Redes de Computadoras. La capa de transporte

Transcripción

1 Redes de Computadoras La capa de transporte

2 Contenido El servicio de transporte Elementos de los protocolos de transporte Los protocolos de transporte de la Internet: UDP y TCP

3 Objetivo de la capa de transporte Proveer un servicio Eficiente Confiable Efectivo en costo a los procesos de la capa de aplicación

4 La entidad de transporte Relación entre las capas de aplicación, transporte y red

5 Servicios de la capa de transporte Posee dos tipos de servicios similares a los de la capa de red Servicio no orientado a conexión Servicio orientado a conexión

6 Por qué se requiere la capa de transporte? El código de la capa de red corre en su mayoría en los enrutadores, esta capa puede sufrir problemas tales como: mal servicio de la capa de red, pérdida de paquetes y los enrutadores se pueden estrellar (crush) Los usuarios no tienen control sobre la capa de red (está en control de red y routers) El código de la capa de transporte corre completamente en las máquinas de los usuarios y provee calidad de servicio y confiabilidad

7 Características de la Capa de Transporte Capa de transporte no sería necesaria si redes fueran libres de fallas. Detecta y compensa pérdidas (si es requerido) en paquetes. Se le llama proveedor de servicios de transporte Capas superiores se les llama servicios de transporte de usuario.

8 Primitivas de un servicio de transporte

9 El encapsulado de segmentos, paquetes y tramas

10 Diagrama de estado de una conexión simple Las transiciones en itálica son al recibir paquetes Servidor Cliente

11 Las primitivas socket de Berkeley para TCP Un servidor ejecuta las cuatro primeras primitivas en secuencia Un cliente ejecuta solo socket, connect (send, receive, close) (file descriptor)

12 Elementos de los protocolos de transporte Direccionamiento Establecimiento de la conexión Liberación de la conexión Control de flujo y buferización Multiplexado Recuperación de fallas

13 El protocolo de transporte Un protocolo de transporte debe lidiar de manera similar a un protocolo de enlace de datos con control de errores, secuenciado y control de flujo (a) Capa de enlace de datos (b) capa de transporte

14 Diferencias entre capa de enlace de datos y transporte Capa de enlace de datos Hay un canal físico entre enrutadores Cada interfaz del enrutador conecta a otro enrutador Establecer una conexión es simple Solo hay una conexión Capa de transporte Hay una subred entre entidades de transporte Requiere de direcciones de transporte Establecer una conexión es complicado La subred tiene capacidad de almacenamiento

15 Los problemas que enfrenta la capa de transporte La capa de red no es confiable La capa de red tiene memoria La capa de red puede hacer que los paquetes lleguen en desorden

16 Direccionamiento (puertos) Punto de acceso al servicio de transporte (TSAP) Punto de acceso al servicio de red (NSAP)

17 Conexión de transporte simple Pasos: 1. El proceso time of day del servidor 1 se adhiere al TSAP 1522 y espera una llamada 2. Un proceso de aplicación en el host 1 desea una conexión al servicio time of day y solicita conexión con el TSAP 1208 como fuente y el TSAP 1522 como destino 3. Después de conectado el proceso de aplicación envía una solicitud de hora 4. El servidor de hora responde con la hora actual 5. Se cierra la conexión de transporte

18 Estado de las conexiones TCP netstat Active Connections Proto Local Address Foreign Address State TCP fmportatilhp: :http CLOSE_WAIT TCP fmportatilhp:1363 messenger.hotmail.com:1863 TIME_WAIT TCP fmportatilhp:1364 baym-cs103.msgr.hotmail.com:1863 ESTABLISHED TCP fmportatilhp: :3389 ESTABLISHED TCP fmportatilhp: :http ESTABLISHED TCP fmportatilhp: :http ESTABLISHED TCP fmportatilhp:1373 cs49.msg.dcn.yahoo.com:5050 ESTABLISHED TCP fmportatilhp:1375 a deploy.akamaitechnologies.com:http TIME_WAIT TCP fmportatilhp:1382 a deploy.akamaitechnologies.com:http ESTABLISHED

19 Conexiones TCP Host 1 NSAP o dirección IP: fmportatil TSAP o puerto TCP: 1367 Host 2 NSAP o dirección IP: TSAP o puerto TCP: 3389

20 Establecimiento de la conexión Cómo un proceso en el host1 establece una conexión a un servicio en el host2

21 Establecimiento de la conexión (2) Formas de conocer el TSAP del servicio requerido: El servicio ha estado asociado a un TSAP durante tanto tiempo que todo el mundo lo conoce Se usa un directorio de servicios con TSAP conocido y se le consulta por el TSAP del servicio requerido al servidor de nombres o de directorio

22 Cómo evitar el problema de los paquetes duplicados? Evitar que los paquetes duren por siempre en la subred usando las técnicas siguientes: Diseño restringido de la subred Colocando un contador de saltos en cada paquete Poniendo un sello de hora a cada paquete usando un reloj de tiempo real La idea es que dos segmentos numerados igual no son generados al mismo tiempo

23 Establecimiento de la conexión (3) (a) La región prohibida, los duplicados y (b) El problema de la resincronización.

24 Establecimiento de la conexión de 3 vías (a) Operación normal (b) Solicitud de conexión vieja aparece de la nada (c) CR duplicado y ACK duplicado

25 Terminación de la conexión Desconexión abrupta con pérdida de datos

26 Terminación de la conexión (2) El problema de los dos ejércitos: el canal de comunicación para el ejército azul no es confiable

27 Terminación de la conexión (3) (a) Caso normal con protocolo de 3 vías (b) ACK final se pierde

28 Terminación de la conexión (4) (c) Respuesta perdida (d) Respuesta perdida y DR siguientes también

29 Multiplexado (a) Multiplexado hacia arriba TCP/IP (b) Multiplexado hacia abajo VC y multilink

30 Recuperación de fallas Ninguna estrategia funciona bien en todos los casos

31 Un protocolo simple de transporte Primitivas: connum = LISTEN(local) connum = CONNECT(local, remote) status status status = SEND(connum, buffer, bytes) = RECEIVE(connum, buffer, bytes) = DISCONNECT(connum)

32 La entidad de transporte ejemplo Los paquetes de la capa de red usados en este ejemplo

33 La entidad de transporte ejemplo (2) Cada conexión está en uno de siete estados: IDLE: No se ha establecido conexión aún WAITING: Se ejecutó CONNECT, se envió un CALL REQUEST QUEUED: Llegó un CALL REQUEST; está en LISTEN aún. ESTABLISHED: La conexión ha sido establecida SENDING: El usuario espera por permiso para enviar un paquete RECEIVING: Se ha hecho un RECEIVE DISCONNECTING: Se ha hecho un DISCONNECT local

34 La máquina de estados del protocolo simple de transporte

35 El protocolo UDP de la Internet UDP (User Datagram Protocol) RFC 768. Es un protocolo no orientado a conexión que no tiene control de errores ni de flujo ni retransmisiones de segmentos dañados Es básicamente IP con puerto de origen y destino Sirve para aplicaciones cliente-servidor en las cuales se hacen peticiones cortas y hay respuestas cortas: DNS (Domain Name System)

36 El encabezado de UDP Tiene 8 bytes 16 bits para cada uno de puerto fuente y puerto destino Suma de comprobación de 16 bits opcional

37 Aplicaciones de UDP: RPC (Remote Procedure Call) Las aplicaciones de red no son muy diferentes a las aplicaciones comunes Se puede invocar aplicaciones de red con procedimientos y funciones La idea de RPC es hacer las invocaciones a procesos remotos de manera similar a las invocaciones a procesos locales Se usa un client-stub y un server-stub como representaciones de forma cruzada de los procesos remotos en las máquinas locales

38 Aplicaciones de UDP: RPC (Remote Procedure Call) Uso de llamadas locales para invocar a procesos remotos

39 Aplicaciones de UDP: RTP (Real-Time Transport Protocol) Usado en radio de Internet, telefonía por Internet, música bajo demanda, videoconferencia, video bajo demanda y otras aplicaciones multimedia Multiplexa varias fuentes de datos en un solo flujo UDP Es un protocolo de transporte implementado en la capa de aplicación

40 Aplicaciones de UDP: RTP (Real-time Transport Protocol) (a) Ubicación de RTP en la pila de protocolos (b) Anidado de paquetes

41 Encabezado de RTP Versión, relleno a múltiplo de 4 bytes, extensión del encabezado, número de fuentes, marca para uso de la aplicación, tipo de encodificación de la carga, secuencia, hora de la primera muestra y fuente

42 Características de RTP Si se pierde un segmento la aplicación debe interpolar los datos Con la hora de la primera muestra se puede minimizar los efectos de jitter y pérdida de paquetes y permite sincronizar diferentes flujos Tiene un pequeño hermanito RTCP (Real-time Transport Control Protocol) que administra identificación, sincronización y realimentación de: retardo, jitter, congestión y ancho de banda

43 Introducción a TCP de la Internet El protocolo de control de transporte o TCP (Transport Control Protocol) está definido en los RFC 793 (original), 1122 (correcciones) y 1323 (extensiones) es orientado a conexión Diseñado para proveer comunicación de fin a fin confiable a través de una red no confiable Los datos de los segmentos pueden tener hasta 64KBytes, en la práctica 1460 bytes, para que quepan en una trama Ethernet

44 El modelo de servicio de TCP TCP usa sockets, cada socket usa un número de puerto de 16 bits Un socket puede ser usado múltiples veces simultáneamente Unix usa el inetd (Internet Daemon) como servidor proxy Puerto Protocolo Uso 21 FTP Transferencia de archivos 23 Telnet Login remoto 25 SMTP Correo electrónico ( ) 69 TFTP Trivial File Transfer Protocol 79 Finger Lookup info about a user 80 HTTP Tranferencia de páginas Web 110 POP-3 Acceso remoto a correo electrónico 119 NNTP Noticias USENET

45 El modelo de servicio de TCP Cada conexión es punto a punto full-duplex No soporta multicast ni broadcast La conexión es de flujo de bytes no de mensajes Puede agrupar varias escrituras en un solo bloque Puede retardar la transmisión hasta que consolida varias escrituras No hay forma de saber en que unidades se está escribiendo del lado transmisor Puede forzarse la transmisión con el flag PUSH

46 El modelo de servicio de TCP (2) (a) Cuatro segmentos de 512-bytes enviados como datagramas IP separados (b) 2048 bytes de datos entregados a la aplicación en una simple llamada READ

47 El protocolo TCP Cada byte de una conexión TCP tiene un número de secuencia de 32 bits El segmento TCP consiste de 20 bytes fijos y una parte opcional del encabezado seguido de cero o más bytes El tamaño del segmento está limitado por el MTU (1500 bytes típico: 1460Bytes de datos + 20 bytes encabezado IP + 20 bytes encabezado TCP)

48 El protocolo TCP (2) El protocolo básico usado por las entidades TCP es de ventana deslizante Inicia un temporizador de retransmisión al enviar un segmento; si no hay respuesta al final del tiempo, retransmite Las respuestas contienen el número de secuencia del segmento esperado

49 El encabezado del segmento TCP

50 El encabezado del segmento TCP (2) Consiste de 20 bytes fijos y una parte opcional Puertos fuente y destino de 16 bits Números de secuencia y de reconocimiento de 32 bits Longitud en palabras de 32 bits del encabezado 6 flags Tamaño de la ventana a recibir Suma de verificación en 16 bits que incluye encabezado, datos y pseudo-encabezado

51 El pseudo-encabezado de TCP Las direcciones pertenecen a la capa de red Rompe el paradigma de la división en capas

52 Establecimiento de la conexión en TCP (tres vías) (a) Caso normal (b) Colisión de llamada

53 Terminación de la conexión en TCP A pesar de ser full-duplex, cada conexión se trata como dos conexiones simplex Cada conexión simplex se libera independientemente de la otra dirección Se usa el bit FIN para solicitar la desconexión y se debe recibir un ACK Requiere cuatro segmentos liberar las dos conexiones simplex Si hay un timeout de 2 tiempos de vida el petente de la desconexión simplemente desconecta

54 Modelo de administración de la conexión de TCP Los estados de TCP usados en administración de la conexión

55 Modelo de administración de la conexión de TCP (2) Líneas Sólidas: cliente normal Punteada: servidor normal Suave: eventos inusuales Transición: evento/acción

56 Política de transmisión de TCP Gobernada por el tamaño de la ventana y no por los ACK Para evitar el deadlock el transmisor puede enviar un segmento de 1 byte al final del temporizador de persistencia

57 Política de transmisión de TCP Problemas de ineficiencia pueden darse en: Conexión interactiva de telnet Se gastan hasta cuatro segmentos de 40 y 41 bytes para un solo caracter (2 segmentos de ACK + 2 de un caracter) Si se espera unos 500ms para consolidar carga, y mejorar el rendimiento de telnet (algoritmo de Nagle) puede que aplicaciones como X-Windows no funcionen bien con el ratón

58 Política de transmisión de TCP Síndrome de la ventana tonta (Silly window). El receptor reconoce por cada byte extraído

59 Control de la congestión en TCP: Problemas (a) Red rápida, receptor de baja capacidad (b) Red lenta, receptor de gran capacidad

60 Control de la congestión en TCP (2) Para lograr la solución de Internet hay que aceptar que existen dos problemas Capacidad de la red Capacidad del receptor La solución consiste en mantener dos ventanas, la de congestión para la red y la del receptor El número de bytes a transmitir es el mínimo de las dos ventanas

61 Control de la congestión en TCP (3)

62 Control de la congestión en TCP (4) El algoritmo del arranque suave Es exponencial Si inicia la ventana de congestión con el tamaño máximo de segmento en la conexión y el umbral en 64KBytes Transmite duplicando el número de segmentos de la ventana de congestión hasta que no se recibe un ACK El umbral se hace la mitad de la ventana de congestión y se reinicia el proceso. Al alcanzar el umbral se sigue con un crecimiento lineal

63 Temporizadores en TCP Hay varios temporizadores en TCP: Temporizador de retransmisión Temporizador de persistencia Temporizador de keepalive Temporizador de estado Timed Wait

64 Administración de temporizadores en TCP Densidad de probabilidad del tiempo de arribo de ACK en: a) Capa de enlace de datos b) TCP

65 Administración de temporizadores en TCP (2) La varianza es muy grande Si el tiempo de retransmisión se hace muy corto (T1), ocurrirán retransmisiones innecesarias Si se hace muy largo (T2) sufre la eficiencia debido al gran retardo de retransmisión Solución: El algoritmo de Jacobson RTT = αrtt + ( 1 α) M a: es el peso, típicamente 7/8 RTT: es el tiempo de viaje redondo M: el tiempo que toma el ACK D: es el promedio de la desviación D = αd + ( 1 α) RTT Timeout = RTT + 4* D M

66 TCP transaccional (a) RPC usando TCP normal (9 pasos) (b) RPC usando T/TCP

67 Problemas en redes inalámbricas con TCP TCP asume que si no hay una respuesta a tiempo (ACK) se debe a congestión En las redes inalámbricas el problema se debe a pérdida de paquetes por ruido TCP decide limitar la velocidad al haber congestión en la red En las redes inalámbricas lo que hay que hacer es reintentar la transmisión y no disminuir la velocidad

68 Problemas en redes inalámbricas con TCP (2) Soluciones: a) Dividir la conexión TCP en dos partes o TCP indirecto b) hacer que el punto de acceso sea más listo y monitoree la conexión y repita las transmisiones o solicite retransmisiones

69 Problemas de rendimiento en redes de computadoras Cuando cientos de computadoras están interconectadas en red son comunes las interacciones complejas, con resultados impredecibles Entender el rendimiento de la red es más un arte que una ciencia Los problemas no se dan únicamente en la capa de transporte

70 Problemas de rendimiento en redes de computadoras (2) Congestión: causada por sobrecarga temporal de los recursos de red Desbalance estructural de recursos: Un equipo lento conectado a una red rápida Sobrecarga sincrónica: tormentas de broadcast en UDP como respuesta a segmentos errados tipo broadcast o después de un apagón Falta de un afinamiento: aun en presencia de suficientes recursos, una mala asignación de éstos puede ocasionar mal rendimiento

71 Producto retardo-ancho de banda Es la capacidad ida y vuelta del conducto entre emisor y receptor En una línea de 1GBps con una ráfaga 0.5Mbits en segmentos de 64kbps y con un retardo de viaje de 40ms la eficiencia es de 1.25%

72 Protocolos para redes Gigabit Tiempo para transferir y reconocer un archivo de 1Mbit sobre una línea de 4000km

73 Medida del rendimiento de redes: Pasos Mida los parámetros relevantes de la red y el rendimiento Trate de entender lo que está ocurriendo Cambie un parámetro Repita los tres pasos anteriores hasta que el rendimiento sea satisfactorio o hasta que sea evidente que la mejora alcanzada no pueda superarse

74 Tome en cuenta al medir Que la muestra sea lo suficientemente grande: no mida para uno mida para 1 millón y promedie Que las muestras sean representativas: Mida a varias horas del día y la semana Tenga cuidado con relojes con base de tiempos grande: Mida 1 millón de veces y promedie Asegúrese de que no ocurre nada inesperado durante la prueba Asegúrese de no medir la caché: sobrecárguela

75 Diseño del sistema para más rendimiento: Reglas La velocidad del CPU es más importante que la velocidad de la red Reduzca el número de paquetes para reducir el trabajo extra Ud. puede comprar más ancho de banda; pero no un retardo menor Evitar la congestión es mejor que recuperarse de ella

76 Referencias Tanenbaum, Andrew S.. Redes de Computadoras 3ª Ed. Pearson, México, 1997