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Aula12 - Camada de Transporte

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Camada de Transporte
Prof. Me. Anderson Bessa da Costa
���1
Roteiro
• Características 
• Portas de Comunicação Cliente e Servidor	
• UDP	
• TCP	
• Controle de Fluxo	
• Requisitos de Aplicações
Nível de Rede
• Detalhamento, funções e serviços do nível de rede
���3
Camadas OSI
• Nível de Rede: 
• estabelece, mantém e termina conexões lógicas;	
• responsável pelo roteamento;	
• dependendo da filosofia da rede em questão, pode 
trabalhar segundo o conceito de datagrama (não 
orientado à conexão) ou circuito virtual (orientado à 
conexão);	
Provê os meios funcionais e procedurais para a 
transmissão de dados orientada ou não-orientada à 
conexão entre entidade do nível de transporte.
���4
Características
• Sua função é promover a transferência de dados confiável 
e econômica entre a máquina de origem e a máquina 
destino, independente das redes físicas em uso no 
momento.
Características
• Comunicação fim-a-fim entre aplicações	
• canal virtual de comunicação entre aplicações em 
computadores distintos	
• Rede básica (IP) opera pelo melhor esforço (best-effort)	
• pacotes perdidos	
• pede mensagens novamente	
• entrega cópias duplicadas de determinada mensagem	
• limita as mensagens a algum tamanho finito	
• entrega mensagens após um atraso arbitrariamente 
longo
Características
• Serviços fim-a-fim usuais	
• garante entrega da mensagem	
• entrega mensagens na mesma ordem em que foram 
enviadas	
• entrega no máximo uma cópia de cada mensagem	
• aceita mensagens arbitrariamente grandes	
• detecção fim-a-fim	
• aceita sincronismo entre fonte e destino	
• permite que o receptor controle o fluxo do emissor	
• admite múltiplos processos de aplicação em cada host
Características: Serviço Fim-A-
Fim
• Canais são implementados em software, já que o 
subsistema de rede não provê facilidades	
• Mensagens TCP e UDP são encapsuladas em 
datagramas (pacotes) IP
Características Serviço Fim-A-
Fim
• Canais são implementados em software, já que o 
subsistema de rede não provê facilidades	
• Mensagens TCP e UDP são encapsuladas em 
datagramas (pacotes) IP
Características
• Mecanismos de identificação de processos	
• O nível de transporte oferece:	
• serviços sem conexão (datagramas)	
• serviços orientados à conexão (circuitos virtuais)	
• controle de fluxo de dados fim-a-fim	
• controle de erro —> detecção e correção de 
erro fim-a-fim	
• controle de sequência (sequenciação)	
• divisão de mensagens em segmentos
Características
• Serviços sem conexão (datagramas)	
• Ex.: UDP	
• mapeia os pedidos de transmissão para serviços 
oferecidos pela camada de rede	
• apresenta baixo overhead	
• não implementa nenhum mecanismo de confiabilidade	
• detecção de erro	
• controle de fluxo	
• sequenciação
Características
• Serviço orientado à conexão (circuitos virtuais)	
• Ex.: TCP	
• Etapas	
• estabelecimento de conexão	
• transferência de dados	
• encerramento da conexão
Características
• Etapas dos serviços orientados à conexão (circuitos 
virtuais)	
• estabelecimento de conexão	
• three-way handshake	
• define o tamanho da janela de transmissão	
• define número de sequência
Características
• Etapas dos serviços orientados à conexão (circuitos 
virtuais)	
• transferência de dados	
• detecção e correção de erros	
• sequenciação	
• controle de fluxo
Características
• Etapas dos serviços orientados à conexão	
• encerramento da conexão	
• um problema presente é evitar que dados sejam perdidos 
depois que um dos lados encerrou a conexão	
• uma entidade de transporte ao pedir uma desconexão deve 
aguardar por um tempo antes de fechar a conexão, podendo 
receber dados durante esse período	
• Uma conexão termina apenas depois de decorrido um certo 
tempo sem que chegue nenhuma T-PDU (unidade de dados 
do protocolo de transporte)	
• dessa forma, se um lado desconectar, o outro vai notar a falta 
de atividade e também se desconectar
Características
• Etapas dos serviços orientados à conexão:	
• Encerramento da conexão	
• para evitar que uma conexão seja desfeita, os 
participantes devem assegurar o envio de T-
PDUs periódicas informando que estão “vivos”, 
quando não têm dados para transmitir ;	
• caso muitas T-PDUs se percam durante uma 
conexão, um dos lados pode fechar a conexão 
indevidamente;
Características 
• Protocolos de Transporte	
• Mesmas técnicas do nível de enlace agora aplicadas fim-a-fim	
• Controle de Fluxo	
• stop-and-wait (bit alternado)	
• sliding window (janela deslizante)	
• Controle de Erro	
• ARQ Automatic Repeat Request (Stop and Wait = bit 
alternado na camada de enlace)	
• janela n com retransmissão integral - go back n	
• janela n com retransmissão seletiva - selective repeat
Roteiro
• Características	
• Portas de Comunicação Cliente e Servidor 
• UDP	
• TCP	
• Controle de Fluxo	
• Requisitos de Aplicações
Portas
• Identificam os processos origem e destino	
• Viabilizam a comunicação fim-a-fim	
• Permite envio e recepção de datagramas de forma 
independente
Portas
• Como o protocolo 
d e t r a n s p o r t e 
identifica para qual 
processo ele tem que 
e n t r e g a r a s 
i n f o r m a ç õ e s n a 
camada de aplicação?	
• Através de portas
Portas
• SO oferece interface de 
acesso	
• Pressupõe buffers de 
recepção e transmissão
Comunicação Cliente-Servidor
Portas
• Exemplo: Protocolo TCP ou UDP	
• portas são números inteiros de 16 bits	
• padronização da IANA (Internet Assigned Number Authority)	
• A IAB (Internet Activity Board) define o número da porta que cada 
serviço da Internet deve estar associado
Portas
• Servidores têm portas bem conhecidas
Portas
Portas
Roteiro
• Características	
• Portas de Comunicação Cliente e Servidor	
• UDP 
• TCP	
• Controle de Fluxo	
• Requisitos de Aplicações
Protocolos
• UDP (User Datagram Protocol) 
• serviço não orientado à conexão	
• baixo overhead	
• não confiável	
• detecção de erro opcional	
• sem controle de seqüência	
• nenhum controle de fluxo	
• Extremidades identificadas por porta para multiplexação	
• TCP (Transmission Control Protocol) 
• serviço orientado a conexão	
• confiável	
• detecção e correção de erros	
• controle de fluxo fim-a-fim	
• …
Udp User Datagram Protocol
• Quando utilizar a UDP?	
• aplicações que implementam mecanismo de entrega 
confiável	
• pequena quantidade de dados a transmitir, 
considerando que o tempo para estabelecer a 
conexão é maior do que o tempo para transmitir os 
dados;	
• serviços em que pequenas porções de informação 
podem ser perdidas	
• Ex.: transmissão de vídeo, voz …
Udp
• Formato do Datagrama UDP:	
• Source/Destination Protocol: 
• portas usadas pelos processos	
• Lenght: 
• tamanho do datagrama (octetos)	
• Checksum: 
• verificação de erro no datagrama (opcional). Normalmente este não é 
implementado	
• cabeçalho UDP + pseudo-cabeçalho + dados	
• Data: 
• dados do usuário
Roteiro
• Características	
• Portas de Comunicação Cliente e Servidor	
• UDP	
• TCP 
• Controle de Fluxo	
• Requisitos de Aplicações
Tcp
• Características	
• Baseados em Stream:	
• sequência de bytes não estruturada	
• Conexão com Circuito Virtual (Orientado à Conexão)	
• estabelecimento	
• transferência de conexão	
• encerramento de conexões	
• Confiável (detecção e correção de erros)	
• Buffers:	
• buffer de retransmissão com controle automático de envio	
• Controlede fluxo por janela deslizante: evita que o emissor ultrapasse a 
capacidade do receptor	
• Controle de congestionamento: evita que o emissor inunde a rede
Tcp
• Segmentos:	
• TCP manipula o stream de dados como uma sequência de octetos 
divididos em segmentos	
• cada segmento é encapsulado dentro de um datagrama IP	
• Números de Sequência:	
• segmentos no stream de dados são numerados sequencialmente
Enlace De Dados Versus 
Transporte
• Potencialmente conecta muitos hosts diferentes	
• precisa de estabelecimento e término explícitos para a conexão	
• RTT potencialmente diferente	
• precisa de mecanismo de timeout adaptável	
• Retardo potencialmente longo na rede	
• precisa estar preparado para chegada de pacotes muito antigos	
• Capacidade potencialmente diferente no destino	
• precisa acomodar capacidade diferente do nó	
• Capacidade de rede potencialmente diferente	
• precisa estar preparado para congestionamento na rede
Tcp
• Confiabilidade:	
• Imp lementa con f i ab i l i dade a t r avés de 
reconhecimento positivo e retransmissão (caso 
ocorra erro/falha)	
• Utiliza Piggybacking no reconhecimento	
• confirmação enviada junto com a parte de 
dados	
• Retransmissão baseada em timeout
Tcp
• O TCP ao transmitir os dados de um segmento:	
• Guarda uma cópia na fila de retransmissão	
• Aguarda a chegada de um reconhecimento	
• Se timeout estourar, o segmento da fila de 
retransmissão é enviado
Tcp
Tcp
• Sliding Window:	
• Permite o transmissor enviar múltiplos segmentos antes de 
receber reconhecimento	
• Eficiência de transmissão e controle de fluxo dinâmico:	
• é informado junto com o reconhecimento o número de 
segmentos que o receptor tem capacidade de receber
Tcp
• Ex. com Janela de transmissão = 3
Tcp
Tcp
• Campos do segmento:	
• Source/Destination Port: 
• Identificam os processos origem e destino da conexão	
• Sequence Number: 
• Posição/Número do segmento dentro do stream de dados	
• Ack Number: 
• Reconhecimento - ou número do próximo byte - (ACK) que 
o destino espera receber	
• Pacote que vai em um sentido confirma último pacote 
recebido no sentido contrário (piggybacking)	
• Hlen: 
• Tamanho do cabeçalho (unidade: 4 octetos)
Tcp
• Campos do Segmento:	
• Code Bits: 
• URG: Campo Urgent Pointer válido	
• ACK: Confirmação do pedido de conexão	
• PSH: Segmento requer que o dado seja já enviado, não 
armazenando-o no buffer	
• RST: Reseta a conexão - término devido a erro	
• SYN: Estabelecimento de conexão	
• sincroniza números de sequência	
• FIN: Origem finalizou seu stream de bytes. Encerramento 
da conexão
Tcp
• Campos do Segmento:	
• Window Advertisement: 
• Especifica o tamanho da janela	
• possibilita controle de fluxo	
• evita a sobre-escrita de buffers	
• informa o tamanho da janela disponível no receptor	
• transmissor não pode enviar dados além do que o 
receptor pode receber	
• Checksum: 
• verificação de erro no segmento	
• Urgent Pointer: 
• posição dos dados urgente no segmento (se existirem)
Tcp
• Campos do Segmento:	
• Options: 
• Tamanho de Segmento Máximo (MSS)	
• pacote de pesquisa pelo MSS	
• visa evitar fragmentação IP	
• fator de escala do tamanho da janela	
• permite janelas maiores que 64KB	
• Timestamp	
• permite reconhecer pacotes que tenham se extraviado pela rede 
durante conexões muito rápidos	
• Encontradas em quase todas as implementações modernas	
• essenciais para garantir desempenho nas redes de alta capacidade 
(LFNs)
Tcp: Conexão Com Três Fases
• Estabelecimento	
• TCP requer que aplicações reconheçam a nova conexão como 
única e inconfundível	
• pacotes de conexões anteriores não podem ser tomados como 
pacotes válidos	
• Transferência de dados	
• comunicação full-duplex	
• interface de serviço é uma sequência de bytes	
• Término da conexão	
• TCP garante a entrega de todos os dados antes de fechar uma 
conexão a pedido da aplicação	
• Fases representadas no diagrama de estados TCP
Tcp: Controle De Conexão
• Three way handshake
Tcp
• Three way handshake
Tcp
• Three way handshake
Tcp
• Three way handshake
Tcp
• Three way handshake
Tcp
• Flag ACK	
• uma conexão TCP sempre se inicia com o cliente 
enviando um pacote com o flag SYN = 1 e ACK = 
0
Tcp
• Término da conexão
Tcp: Diagrama De Estados
Tcp: Portas, Conexões E 
Endpoints
• TCP utiliza o conceito de conexões para identificar 
os dois pontos envolvidos na comunicação	
• terminações da conexões = endpoints	
• Um endpoint é um par de inteiros da forma:	
!
!
• A conexão é identificado por um par de endpoints
Maximum Segment Size (Mss)
• O TCP tenta evitar a fragmentação implementada 
pelo protocolo IP na camada de rede através do 
MSS;	
• O MSS é definido pelo TCP durante Three-Way-
Handshake;	
• O MSS representa o tamanho máximo da parte de 
dados de um segmento TCP, tendo o propósito de 
evitar a fragmentação na camada de rede;
Maximum Transmission Unit 
(Mtu)
• A Maximum Transmission Unit 
(MTU) é o tamanho máximo de 
um pacote IP (incluindo o seu 
c a b e ç a l h o ) q u e e v i t a a 
implementação de fragmentação	
• O pacote IP a ser transmitido 
sofrerá fragmentação caso seja 
maior que o MTU	
• O MTU do protocolo IP é 
diferente em cada tecnologia. Por 
exemplo, vide a tabela ao lado
MTU	
 Protocol RFC
576 Default 879
1500 PPP Default 1134
1500 Ethernet 895
1006 SLIP 1055
1492 PPPOE 2516
Calculando O Tamanho Do Mss
• O MSS é calculado a partir do MTU	
• A RFC879 define como o MSS é calculado pelo protocolo TCP:	
• O MSS do TCP é o tamanho máximo de um datagrama IP definido pela 
MTU menos 40	
• MSS = MTU - sizeof(TCPHDR) - sizeof(IPHDR)	
• MSS = MTU - 20 - 20	
• Por exemplo, para calcular o MSS em uma rede Ethernet:	
• passo 1: definir a MTU em uma rede Ethernet = 1500 bytes	
• passo 2: calcular o MSS do protocolo TCP em uma rede Ethernet	
• MSS = MTU - sizeof(TCPHDR) - sizeof(IPHDR)	
• MSS = 1500 - 20 - 20 = 1460 bytes	
• Resumindo:	
• TCP Maximum Segment Size = IP Maximum Datagram Size - 40
Mss Padrão Do Tcp
• A RFC 879 determina que o MTU mínimo que deve ser 
suportado por TODOS dispositivos de rede é de : 576 bytes	
• Sendo assim, podemos inferir que o MSS padrão (mínimo) é 
de: 536 bytes	
• MSS = MTU - sizeof(TCPHDR) - sizeof(IPHDR)	
• MSS = 576 - 20 - 20 = 536 bytes	
• A RFC 879 afirma o seguinte:	
• “Hosts must not send datagrams larger than 576 octets 
unless they have specific knowledge that the destination 
host is prepared to accept larger datagramas”.
Roteiro
• Características	
• Portas de Comunicação Cliente e Servidor	
• UDP	
• TCP	
• Controle de Erros e Fluxo 
• Requisitos de Aplicações
Controle De Erros
• Detecção de Erro	
• Checksum	
• CRC - Cyclic Redundancy Code	
• Técnicas de Correção de Erro	
• recuperação do segmento original	
• retransmissão do segmento com erro
Tcp: Controle De Erros
• Correção de erro	
• Confirmação positiva (ACK)	
• Utiliza piggybacking no reconhecimento	
• confirmações enviadas junto com os dados no sentido oposto	
• Dados podem ser recebidos fora de ordem	
• Qualquer segmento recebido gera uma confirmação do último 
byte recebido em ordem	
• Algoritmos de Correção de erro	
• stop-and-wait ARQ	
• janela n com retransmissão integral - go back n	
• janela n com retransmissão seletiva - selective repeat
Stop-And-Wait - Arq
Controle De Erros Recuperação
• Recuperação de erros —> reenviodos segmentos perdidos	
• Permite enviar n segmentos sem ter recebido reconhecimentos dos 
segmentos anteriormente enviados	
• A janela de transmissão define o número de segmentos que podem ser 
enviados sem receber confirmação	
• Detecta o erro a partir do reconhecimento positivo	
• Existem duas formas para reparar o erro na transmissão:	
• retransmissão integral (go back N): todos os segmentos a partir de j são 
transmitidos novamente	
• retransmissão seletiva (Selective Repeat): só o segmento j é retransmitido	
• O transmissor ao receber o ACK do segmento n conclui que ele, e os 
segmentos antes dele, foram recebidos corretamente.
Sliding Window - Janela 
Deslizante
Controle De Fluxo
• Controle de fluxo fim-a-fim	
• Regula o fluxo de mensagens (pacotes) entre 
transmissor e receptor	
• Resolve o problema da diferença entre velocidade de 
transmissão e recepção	
• Não permite que uma estação transmissora mais 
rápida sobrecarregue uma estação receptora	
• Técnicas	
• stop-and-wait == Bit Alternado	
• Sliding Window (Janela Deslizante)
Tcp: Controle De Fluxo
• Mecanismo de janela deslizante variável	
• No estabelecimento da conexão, buffer é alocado	
• Toda confirmação (desde o three-way-handshake) 
informa o espaço disponível nesse buffer	
• a notificação que contém esse dado é chamada 
anúncio da janela (window advertisement)	
• o emissor não pode ter mais do que esse valor 
em bytes não confirmados
Revisão De Janela Deslizante
• Lado emissor	
• ÚltimoByteConfirmado < ÚltimoByteEnviado	
• ÚltimoByteEnviado <= ÚltimoByteEscrito	
• buffer de bytes entre: ÚltimoByteConfirmado e ÚltimoByteEscrito	
!
• Lado receptor	
• ÚltimoByteLido < PróxByteEsperado	
• PróxByteEsperado <= ÚltimoByteRecebido + 1	
• buffer de bytes entre: ÚltimoByteLido e ÚltimoByteRecebido
Controle De Fluxo
• Tamanho do buffer de envio: BufferEnvioMáx	
• Tamanho do buffer de recepção: BufferRecMáx	
• Lado Receptor	
• ÚltimoByteRecebido - ÚltimoByteLido <= BufferRecMáx	
• JanelaAnunciada = BufferRecMáx - (PróxByteEsperado - 
ÚltimoByteLido)	
• Se o processo local lê os dados tão rápido quanto eles chegam, 
a janela anunciada permanece aberta (JanelaAnunciada = 
BufferRecMáx)	
• Caso contrário, a janela pode até ser reduzida a zero	
• Sempre envia ACK em resposta à chegada do segmento de dados
Controle De Fluxo
• Lado Emissor	
• ÚltimoByteEnviado - ÚltimoByteConfirmado <= 
JanelaAnunciada	
• JanelaEfetiva = JanelaAnunciada - (ÚltimoByteEnviado - 
ÚltimoByteConfirmado)	
• ÚltimoByteEscr ito - ÚltimoByteConfirmado <= 
BufferEnvioMáx	
• b l o q u e i a e m i s s o r s e ( Ú l t i m o B y t e E s c r i t o - 
ÚltimoByteConfirmado) + y > BufferEnvioMáx	
• Persiste no envio de 1 byte (de tempos em tempos) quando 
JanelaAnunciada = 0
Proteção Contra Quebra (Wrap-
Around)
• NumSeq de 32 bits	
!
!
!
!
!
!
• Solução: usar campo opção de timestamp de 32 bits 
para ampliar o NumSeq
Mantendo A Tubulação Cheia
• JanelaAnunciada de 16 bits	
!
!
!
!
!
!
!
• Usar opção: fator de escala da janela
Disparando A Transmissão
• Aplicações escrevem fluxos de bytes (byte-stream)	
• Quando o TCP deve enviar um segmento?	
• assim que o MSS for atingido	
• segmento máximo que não causa fragmentação	
• emissor solicita envio explicitamente	
• operação push	
• quando temporizador expira
Síndrome Da Janela Tola
• Com que agressividade o emissor deve explorar a janela aberta?	
!
!
!
!
• Quanto tempo esperar antes de enviar mais dados?	
• espera demais: prejudica o desempenho das aplicações	
• espera pouco: utilização ruim da rede (muitos pacotes 
pequenos)	
• estratégias: temporizações ou “auto-controle” (self-clocking)
Síndrome Da Janela Tola
• Com que urgência o transmissor deve enviar pacotes pequenos?	
!
!
!
!
• Soluções no lado receptor	
• após anunciar janela zero, espera por um espaço igual ao 
tamanho máximo do segmento (MSS)	
• só abre a janela fechada se tiver espaço para um MSS	
• confirmações atrasadas (delayed acknowledgements)
Síndrome Da Janela Tola
• Controle pelo emissor (Algoritmo de Nagle)	
• quando o emissor decide enviar um segmento?	
!
• quando a aplicação gera dados adicionais	
• se preenche um segmento máximo (e janela aberta): 
envia	
• senão (segmento incompleto)	
• se houver dados não confirmados em trânsito: 
mantém em buffer até que o ACK chegue	
• senão: envia
Retransmissão Adaptável (Ou 
Temporização Adaptável)
• Problema a ser resolvido:	
• como configurar temporizadores (timeouts) para comunicações 
em LANs e WANs (redes em RTTs bem diferentes)?	
• LANs: deve esperar pouco	
• WANs: deve esperar mais	
!
• TCP adota temporizações variáveis	
• TCP monitora o atraso de alguns pacotes em cada conexão e 
modifica o temporizador de retransmissão para acomodar 
mudanças	
• Mudança é feita em função de análise estatística das mensagens 
transmitidas com sucesso
Retransmissão Adaptável 
(Algoritmo Original)
• Mede SampleRTT para cada par segmento/ACK	
• Calcula média ponderada de RTT	
• EstRTT = alfa x EstRTT + beta x SampleRTT	
• onde alfa + beta = 1	
• alfa entre 0.8 e 0.9	
• beta entre 0.1 e 0.2	
• Define timeout com base em EstRTT	
• TimeOut = 2 x EstRTT	
!
• Bastante conservador
Algoritmo De Karn/Partridge
!
!
!
!
!
!
!
• Não faz amostragem do RTT ao retransmitir	
• SampleRTT só de pacotes enviados uma única vez	
• Dobra timeout após cada retransmissão	
• Decaimento exponencial
Algoritmo De Jacobson/Karels
Roteiro
• Características	
• Portas de Comunicação Cliente e Servidor	
• UDP	
• TCP	
• Controle de Fluxo	
• Requisitos de Aplicações
De Qual Serviço De Transporte 
Uma Aplicação Necessita?
• Perda de dados	
• Algumas aplicações (ex.: áudio) podem tolerar alguma perda	
• Outras aplicações (ex.: transferência de arquivos, telnet) exigem 
transferência de dados 100% confiável	
• Temporização	
• Algumas aplicações (ex.: telefonia Internet, jogos interativos) 
exigem baixos atrasos para serem “efetivos"	
• Banda passante	
• Algumas aplicações (ex.: multimídia) exigem uma banda mínima 
para serem “efetivas"	
• Outras aplicações (“aplicações elásticas”) melhoram quando a 
banda disponível "aumenta"
Requisitos De Transporte De 
Aplicação Comuns
Serviços Dos Protocolos De 
Transporte Da Internet
• Serviço TCP:	
• Orientado à conexão: conexão requerida entre processos cliente e 
servidor	
• Transporte confiável entre os processos de envio e recepção	
• Controle de fluxo: o transmissor não sobrecarrega o receptor	
• Controle de Congestionamento: protege a rede do excesso de tráfego	
• Não oferece: garantias de temporização e de banda mínima	
• Serviço UDP:	
• Transferência de dados não confiável entre os processos transmissor e 
receptor	
• Não oferece: estabelecimento de conexão, confiabilidade, controle de 
fluxo e de congestionamento, garantia de temporização e de banda 
mínima
Aplicação E Protocolos De 
Transporte Da Internet
Referências
• Redes de Computadores: Uma abordagem de 
sistemas. Larry Peterson e Bruce Davie. 3ª ed. Editora 
Campus, 2004. Capítulo 5

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