3.1 Servicios del nivel de transporte 3.2 Multiplexión y demultiplexión 3.3 Transporte sin conexión: UDP 3.4 Principios de la transferencia fiable 3.5 Transporte orientado a la conexión: TCP Estructura del segmento TCP Transferencia de datos fiable Control de flujo Gestión de la conexión Transporte 3-18 UDP: User Datagram Protocol [RFC 768] Es un protocolo de transporte de Internet muy simple, sin “florituras”. Ofrece un servicio de mejor esfuerzo, “best effort”, por lo que: Las T_PDU pueden “perderse” y no llegar a su destino. Si las T_PDU llegan desordenadas, los datos de usuario contenidos en ellas se entregarían desordenados al Nivel de Aplicación. ¿Por qué existe UDP? sin conexión: No hay una fase acuerdo previa entre el emisor y el receptor UDP. Cada T_PDU se trata de forma independiente a las demás. No hay un establecimiento de la conexión (que añadiría un retardo). Es simple de implementar: no hay que mantener el estado de la conexión ni en el transmisor ni en el receptor. La cabecera (T_PCI) es más simple y pequeña. Transporte 3-19 UDP: más… A menudo usado por aplicaciones de streaming multimedia Tolerantes a pérdidas Sensibles al ancho de banda Otros usos de UDP DNS SNMP 32 bits T_PCI T_UD La cabecera (T_PCI) solo tiene 4 campos. La longitud es en bytes y es la de la T_PDU completa, con cabecera. Nº puerto origen longitud Nº puerto destino checksum Datos del nivel de aplicación (mensaje) Formato de la T_PDU de UDP ¿Transferencia fiable sobre UDP? Es posible si añadimos fiabilidad a la capa de aplicación ¡ Recuperación de errores específica de la aplicación ! Transporte 3-20 Checksum (suma de comprobación) UDP Objetivo: detectar “errores” (e.g., bits “cambiados”) en una T_PDU transmitida El emisor: Trata la T_PDU como una secuencia de enteros de 16 bits. Simplificando un poco, podemos decir que suma todos los enteros de 16 bits que componen la T_PDU y luego le calcula el complemento a 1. Coloca el valor calculado en el campo checksum de la cabecera (T_PCI). El receptor: Calcula el checksum, otra vez, de la misma forma que lo hizo el emisor, sobre la T_PDU recibida. Comprueba si el checksum calculado es idéntico al valor del campo checksum de la T_PDU recibida. NO -> ¡Error detectado! SÍ -> No se detecta error alguno, pero… ¿Puede que haya un error? Más sobre esto próximamente… Transporte 3-21 Ejemplo de cálculo de checksum Nota: al ir sumando los números de 16 bits que forman la T_PDU, el acarreo que se vaya produciendo hay que volverlo a sumar. Ejemplo: sumar solo dos enteros de 16 bit. 1 1 1 1 0 0 1 1 0 0 1 1 0 0 1 1 0 1 1 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 Acarreo 1 1 0 1 1 1 0 1 1 1 0 1 1 1 0 1 1 1 Suma (con acarreo) 1 1 0 1 1 1 0 1 1 1 0 1 1 1 1 0 0 checksum1 0 1 0 0 0 1 0 0 0 1 0 0 0 0 1 1 Transporte 3-22 Tema 3: Nivel de Transporte 3.1 Servicios del nivel de transporte 3.2 Multiplexión y demultiplexión 3.3 Transporte sin conexión: UDP 3.4 Principios de la transferencia fiable 3.5 Transporte orientado a la conexión: TCP Estructura del segmento TCP Transferencia de datos fiable Control de flujo Gestión de la conexión Transporte 3-23 Principios de la transferencia fiable La T.F. es importante en capas de aplicación, transporte y enlace de datos ¡ Está en la lista de los 10 tópicos más importantes sobre redes ! ¿Por qué es necesaria la T.F.? PDUs erróneas En las transmisiones sobre los enlaces se producen interferencias que alteran los bits transmitidos. PDUs perdidas Las colas de paquetes, cuando están saturadas, empiezan a descartar los paquetes entrantes. PDUs duplicadas Determinados problemas en la comunicación provocan que se retransmitan PDUs que ya han sido recibidas. ¿Cómo se detectan estos problemas? PDUs erróneas Usando mecanismos de comprobación de errores (incluidos en la PCI). Algoritmos similares al del checksum. Los algoritmos más complejos y fiables se utilizan en el nivel de enlace. PDUs perdidas y duplicadas Añadiendo “algo” a la cabecera (PCI) de cada PDU que permita distinguirla del resto de PDUs enviadas. ¿Cómo se solucionan estos problemas? Retransmisiones El transmisor vuelve a transmitir una copia exacta de la PDU que tuvo problemas. Transporte 3-24 Principios de la transferencia fiable Caso general de comunicación entre entidades pares de un mismo nivel. Al comunicarse con su entidad par, una entidad le envía a la otra una PDU formada por cabecera (PCI) y, en general, datos de usuario (UD). Las cabeceras (PCI) contienen información de control del protocolo. En general, ambas entidades transmiten y reciben datos de usuario. Transferencia bidireccional de datos de usuario entre entidades pares. Simplificación del caso general de comunicación entre entidades pares. Facilita la explicación de los principios de transferencia fiable. Supondremos una transferencia unidireccional de datos de usuario. A una de las entidades pares del nivel la llamaremos transmisor (Tx). A la otra entidad par la llamaremos receptor (Rx). El Tx transmite PDUs con PCI y UD (los UD vienen de su nivel superior). El Rx recibe PDUs con PCI y UD (los UD los pasará a su nivel superior). El Rx transmite PDUs que solo tendrán PCI (sin UD, solo info. de control). El Tx recibe PDUs que sólo tendrán PCI. Transferencia bidireccional de información de control del protocolo. Transporte 3-25 Principios de la transferencia fiable ¿Qué tipos de PDU se usan? PDU de datos Sólo las envía el Tx Contiene datos de usuario (UD) Contiene información de control del protocolo (en la PCI) PDU de control Sólo las envía el Rx No contiene datos de usuario (UD) Solo contiene información de control del protocolo (en la PCI) Nota Es un error pensar que el Tx no envía información de control porque solo envía PDUs de datos. Las PDUs de datos también llevan información de control. Transporte 3-26 Principios de la transferencia fiable ¿Qué contiene la cabecera (PCI)? La PCI de una PDU de datos contiene información que permite: Que el Rx detecte si esa PDU de datos tiene errores. Identificar esa PDU de datos y distinguirla de otras PDU enviadas por el Tx. La PCI de una PDU de control contiene información que permite: Que el Tx detecte si esa PDU de control tiene errores. Que el Rx identifique una determinada PDU de datos, e informar que dicha PDU de datos ha sido recibida correctamente por el Rx. ACK, acknowledgement, acuse de recibo. no ha sido recibida correctamente por el Rx. NAK, NACK, Negative acknowledgement, acuse de recibo negativo. Nota La información de la PCI que sirve para identificar una determinada PDU de datos se llama número de secuencia. Transporte 3-27 Principios de la transferencia fiable Funcionamiento básico Tx: La entidad Tx de un determinado nivel, construye una PDU de datos con UD y PCI y la transmite al Rx. Ahora, el Tx espera durante un tiempo, conocido como time_out, a recibir una PDU de control del Rx que le indique con un ACK que la PDU de datos llego bien al Rx. o Tx no hace nada más. con un NACK, que la PDU de datos llegó con errores al Rx. o Tx retransmite la PDU. Si expira el time_out antes de que llegue la PDU de control del Rx, entonces o Tx retransmite la PDU. Funcionamiento básico Rx: Al recibir una PDU de datos la entidad Rx de un determinado nivel: Si la PDU de datos llegó correctamente, es obligatorio que el Rx le mande al TX una PDU de control de tipo ACK, avisándole. Si la PDU de datos llegó con errores, es opcional que el Rx le mande al TX una PDU de control de tipo NACK, avisándole. P: ¿Cuánto debe valer, como mínimo, el time_out? P: ¿Entrega siempre el Rx al nivel superior los UD de una PDU de datos que llega correctamente? Transporte 3-28 Principios de la transferencia fiable PCI Ejemplo 1. Transmisor envía sólo una PDU con UD y no envía la siguiente hasta tener éxito en la transmisión. Receptor sólo envía PDU de control ACK. Time_out dtransPDU dtransack PDU perdida Tiempo Time_out Tx Sin errores Rx X Tx Con errores Rx PDU errónea Transporte 3-29 Principios de la transferencia fiable Ejemplo 2. • Idem ejemplo 1. X • Receptor también envía PDU de control NACK. • Sin errores. Mismo comportamiento tiempo Time_out anterior Tx Rx Con errores Transporte 3-30 Principios de la transferencia fiable A este mecanismo de funcionamiento de un nivel para garantizar la transferencia fiable se le conoce como Protocolo de parada y espera Es poco eficiente El Tx se debe parar y esperar a recibir el ACK antes de poder enviar la siguiente PDU. ¿Se puede medir la eficiencia? Para simplificar, vamos a suponer que Tx siempre tiene una PDU lista para transmitir. no se producen errores. cada PDU tiene L bytes de UD y 0 bytes de PCI. dtransack = 0. Utilización del transmisor (o canal) Utransmisor = fracción de tiempo que el transmisor (o canal) está ocupado transmitiendo bits de la PDU. Transporte 3-31 Eficiencia del protocolo parada y espera Recuerda dtrans = L/R Rx Tx Primer bit PDU enviado, t = 0 Último bit PDU enviado, t = L / R Primer bit PDU recibido Último bit PDU recibido, enviar ACK RTT Recibido ACK, t = RTT + L / R Enviar próxima PDU U transmisor = L/R RTT + L / R Transporte 3-32 Eficiencia del protocolo parada y espera El protocolo funciona, pero su eficiencia es mala Ejemplo: enlace de 1 Gbps, 30 ms de RTT, PDU 1KByte L 8kb / pdu dtrans 8s 9 R 10 b / s U transmisor L/ R 0,008 0,00027 RTT L / R 30,008 1 PDU de 1KByte cada 30,008 ms -> 33,3kByte/s tasa de transferencia efectiva en un enlace de 1 Gbps ¡El Protocolo limita el uso de los recursos físicos! ¿Se puede mejorar? Transporte 3-33 Protocolos con Pipeline Con Pipeline: El Tx puede tener múltiples PDUs en tránsito (“en vuelo”) pendientes de ACK, mejorando mucho la eficiencia. Los números de secuencia utilizados en la PCI deben tener un rango suficiente para que sirvan para distinguir todas las PDUs en tránsito. Se requieren buffers en el Tx y, a veces, en Rx. PDU PDU ACK Parada y espera NOTA: Profundizaremos en este concepto al abordar TCP Pipeline Transporte 3-34 El “pipeline” mejora mucho la eficiencia Tx Rx Envío bit 1 de 1ª PDU, t = 0 Envío último bit de PDU, t = L / R Llega primer bit de 1ª PDU Llega último bit 1ª PDU, envío ACK Llega últimobit 2ª PDU, envío ACK Llega último 3ª PDU, envío ACK RTT ACK recibido, envío siguiente PDU, la 4ª, t = RTT + L / R U transmisor Tener hasta 3 PDUs “en vuelo” multiplica la eficiencia por un factor de 3 = 3*L/R RTT + L / R = 0,024 30,008 = 0,0008 microsecon ds Transporte 3-35 Servicio de transferencia fiable ¿Cómo proporciona el nivel de transporte un servicio de transferencia fiable al nivel de aplicación? Transporte 3-36 Servicio de transferencia fiable ¿Cómo proporciona el nivel de transporte un servicio de transferencia fiable (“reliable”) al nivel de aplicación? El nivel de transporte tiene debajo el nivel de red, que le proporciona un servicio de transferencia no fiable (“unreliable”). Transporte 3-37 Servicio de transferencia fiable El nivel de transporte debe implementar un protocolo de transferencia fiable “reliable data transfer (rdt) protocol”. Las características concretas del canal no fiable condicionarán la complejidad del protocolo rdt. Vamos a ir “experimentando” con distintos tipos de canales no fiables. Transporte 3-38 Servicio de transferencia fiable: Empezando… rdt_send(): llamado desde el nivel superior, (p.e., por la Aplic.) Nos pasa los datos que deberemos suministrar al receptor del nivel superior. Lado del emisor (Tx) udt_send(): llamado por rdt para enviar, por el canal no fiable, una PDU. udt = Unreliable Data Transfer (Trasferencia de datos no fiable) deliver_data(): llamado por rdt para pasar los datos al nivel superior (lado del receptor). Lado del Receptor (Rx) rdt_rcv(): llamado desde el nivel inferior cuando tiene disponible una PDU que ha llegado lado del receptor por el canal no fiable. Transporte 3-39 Servicio de transferencia fiable: Empezando… Implementaremos de forma incremental el lado emisor y el lado receptor del protocolo rdt. Como antes, consideraremos, por simplicidad, transferencia de datos de usuario unidireccional, de emisor a receptor (de Tx a Rx). ¡ OJO ! La información de control fluye en ambas direcciones Usaremos máquinas de estados finitos (FSM) para especificar el emisor y el receptor. El protocolo rdt realmente es aplicable a cualquier nivel que deba proporcionar fiabilidad, y no solo al Nivel de Transporte. evento que causa cambio de estado acciones tomadas al cambiar de estado estado: estando en un cierto “estado” el próximo estado depende únicamente del próximo evento. estado 1 evento acciones estado 2 Transporte 3-40 rdt 1.0: transferencia fiable sobre canal fiable Es el caso más sencillo. No es algo real. El canal del nivel inferior es perfectamente fiable. No hay errores de bit (bits alterados). No hay pérdida de PDUs. Hay una FSM para el emisor y otra para el receptor. Emisor envía PDUs por el canal subyacente (al nivel inferior). El receptor recibe PDUs del canal subyacente (del nivel inferior). Espera llamada desde arriba rdt_send(data) packet = make_pkt(data) udt_send(packet) Emisor (Tx) Espera llamada desde abajo rdt_rcv(packet) extract (packet,data) deliver_data(data) Receptor (Rx) Nota: En las máquinas de estados a las PDUs las llama paquetes (“packets”). Transporte 3-41 rdt 2.0: Canal con errores de bit El canal subyacente puede alterar los bits de un paquete Necesitaremos un checksum para detectar errores de bit Usaremos algunos de los principios vistos anteriormente para conseguir una transferencia de datos fiable: acknowledgements (ACKs): el receptor explícitamente le dice al emisor que el paquete se recibió correctamente. negative acknowledgements (NAKs): el receptor explícitamente le dice al emisor que el paquete tenía errores, por lo que quiere que se lo retransmitan. Nuevos mecanismos en rdt 2.0 (mejorando rdt 1.0): Detección de errores El receptor proporciona “realimentación” al emisor con PDUs de control (ACK, NAK). Transporte 3-42 rdt2.0: Maquina de estados finitos (FSM) rdt_send(data) sndpkt = make_pkt(data, checksum) udt_send(sndpkt) rdt_rcv(rcvpkt) && isNAK(rcvpkt) Espera Espera ACK o NAK llamada desde arriba udt_send(sndpkt) rdt_rcv(rcvpkt) && corrupt(rcvpkt) udt_send(NAK) rdt_rcv(rcvpkt) && isACK(rcvpkt) Máquina de estados del emisor (Tx) Máquina de estados del receptor (Rx) L Ambos, Tx y Rx, esperan el evento rdt_rcv() que les entrega una PDU que llega desde el nivel inferior (no fiable). Ambos, Tx y Rx, usan udt_send() para enviar sus PDUs por el canal no fiable implementado por el nivel inferior. Espera llamada desde abajo rdt_rcv(rcvpkt) && notcorrupt(rcvpkt) extract(rcvpkt,data) deliver_data(data) udt_send(ACK) Transporte 3-43 rdt2.0: Operación en escenario sin errores rdt_send(data) sndpkt = make_pkt(data, checksum) udt_send(sndpkt) rdt_rcv(rcvpkt) && isNAK(rcvpkt) Espera Espera ACK o NAK llamada desde arriba udt_send(sndpkt) rdt_rcv(rcvpkt) && corrupt(rcvpkt) udt_send(NAK) rdt_rcv(rcvpkt) && isACK(rcvpkt) L Espera llamada desde abajo rdt_rcv(rcvpkt) && notcorrupt(rcvpkt) extract(rcvpkt,data) deliver_data(data) udt_send(ACK) Transporte 3-44 rdt2.0: Operación en escenario con errores rdt_send(data) sndpkt = make_pkt(data, checksum) udt_send(sndpkt) rdt_rcv(rcvpkt) && isNAK(rcvpkt) Espera Espera ACK o NAK llamada desde arriba udt_send(sndpkt) rdt_rcv(rcvpkt) && corrupt(rcvpkt) udt_send(NAK) rdt_rcv(rcvpkt) && isACK(rcvpkt) L Espera llamada desde abajo rdt_rcv(rcvpkt) && notcorrupt(rcvpkt) extract(rcvpkt,data) deliver_data(data) udt_send(ACK) Transporte 3-45 rdt 2.0 Tiene un fallo grave… ¿Qué ocurre si una PDU de control (ACK o NAK) se corrompe (tiene bits erróneos)? Para evitar PDUs duplicadas: El Tx retransmite la PDU de datos si la PDU de control recibida (ACK o NAK) está corrupta (tiene errores). El Tx añade un número de secuencia en la PCI de cada PDU. El Rx es capaz de detectar PDUs duplicadas, gracias al número de secuencia, por lo que las descarta y no pasa sus datos al nivel superior. ¡ El Tx no sabe si ha recibido un ACK o un NAK, pues la PDU tiene errores ! ¡ El Tx no sabe cómo llegó la PDU de datos al Rx ! No es válido, simplemente, retransmitir la última PDU pues… ¡ El Rx podría recibirla Parada y espera dos veces y no darse cuenta El emisor envía una PDU y espera de que es la misma PDU ! la respuesta del receptor. Transporte 3-46 rdt2.1: Máquina de estados del Emisor. Soluciona el problema de los ACK/NAKs corruptos. rdt_send(data) sndpkt = make_pkt(0, data, checksum) udt_send(sndpkt) rdt_rcv(rcvpkt) && ( corrupt(rcvpkt) || Wait for Wait for isNAK(rcvpkt) ) ACK or call 0 from udt_send(sndpkt) NAK 0 above rdt_rcv(rcvpkt) && notcorrupt(rcvpkt) && isACK(rcvpkt) rdt_rcv(rcvpkt) && notcorrupt(rcvpkt) && isACK(rcvpkt) L rdt_rcv(rcvpkt) && ( corrupt(rcvpkt) || isNAK(rcvpkt) ) udt_send(sndpkt) L Wait for ACK or NAK 1 Wait for call 1 from above rdt_send(data) sndpkt = make_pkt(1, data, checksum) udt_send(sndpkt) Transporte 3-47 rdt2.1: Máquina de estados del Receptor. Soluciona el problema de los ACK/NAKs corruptos. rdt_rcv(rcvpkt) && notcorrupt(rcvpkt) && has_seq0(rcvpkt) rdt_rcv(rcvpkt) && (corrupt(rcvpkt) extract(rcvpkt,data) deliver_data(data) sndpkt = make_pkt(ACK, chksum) udt_send(sndpkt) rdt_rcv(rcvpkt) && (corrupt(rcvpkt) sndpkt = make_pkt(NAK, chksum) udt_send(sndpkt) rdt_rcv(rcvpkt) && not corrupt(rcvpkt) && has_seq1(rcvpkt) sndpkt = make_pkt(ACK, chksum) udt_send(sndpkt) sndpkt = make_pkt(NAK, chksum) udt_send(sndpkt) Wait for 0 from below Wait for 1 from below rdt_rcv(rcvpkt) && notcorrupt(rcvpkt) && has_seq1(rcvpkt) rdt_rcv(rcvpkt) && not corrupt(rcvpkt) && has_seq0(rcvpkt) sndpkt = make_pkt(ACK, chksum) udt_send(sndpkt) extract(rcvpkt,data) deliver_data(data) sndpkt = make_pkt(ACK, chksum) udt_send(sndpkt) Transporte 3-48 rdt2.1: Discusión Emisor (Tx): Añade número de secuencia a las PDUs Basta con usar dos números de secuencia distintos (O y 1) ¿Por qué? Debe comprobar si la PDU de control ACK/NAK está corrupta. Se duplican los estados El estado “recuerda” si la PDU “actual” tiene número de secuencia 0 o 1. Receptor (Rx): Debe comprobar si la PDU recibida es un duplicado. El estado indica si es 0 o 1 el número de secuencia esperado. El Rx no puede saber su el último ACK/NAK que envió llego corrupto o no al TX. Transporte 3-49 rdt2.2: un protocolo sin NAKs La misma funcionalidad que el rdt2.1, usando solo ACKs. En lugar de enviar un NAK, el Rx reenviará el ACK de la última PDU que recibió correctamente. Con esta estrategia, el Rx debe incluir explícitamente en la PCI de todas las PDUs de control ACK el número de secuencia de la PDU de datos de la que se quiere dar acuse de recibo positivo. El Tx, al recibir un ACK duplicado (ya recibido) realiza la misma acción que al recibir un NAK: retransmitir la PDU actual (que aún no ha sido reconocida). Transporte 3-50 rdt2.2: Trozos de las máquinas de estados rdt_send(data) sndpkt = make_pkt(0, data, checksum) udt_send(sndpkt) rdt_rcv(rcvpkt) && ( corrupt(rcvpkt) || Wait for Wait for isACK(rcvpkt,1) ) ACK call 0 from 0 udt_send(sndpkt) above Trozo máquina Tx rdt_rcv(rcvpkt) && (corrupt(rcvpkt) || has_seq1(rcvpkt)) udt_send(sndpkt) Wait for 0 from below rdt_rcv(rcvpkt) && notcorrupt(rcvpkt) && isACK(rcvpkt,0) Trozo máquina Rx L rdt_rcv(rcvpkt) && notcorrupt(rcvpkt) && has_seq1(rcvpkt) extract(rcvpkt,data) deliver_data(data) sndpkt = make_pkt(ACK1, chksum) udt_send(sndpkt) Transporte 3-51 rdt3.0: canal con errores y pérdidas Nuevo escenario: El canal no fiable proporcionado por el nivel inferior puede, además de corromper las PDUs, perderlas por completo (PDUs de datos y de control). El checksum, números de secuencia, ACKs, y retransmisiones son de gran ayuda, pero no bastan. Nuevo enfoque: El Tx espera un tiempo “razonable” (time_out) a que llegue el ACK. Si en ese tiempo no ha llegado el ACK de una PDU de datos, el Tx la retransmite. Si la PDU de datos (o de control) no se ha perdido, sino que solo se ha retrasado: La retransmisión originará un duplicado, pero gracias a los números de secuencia eso no es problema. Como antes, el Rx debe incluir en la PCI del ACK el número de secuencia de la PDU de datos que se está reconociendo. Requiere el uso de temporizadores para detectar si expira el time_out. Transporte 3-52 rdt3.0 Emisor (Tx) rdt_send(data) sndpkt = make_pkt(0, data, checksum) udt_send(sndpkt) start_timer rdt_rcv(rcvpkt) L rdt_rcv(rcvpkt) && ( corrupt(rcvpkt) || isACK(rcvpkt,1) ) Wait for ACK0 Wait for call 0from above rdt_rcv(rcvpkt) && notcorrupt(rcvpkt) && isACK(rcvpkt,1) rdt_rcv(rcvpkt) && ( corrupt(rcvpkt) || isACK(rcvpkt,0) ) timeout udt_send(sndpkt) start_timer rdt_rcv(rcvpkt) && notcorrupt(rcvpkt) && isACK(rcvpkt,0) stop_timer stop_timer timeout udt_send(sndpkt) start_timer L Wait for ACK1 Wait for call 1 from above rdt_rcv(rcvpkt) L rdt_send(data) sndpkt = make_pkt(1, data, checksum) udt_send(sndpkt) start_timer Ejercicio Diseñe la máquina de estados del receptor del protocolo rdt3.0 Transporte 3-53 rdt3.0 en acción en diversas situaciones Transporte 3-54 rdt3.0 en acción en diversas situaciones Transporte 3-55 Tema 3: Nivel de Transporte 3.1 Servicios del nivel de transporte 3.2 Multiplexión y demultiplexión 3.3 Transporte sin conexión: UDP 3.4 Principios de la transferencia fiable 3.5 Transporte orientado a la conexión: TCP Estructura del segmento TCP Transferencia de datos fiable Control de flujo Gestión de la conexión Transporte 3-56 TCP: Visión general Punto a punto: RFCs: 793, 1122, 1323, 2018, 2581 Por una conexión fluyen datos bidireccionalmente. Un emisor, un receptor (no multidifusión) Flujo de bytes, fiable y ordenado: MSS: Tamaño Máximo del Sin “frontera” entre los mensajes (A_PDUs) Orientado a conexión: Usa “pipeline”: socket door Buffers de Btx y Brx application writes data application reads data TCP send buffer TCP receive buffer Segmento (de los UD). Acuerdo previo al envío de datos. El emisor toma la iniciativa enviando un mensaje de control, que el receptor debe estar esperando. El control de flujo de TCP fija el tamaño de la ventana (máx. nº datos “en vuelo”) Servicio Full-Duplex: Control de flujo: El emisor no debe socket desbordar al receptor. door segment Transporte 3-57 Estructura del segmento TCP (T_PDU) ACK: indica que el nº de ACK es válido URG: datos urgentes (no se suele usar) Longitud Cabecera (T_PCI) en palabras de 32 bits (4 bytes) PSH: “empuja” datos ahora (no se suele usar) RST, SYN, FIN: Comandos para establecer la conexión y terminarla Internet checksum (como en UDP) 32 bits Nº puerto Orig. Nº puerto dest. Número de secuencia Número de ACK Long. no UA P R S F Cabe. usado checksum Ventana de Rx Punt. Datos Urg. Opciones (long. variable) Datos del nivel de aplicación (longitud variable) Cuentan los bytes de datos, no las PDUs T_PCI Nº de bytes que está dispuesto a aceptar el Rx T_UD Transporte 3-58 Nº de secuencia y de ACK en TCP(I) Nº de secuencia: Es el número asignado, dentro del flujo de bytes, al primer byte de los datos del segmento TCP que se envía a la otra entidad par. El valor inicial de este campo lo decide de manera aleatoria cada entidad par al iniciar la conexión. Se va incrementado a medida que se envían segmentos que contienen UD. Nº de ACK: Sirve para indicar el nº de secuencia del byte que se espera recibir a continuación por parte de la otra entidad par. Todos los bytes anteriores los da por reconocidos (ACK acumulativo). P: ¿Como trata el receptor los segmentos desordenados? R: La especificación de TCP lo deja a criterio del implementador. Transporte 3-59 Nº de secuencia y de ACK en TCP(II) Escenario simple Entidad TCP Host A Btx contiene “DIEZ BYTES” Entidad TCP Host B Btx vacío Btx vacío Brx contiene “DIEZ BYTES” Btx contiene “TRECE BYTES ?” Brx contiene “TRECE BYTES ?” Notas - El gráfico muestra intercambio de TCP_PDUs (segmentos). El buffer de transmisión (Btx) contiene los UD solicitados por el nivel de aplicación a través del T_SAP. El bufffer de recepción (Brx) se vaciará cuando a través del T_SAP lo solicite el nivel de aplicación -TCP envía el ACK “superpuesto” en su PDU de datos (“piggybacking”), como aparece en los dos primeros segmentos que ambos host han enviado . tiempo Transporte 3-60 TCP estima el RTT para saber qué valor usar de time_out ¿Qué valor debe usar TCP como time_out? Debe ser algo mayor que el RTT Pero el RTT cambia a lo largo del tiempo… Un valor muy pequeño produce un time_out prematuro y retransmisiones innecesarias. Un valor demasiado grande hace que se reaccione muy tarde ante la pérdida de un segmento. ¿Cómo estimar el RTT? RTTmuestra es el tiempo (real) medido desde que se transmite un segmento hasta que llega el ACK. ignorando retransmisiones… RTTmuestra puede ser muy variable… Queremos una estimación del RTT más “suave” (menos “cambiante”). RTTestimado lo calcularemos como la media de los valores de RTTmuestra más recientes. Transporte 3-61 TCP estima el RTT para saber qué valor usar de time_out RTTestimado = (1-)* RTTestimado + * RTTmuestreado Media móvil exponencialmente ponderada . La influencia de una muestra anterior sobre el nuevo valor estimado decrece de una forma exponencialmente rápida. Se suele usar, típicamente: = 0.125 Transporte 3-62 TCP estima el RTT para saber qué valor usar de time_out Ejemplo de estimación del RTT RTT: gaia.cs.umass.edu to fantasia.eurecom.fr 350 RTT (milliseconds) 300 250 200 150 100 1 8 15 22 29 36 43 50 57 64 71 78 85 92 99 106 time (seconnds) SampleRTT Estimated RTT Transporte 3-63 TCP estima el RTT para saber que valor usar de time_out ¿Como fijamos el time_out a partir del RTT? Time_out = RTTestimado + un “margen de seguridad” Mucha desviación en RTTestimado -> usar un margen mayor Una primera estimación de cuánto se desvía RTTmuestra del valor RTTestimado sería: |RTTmuestra-RTTestimado| RTTdesv = (1-)*RTTdesv + * (típicamente: = 0.25) Así, el time_out podría calcularse como: Time_out = RTTestimado + 4*RTTdesv Transporte 3-64 Tema 3: Nivel de Transporte 3.1 Servicios del nivel de transporte 3.2 Multiplexión y demultiplexión 3.3 Transporte sin conexión: UDP 3.4 Principios de la transferencia fiable 3.5 Transporte orientado a la conexión: TCP Estructura del segmento TCP Transferencia de datos fiable Control de flujo Gestión de la conexión Transporte 3-65 TCP: Transferencia de datos fiable TCP crea un servicio de transferencia de datos fiable encima del servicio de transferencia no fiable que le proporciona IP. TCP usa la técnica del “pipeline”, manteniendo varios segmentos “en vuelo”. TCP usa ACKs acumulativos, que reconocen un dato y todos los anteriores. TCP usa, por simplicidad, un único temporizador para todas las T_PDUs de una conexión. TCP debe retransmitir los datos cuando: Se produce un time_out Llega un ACK duplicado Inicialmente consideraremos un emisor TCP simplificado: Ignora ACKs duplicados Sin control de flujo Transporte 3-66 Eventos que trata el emisor TCP (simplificado): Llegan datos de la aplicación (nivel superior): Crea un segmento con un nº de secuencia adecuado y se lo pasa al nivel inferior (IP) El nº de secuencia del segmento es el nº de secuencia, dentro del flujo de bytes, del primer byte de datos del segmento. Arranca el temporizador, si no estaba ya corriendo (estaría en marcha si había datos anteriores sin reconocer). El temporizador se programa para expirar al cabo de Time_out segundos. Expira el temporizador (time_out): Retransmite el segmento que ha provocado el time_out Rearranca el temporizador Llega un ACK… …correspondiente a datos de los cuales no se había recibido aún un ACK: Actualiza el indicador que apunta a los “datos más antiguos pendientes de ACK” y detiene el temporizador. Arranca el temporizador solo si aún hay “en vuelo” datos pendientes de ACK. Transporte 3-67 Emisor TCP (simplificado) SigNumSec = NumeroSecuenciaInicial BaseEmision = NumeroSecuenciaInicial while ( true ) { switch( evento ) Todos los bytes de datos con nº de secuencia menor a BaseEmision están reconocidos acumulativamente. Los de nº mayor o igual están pendientes de ser reconocidos. evento: datos recibidos de la aplicación /* Llegan datos de la capa superior*/ crear segmento TCP con datos y número de secuencia SigNumSec if ( el temporizador está parado ) iniciar el temporizador pasar el segmento a IP /* La capa inferior, no fiable, hará llegar el segmento al Rx */ SigNumSec = SigNumSec + longitud(datos) SigNumSec apunta a datos “no enviados”. evento: el temporizador expira /* Se ha producido un time_out */ retransmitir el segmento pendiente de ACK con menor número de secuencia iniciar el temporizador El receptor nos envía acuse de recibo de todos los datos con nº de secuencia menores que y evento: recibido ACK con campo nº de ACK valiendo y if ( y > BaseEmision ) { /* Si están reconociendo datos no reconocidos anteriormente */ BaseEmision = y /* Actualizar indicador datos reconocidos/pendientes de ACK */ detener el temporizador if ( SigNumSec > BaseEmision ) /* Si hay datos “en vuelo” pendientes de ACK */ iniciar el temporizador } } /* fin del bucle infinito */ Transporte 3-68 TCP: escenarios con retransmisiones (I) Host A Host B Host B Time_out Sec=92 Time_out Sec=92 Host A perdido Expira BaseEmision=100 Expira BaseEmision=120 BaseEmision = 100 tiempo Escenario ACK perdido BaseEmision=120 Escenario time_out prematuro tiempo Transporte 3-69 TCP: escenarios con retransmisiones (II) BaseEmision=120 El temporizador con la duración “recomendada” habría expirado antes de la llegada del ACK=120. El transmisor puede usar en ciertas ocasiones un time_out que dure más de lo recomendado lo cual hace que sea fácil que se produzcan ACKs acumulativos. No expira Time_out Sec=92 Time_out Sec=92 Host A Host B perdido tiempo Escenario ACK acumulativo Transporte 3-70 TCP: Generación del ACK Evento en el Receptor TCP [RFC 1122, RFC 2581] Acción del receptor TCP Llegada de segmento en orden, con el nº de secuencia esperado. Todos los datos hasta el nº de secuencia esperado ya han sido reconocidos. ACK retardado. Esperar hasta un máximo de 500ms a que llegue el siguiente segmento en orden. Si no llegase, enviar ACK. Llegada de segmento en orden, con el nº de secuencia esperado. Hay un segmento anterior pendiente de reconocer. Enviar inmediatamente un ACK acumulativo que reconozca ambos segmentos ordenados. Llegada de segmento fuera de orden, con nº de secuencia mayor del esperado. Se detecta un “hueco” en los datos recibidos. Enviar inmediatamente un ACK duplicado, indicando el nº de secuencia del byte que se espera recibir. Llegada de un segmento que “rellena” total o parcialmente el “hueco” y que tiene el nº de secuencia esperado (“rellena” el “hueco” por su comienzo o límite inferior). Enviar inmediatamente un ACK para el segmento recibido o acumulativo dependiendo de si receptor almacena los UD de los segmentos fuera de orden. Transporte 3-71 TCP: Retransmisión rápida El time_out tiene una duración relativamente larga: Pasa mucho tiempo hasta que se retransmite un segmento perdido. Detectar segmentos perdidos gracias a los ACKs duplicados. El emisor a menudo envía muchos segmentos seguidos, muy “pegados”. Si se pierde un segmento, muy probablemente lleguen muchos ACKs duplicados. Si el emisor recibe tres (3) ACKs duplicados para los mismos datos, supone que se ha perdido el segmento cuyos datos siguen a los datos que están siendo reconocidos: Retransmisión rápida: reenviar ese segmento que se supone perdido aunque su temporizador aún no ha expirado. Nota TCP no usa NAKs, por lo que el receptor no puede avisar de que le falta un segmento. Transporte 3-72 TCP: Retransmisión rápida Time_out 2º segmento Host A No expira Host B La llegada de estos tres segmentos fuera de orden ha hecho que el receptor envíe inmediatamente un ACK duplicado para cada uno de ellos, reconociendo los datos del primer segmento. El emisor al ver que, por tres veces, le llega un ACK duplicado de los datos del primer segmento, supone que el segundo segmento se ha perdido y lo reenvía rápido, antes de que expire su temporizador. tiempo Transporte 3-73 TCP: Retransmisión rápida Este es el evento de recepción de ACK en el emisor TCP simplificado. evento: recibido ACK con campo nº de ACK valiendo y if ( y > BaseEmision ) { /* Si están reconociendo datos no reconocidos anteriormente */ BaseEmision = y /* Actualizar indicador datos reconocidos/pendientes de ACK */ detener el temporizador if ( SigNumSec > BaseEmision ) /* Si hay datos “en vuelo” pendientes de ACK */ iniciar el temporizador } else { /* Se trata de un ACK duplicado de un segmento ya reconocido */ incrementar el contador de ACKs duplicados de y if (contador de ACKs duplicados de y = 3 ) { retransmitir segmento cuyo número de secuencia es y /* retransmisión rápida*/ iniciar el temporizador } } Le hemos añadido la parte del “else” para que el emisor TCP simplificado no sea tan “simple” y sepa reaccionar ante tres ACKs duplicados, llevando a cabo la retransmisión rápida del segmento no reconocido. Transporte 3-74 Tema 3: Nivel de Transporte 3.1 Servicios del nivel de transporte 3.2 Multiplexión y demultiplexión 3.3 Transporte sin conexión: UDP 3.4 Principios de la transferencia fiable 3.5 Transporte orientado a la conexión: TCP Estructura del segmento TCP Transferencia de datos fiable Control de flujo Gestión de la conexión Transporte 3-75 Control de flujo en TCP El lado receptor de una conexión TCP tiene un buffer de recepción donde se acumulan los datos que llegan desde el nivel inferior. VentanaRecepcion Datos de IP Espacio libre en el Buffer TCP Control de flujo Conseguir que el emisor no desborde el buffer del receptor por culpa de transmitir demasiados datos, demasiado rápido. Va variando su tamaño Hacia el proceso de aplicación Datos en el Buffer TCP, esperando ser leídos por la aplicación Tamaño fijo BufferRecepcion Puede que el proceso de aplicación sea muy lento leyendo del buffer de recepción TCP. Servicio de ajuste de velocidades: Hace que la tasa de transmisión del otro extremo se ajuste al ritmo al que la aplicación receptora “consume” los datos que llegan. Transporte 3-76 Control de flujo en TCP (funcionamiento) VentanaRecepcion Datos de IP Espacio libre en el Buffer TCP Tamaño fijo Va variando su tamaño Datos en el Buffer TCP, esperando ser leídos por la aplicación Hacia el proceso de aplicación BufferRecepcion Supondremos que el receptor TCP descarta los segmentos que recibe desordenados, por lo que esos no ocupan espacio en el buffer de Rx. Espacio libre en el buffer de recepción: VentanaRecepcion = BufferRecepcion – (UltimoByteRecibido – UltimoByteLeido) Esta diferencia indica lo que hay “ocupado” Transporte 3-77 Control de flujo en TCP (funcionamiento) VentanaRecepcion Datos de IP Espacio libre en el Buffer TCP Tamaño fijo Va variando su tamaño Datos en el Buffer TCP, esperando ser leídos por la aplicación Hacia el proceso de aplicación BufferRecepcion El receptor informa al emisor del espacio libre en el buffer gracias al campo VentanaRecepcion presente en la cabecera (T_PCI) de los segmentos (T_PDU) que envía. El emisor limita el número de datos “en vuelo” pendientes de ACK de forma que quepan en la VentanaRecepcion Esto garantiza que el BufferRecepcion nunca se desborda. Transporte 3-78 Control de flujo en TCP (funcionamiento) Número de secuencia Número de ACK Long. no UA P R S F Cabe. usado checksum Ventana de Rx Punt. Datos Urg. T_PCI El valor del campo VentanaRecepcion de la T_PCI está relacionado con el valor del campo NºdeACK de la T_PCI. Cuando el emisor recibe un segmento, observa el valor del campo NºdeACK y el valor del campo VentanaRecepcion para conocer el rango de números de secuencia correspondientes a los datos que está autorizado a tener “en vuelo”, pendientes de confirmación: Opciones (long. variable) T_UD Nº puerto Orig. Nº puerto Dest. Datos del nivel de aplicación (longitud variable) Estructura del segmento (T_PDU) Desde NºdeACK hasta (NºdeACK + VentanaRecepcion – 1) Transporte 3-79 Tema 3: Nivel de Transporte 3.1 Servicios del nivel de transporte 3.2 Multiplexión y demultiplexión 3.3 Transporte sin conexión: UDP 3.4 Principios de la transferencia fiable 3.5 Transporte orientado a la conexión: TCP Estructura del segmento TCP Transferencia de datos fiable Control de flujo Gestión de la conexión Transporte 3-80 Gestión de la conexión en TCP: Establecimiento Recuerde: El cliente y el servidor TCP establecen la conexión antes de intercambiar segmentos que transporten datos de usuario. Durante la fase de establecimiento de la conexión, ambos deben inicializar las variables de TCP: Números de secuencia a usar. Buffers de transmisión y recepción (ambos en cliente y servidor). Información de control de flujo (ej: VentanaRecepcion). Etc. cliente: Es el que toma la iniciativa de establecer la conexión Socket socketCliente = new Socket(“NombreHost”,NumPuerto); servidor: Estaba “a la escucha” y es contactado por el cliente Socket socketConexion = socketAcogida.accept(); Transporte 3-81 Gestión de la conexión en TCP: Establecimiento cliente Proceso de acuerdo en tres fases servidor new socket X.accept() Servidor puede Enviar datos Conexión establecida Cliente puede Enviar datos tiempo Nota En el flujo de de TCP_PDUs (segmentos) si un determinado flag está activo, se indica en el etiquetado, menos el del ACK que está implícito cuando el campo ACK tiene valor. tiempo Transporte 3-82 Gestión de la conexión en TCP: Establecimiento Proceso de acuerdo en tres fases: Paso 1: El host cliente inicializa todas las variables de TCP (buffers, número de secuencia inicial, etc.) y envía al servidor un segmento SYN que: No transporta datos. Especifica el Nº de secuencia inicial (nsi_cliente). Lleva el bit SYN activado, que a todos los efectos es considerado como el primer byte del flujo de datos de la conexión TCP. Paso 2: El host servidor, al recibir el segmento SYN, inicializa los buffers y variables TCP y responde al cliente enviándole un segmento SYN-ACK, que: Tiene las mísmas características del segmento SYN del cliente pero lo que especifica es el número de secuencia inicial del servidor (nsi_servidor). Sirve, además, para reconocer (ACK) que se ha recibido el segmento SYN del cliente. Paso 3: El cliente recibe el segmento SYN-ACK del servidor y le responde enviándole un segmento ACK, que: Sirve para reconocer la llegada del SYN-ACK del servidor. Puede contener datos de usuario, aunque no es lo habitual. Transporte 3-83 Gestión de la conexión en TCP: Cierre de la conexión Cierre de la conexión TCP servidor cliente socketCliente.close(); Un segmento FIN es aquél que tiene activado el bit FIN, que a todos los efectos es considerado como el último byte del flujo de datos de la conexión TCP. La entidad TCP que envía un segmento FIN ya no puede enviar más datos, pero puede seguir recibiéndolos. socketConexion.close(); espera temporizada Conexión cerrada tiempo Conexión cerrada Nota Tanto cliente como servidor pueden iniciar el cierre de la misma. tiempo Transporte 3-84 Gestión de la conexión en TCP: Cierre de la conexión Paso 1: La aplicación cliente decide cerrar la conexión haciendo socketCliente.close(); lo cual provoca que la entidad TCP envíe un segmento FIN al servidor. Paso 2: La entidad TCP del servidor recibe el segmento FIN y responde con un ACK al cliente. Paso 3: La aplicación servidora, cuando lo estime oportuno, cerrará la conexión haciendo socketConexion.close(); lo cual provocará que la entidad TCP envíe un segmento FIN al cliente. Paso 4: El cliente recibe el segmento FIN y responde con un ACK. El cliente entra durante un tiempo en un estado de espera durante el cual, si le llega un FIN del servidor, responde con un ACK. Al acabar el tiempo de espera, el cliente TCP dará por cerrada la conexión (liberando buffers y demás recursos asociados a ella). Paso 5: El servidor TCP recibe el ACK correspondiente a su FIN y da por cerrada la conexión TCP (liberando buffers y demás recursos). Transporte 3-85 Gestión de la conexión en TCP: Cierre de la conexión Los pasos anteriores, con alguna modificación menor, son los mismos que se seguirían para cerrar la conexión si: Es la aplicación servidora la que toma la iniciativa a la hora de cerrar y ejecuta en primer lugar un socketConexion.close(); Ambas aplicaciones, la cliente y la servidora, deciden, simultáneamente, cerrar la conexión y ejecutan, a la vez, socketCliente.close(); y socketConexion.close(); Las conexiones se deben cerrar de forma abrupta e inmediata cuando se recibe un segmento RST (con el bit RST activado). El envío de un segmento de RESET (“reinicio”) se produce solo en casos especiales y no es la forma normal de provocar el cierre de una conexión. Transporte 3-86 Gestión de la conexión en TCP: Ciclo de vida Ciclo de vida de una conexión TCP: Es la secuencia de estados por los que pasa una conexión TCP. La siguiente máquina de estados muestra los 11 estados posibles y las diferentes transiciones que pueden darse, de un estado a otro. CLOSED LAST_ACK SYN_SENT LISTEN SYN_RCVD CLOSE_WAIT TIME_WAIT ESTABLISHED FIN_WAIT_1 CLOSING FIN_WAIT_2 Transporte 3-87 Gestión de la conexión en TCP: Ciclo de vida El estado CLOSED es realmente un estado “ficticio”. La conexión está en ese estado antes de crearse y después de haberse cerrado por completo. En el estado CLOSED, la conexión aún no existe o ya ha dejado de existir. CLOSED es el estado inicial y final de una conexión. CLOSED LAST_ACK SYN_SENT LISTEN SYN_RCVD CLOSE_WAIT TIME_WAIT ESTABLISHED FIN_WAIT_1 CLOSING FIN_WAIT_2 Transporte 3-88 Gestión de la conexión en TCP: Ciclo de vida Cuando la conexión está en el estado ESTABLISHED las entidades TCP pueden intercambiar segmentos con datos. Por tanto, el objetivo del cliente y del servidor es pasar de CLOSED a ESTABLISHED, enviar y recibir datos y volver de nuevo al estado CLOSED. CLOSED LAST_ACK SYN_SENT LISTEN SYN_RCVD CLOSE_WAIT TIME_WAIT ESTABLISHED FIN_WAIT_1 CLOSING FIN_WAIT_2 Transporte 3-89 Gestión de la conexión en TCP: Ciclo de vida En verde podemos ver las transiciones del ciclo de vida típico de un cliente. En rojo aparece el ciclo de vida típico de un servidor. Las transiciones de color negro son posibles pero no son tan habituales. CLOSED LAST_ACK SYN_SENT LISTEN SYN_RCVD CLOSE_WAIT TIME_WAIT ESTABLISHED FIN_WAIT_1 CLOSING FIN_WAIT_2 Transporte 3-90 Gestión de la conexión en TCP: Ciclo de vida La primera transición del ciclo de vida típico del cliente es la que va del estado CLOSED al estado SYN_SENT. Se da cuando se produce el evento “Aplicación cliente inicia una conexión”. Lleva asociada la acción “Enviar segmento SYN”. CLOSED SYN_SENT TIME_WAIT ESTABLISHED FIN_WAIT_1 FIN_WAIT_2 Transporte 3-91 Gestión de la conexión en TCP: Ciclo de vida Aquí podemos ver todas las combinaciones “evento/acción” de las transiciones del ciclo de vida típico del cliente. Aplicación cliente inicia una conexión Enviar segmento SYN Transcurre 2 veces el tiempo MSL CLOSED SYN_SENT No enviar nada TIME_WAIT Se recibe segmento SYN-ACK Se recibe segmento FIN Enviar ACK del SYN Enviar ACK del FIN ESTABLISHED La aplicación indica que quiere cerrar la conexión Enviar segmento FIN FIN_WAIT_2 FIN_WAIT_1 Se recibe ACK del FIN No enviar nada NOTA: MSL (Maximum Segment Life), es el tiempo (estimado) de vida máximo de un segmento en la red. Transporte 3-92 Gestión de la conexión en TCP: Ciclo de vida La primera transición del ciclo de vida típico del servidor es la que va del estado CLOSED al estado LISTEN. Se produce da cuando la aplicación servidora crea un socket “de acogida” que se queda esperando los intentos de conexión de los posibles clientes. No hay acción asociada a esta primera transición. CLOSED LISTEN LAST_ACK CLOSE_WAIT ESTABLISHED SYN_RCVD Transporte 3-93 Gestión de la conexión en TCP: Ciclo de vida Aquí podemos ver todas las combinaciones “evento/acción” de las transiciones del ciclo de vida típico del servidor. Aplicación servidora crea socket “de acogida” Se recibe ACK del FIN CLOSED No enviar nada No enviar nada LISTEN LAST_ACK Se recibe segmento SYN Enviar segmento ACK-SYN La aplicación indica que quiere cerrar la conexión SYN_RCVD Se recibe ACK del SYN No enviar nada Enviar segmento FIN CLOSE_WAIT ESTABLISHED Se recibe segmento FIN Enviar ACK del FIN Transporte 3-94 Tema 3: Resumen Hemos visto los principios que hay detrás de los servicios del Nivel de Transporte: Multiplexión y demultiplexión. Transferencia de datos fiable Control de flujo Hemos estudiado los protocolos de internet proporcionan los servicios del nivel de transporte: UDP TCP A continuación: Abandonamos la “frontera” de la red (Niveles de aplicación y de transporte) Entraremos en el “núcleo” de la red. Transporte 3-95 Tema 3: PROBLEMAS Transporte 3-96 Problema 1 Suponga que el cliente A inicia una conexión TCP con un servidor web de nombre S. Más o menos simultáneamente, el cliente B también inicia una conexión TCP con S. Indique posibles números de puerto origen y destino para: Los segmentos enviados de A a S Los segmentos enviados de B a S Los segmentos enviados de S a A Los segmentos enviados de S a B Si A y B están en host diferentes, ¿podría el número de puerto origen de los segmentos que van de A a S ser el mismo que el de los segmentos que van de B a S? ¿Y si los procesos clientes A y B están en el mismo host? Transporte 3-97 Problema 2 Observe las conexiones que han iniciado los clientes con el servidor Web y responda a lo siguiente: P1 P4 P5 P2 P6 P1P3 PO: 5775 PD: 80 IP-O: B IP-D: C cliente IP: A PO: 9157 PD: 80 IP-O: A IP-D: C PO = Nº de Puerto Origen PD = Nº de Puerto Destino IP-O = Dir. IP Origen IP-D = Dir. IP Destino Servidor Web IP: C PO: 9157 PD: 80 IP-O: B IP-D: C cliente IP: B Transporte 3-98 Problema 2 (continuación) ¿Cuáles son los valores de los puertos de origen y de destino en los segmentos que fluyen desde el servidor de vuelta a los procesos cliente? ¿Cuáles son las direcciones IP (origen y destino) de los datagramas de la capa de red (R_PDU) que transportan a esos segmentos de la capa de transporte? Transporte 3-99 Problema 3 UDP y TCP usan como “checksum” el complemento a 1 de la suma. Suponga que los datos a los que hay que calcular el checksum son las tres palabras siguientes: 1110000001010010 1101010100101111 0010101110101111 Calcule el complemento a 1 de la suma. El receptor suma las tres palabras junto con el checksum recibido. Si el resultado de la suma, en binario, contiene algún cero, el receptor se da cuenta de que hubo algún error en un bit ¿Es eso correcto? ¿Se detecta cualquier error que solo afecte a un bit? Proponga un ejemplo concreto de error no detectable. Transporte 3-100 Problema 4 Hemos visto que los protocolos con “pipeline” mejoran la eficiencia frente a protocolos de “parada y espera”. Suponga un Tx y un Rx un enlace de 1Gbps, 30ms de RTT, con PDUs de 1500 bytes y con tamaños de cabecera cero (es decir un tamaño totalmente despreciables frente a los otros tamaños). ¿Cuántas PDUs de datos tiene que tener “en vuelo” el Tx para que la tasa de utilización del canal sea del 95%? Transporte 3-101 Problema 5 Una aplicación puede preferir a UDP como protocolo de transporte en lugar de TCP, para así tener un mayor grado de control sobre qué datos se envían en la T_PDU y en qué instante. Explique por qué UDP ofrece a la aplicación mayor control sobre qué datos se envían en la T_PDU. Explique por qué UDP ofrece a la aplicación mayor control sobre el instante en que se envía una T_PDU. Transporte 3-102 Problema 6 Suponga que un protocolo aplicación cliente desea enviar sólo una PDU de 1000 bytes usando el servicio de transporte fiable de Internet a una aplicación servidora que le responde con 100 bytes. Realice un diagrama con el flujo de TCP_PDUs que se intercambirán etiquetando cada una de ellas con los flags activos, el valor del campo número de secuencia, el valor del campo número de ACK y el nº de bytes de TCP_UD que transporta. Para cada TCP_PDU intercambiada debe indicar el tamaño en bytes de la misma. Suponga que TCP no tiene opciones, el número de secuencia inicial (NSI) del cliente es 1000 y el del servidor 3000. Transporte 3-103 Problema 7 Se va a transferir de A a B un archivo de gran tamaño (L bytes) por una conexión TCP en la cual el MSS ha quedado establecido en 536 bytes. NOTA: El MSS es el tamaño máximo de los datos de usuario transportados dentro de cualquier segmento de la conexión TCP. En el segmento SYN, usando las opciones de la cabecera TCP, cada entidad TCP informa a la otra del MSS que desea usar. Se usará el menor de los dos. Calcule el valor máximo que podrá tener L si no queremos que los números de secuencia usados en la conexión empiecen a repetirse. Transporte 3-104 Problema 7 (continuación) Calcule el tiempo que tardaría en transmitirse un fichero de la longitud L que ha calculado anteriormente, suponiendo que: A y B están conectados por un enlace de 155Mbps Cada segmento TCP se encapsula en un único datagrama IP y este en una única trama, lo cual añade un total de 66 bytes de cabeceras a los datos del nivel de aplicación. Se puede enviar al ritmo máximo, sin peligro de desbordar al receptor, por lo que no tendremos en cuenta el control de flujo. Transporte 3-105 Problema 8 Suponga que un protocolo aplicación cliente desea enviar sólo una PDU de 100 bytes usando el servicio de transporte fiable de Internet a una aplicación servidora que le responde con 1000 bytes. Realice un diagrama con el flujo de TCP_PDUs que se intercambirán etiquetando cada una de ellas con los flags activos, el valor del campo número de secuencia, el valor del campo número de ACK y el nº de bytes de TCP_UD que transporta. Para cada TCP_PDU intercambiada debe indicar el tamaño en bytes de la misma. Suponga que TCP no tiene opciones, el número de secuencia inicial (NSI) del cliente es 0, el del servidor 0 y el MSS 536. Transporte 3-106 Problema 9 Los hosts A y B se están comunicando a través de una conexión TCP. El host B ha recibido de A todos los bytes hasta el byte 126 y A ha recibido sus ACK. Suponga que A envía ahora a B dos segmentos seguidos, el primero de 70 bytes de datos y el otro de 50. El Nº de secuencia del primer segmento es 127, el Nº de puerto origen es el 302 y el Nº de puerto destino el 80. Suponga que B envía un reconocimiento cada vez que le llega un segmento de A. ¿Qué Nº de secuencia, Nº de puerto origen y Nº de puerto destino tiene el segundo segmento que envió A? Si el primer segmento llega a B antes que el segundo ¿cuál es el Nº de reconocimiento, Nº de puerto origen y Nº de puerto destino del ACK que enviará B por él? Transporte 3-107 Problema 9 (continuación) Si la capa de red desordena los dos segmentos de A, de forma que el segundo llega en primer lugar a B ¿cuál será el Nº de reconocimiento del ACK que enviará B nada más recibirlo? Suponga que los dos segmentos de A a B llegan en orden, y que a los dos ACKs que envía B les ocurre. El primero se pierde y no llega a A. El segundo llega después de que en A se haya producido el time_out del primer segmento. Dibuje un diagrama temporal con los dos segmentos que envió A, los dos ACKs de B y añada el resto de segmentos que se van a enviar debido a retransmisiones y nuevos ACKs. Suponga que no se perderán más segmentos. Indique tamaño de los datos, Nº de secuencia y Nº de reconocimiento. Transporte 3-108 Problema 10 Los hosts A y B se están comunicando a través de una conexión TCP. Ambos están unidos directamente por un enlace de 100Mbps. A está transfiriendo a B un archivo de gran tamaño a través de la conexión TCP. La capa de aplicación del host A es capaz de enviar datos a su socket TCP a un ritmo de 120Mbps. La capa de aplicación del host B va sacando los datos del buffer de recepción TCP a un ritmo que no supera los 60Mbps. Describa el efecto del control de flujo de TCP sobre el ritmo al que la capa de aplicación de A envía datos a su socket TCP. Transporte 3-109 Problema 11 Hemos visto que TCP necesita estimar el valor del RTT para saber lo que debe quedarse esperando un ACK. Para estimar el RTT se basa en valores RTTmuestra que son el tiempo transcurrido entre el envío de un segmento y la llegada de su ACK. Sin embargo, TCP no usa el valor de RTTmuestra asociado a segmentos que han sido retransmitidos. ¿Por qué no usa TCP como RTTmuestra el tiempo transcurrido entre la retransmisión de un segmento y la llegada de su ACK? Transporte 3-110 Problema 12 ¿Qué relación podemos establecer entre la variable BaseEmision del emisor TCP y la variable UltimoByteRecibido del receptor TCP? Transporte 3-111 Problema 13 ¿Qué relación podemos establecer entre la variable y del emisor TCP y la variable UltimoByteRecibido del receptor TCP? Transporte 3-112 Problema 14 TCP deduce que un segmento se ha perdido cuando recibe, por tres veces, un ACK que reconoce datos ya reconocidos. Al recibir tres ACKs duplicados de un segmento, TCP hace una retransmisión rápida de ese segmento que supone perdido, sin esperar a que expire el temporizador. ¿Por qué TCP no hace la retransmisión rápida en cuanto llega el primer ACK duplicado y espera al tercero? Transporte 3-113 Problema 15 El host A está enviando al host B un gran archivo a través de una conexión TCP. La entidad TCP del host B tiene un buffer de recepción grande, donde puede caber el archivo completo mientras que el buffer de transmisión de la entidad TCP de A solo tiene capacidad para un porcentaje del mismo. En la conexión TCP no se está perdiendo ningún segmento, por lo que los ACKs llegan siempre a tiempo y nunca expiran los temporizadores. El ancho de banda del enlace que conecta a A con Internet es de R bps. La capa de aplicación de A es capaz de enviar datos a su socket TCP a un ritmo de S bps, que es 10 veces R, sin embargo algo le impide alcanzar el ritmo S. ¿Está impidiendo el control de flujo que la capa de aplicación envíe datos a su socket TCP a un ritmo S, o es otro el motivo? Transporte 3-114