Pràctica 3. Implementació de Protocols de Transport. Fragmentació de Segments. Laboratori d Aplicacions i Serveis Telemàtics

Transcripción

1 Pràctica 3. Implementació de Protocols de Transport. Fragmentació de Segments. Laboratori d Aplicacions i Serveis Telemàtics Josep Cotrina, Marcel Fernandez, Jordi Forga, Juan Luis Gorricho, Francesc Oller 1. Introducció Continuarem amb el sistema introduït a la pràctica anterior. Com es va veure és un sistema dividit en 3 capes o nivells: nivell de xarxa, nivell de transport i nivell d aplicació. En aquesta pràctica, ens centrarem principalment en els següents aspectes: A l extrem emissor en la fragmentació de les dades d aplicació en diferents segments. A l extrem receptor en l entrega de dades al nivell d aplicació des del nivell de transport. En el nivell de xarxa, implementarem un canal mitjançant mecanismes de monitors. A més a més, hi afegirem la possibilitat de que una fracció dels paquets enviats es perdin i la restricció a una mida màxima de paquet. Començarem pel nivell de transport. 2. Nivell de Transport. Transmissió de segments. Paradoxalment, la primera cosa que farem serà començar dissenyant un protocol que perd segments en cas que aquests arribin massa ràpid al receptor. Volem a més a més, fer una presentació el més didàctica possible, per això en l esquema que es presenta la comunicació és simplex, on només l emissor, que anomenarem Sender, envia dades d aplicació al receptor, que anomenarem Receiver. Com ja s ha vist en la pràctica anterior, el protocol de comunicació s implementarà mitjançant les classes TSocketSend and TSocketRecv, però ara aquestes dues classes hereten de la classe TSocketBase: p u b l i c c l a s s TSocketBase { p u b l i c s t a t i c Log l o g = LogFactory. getlog ( TSocketBase. c l a s s ) ; p r o t e c t e d Lock l k ; p r o t e c t e d C o n d i t i o n appcv ; p r o t e c t e d Channel c h a n n e l ; p r o t e c t e d TSocketBase ( Channel ch ) { l k = new R e e n t r a n t L o c k ( ) ; appcv = l k. newcondition ( ) ; c h a n n e l = ch ; 1

2 2.1. L extrem emissor, TSocketSend. Està clar que ens hem de fixar en la mida màxima dels segments. Acotar superiorment la mida màxima dels segments millora l eficiència perque evita fragmentació de paquets en nivells inferiors en la torre de protocols. En aquesta part de la pràctica afegirem un nou mètode a l interfície Channel. El mètode int getmms() retorna la mida màxima del camp de dades dels paquets de nivell de xarxa, perque no hi hagi fragmentació. La realització d aquesta classe es farà en el següent apartat. p u b l i c i n t e r f a c e Channel { p u b l i c i n t getmms ( ) ; p u b l i c v oid send ( TCPSegment seg ) ; p u b l i c TCPSegment r e c e i v e ( ) ; El protocol en l extrem emissor disposa del mètode: void senddata(byte[] data, int offset, int length) com ja s ha vist en la Pràctica 2. Per evitar fragmentació en nivells inferiors, ara s agafarà una seqüència de bytes provinents de les dades de l aplicació i es posaran els bytes en un o més TCPSegments de mida màxima sndmss i s enviaran el o els segments pel nivell de xarxa Exercicis Acabar d implementar la classe TSocketSend. Inicialment poseu un valor petit a l atribut sndmss. Fer un test amb les classes de la Pràctica 2 i veure que no hi ha errors. p u b l i c c l a s s TSocketSend e x t e n d s TSocketBase { p r o t e c t e d i n t sndmss ; / / Send maximum segment s i z e p u b l i c TSocketSend ( Channel ch ) { s u p e r ( ch ) ; sndmss = / / IP maximum message s i z e TCP h e a d e r s i z e / / P r o v a r p r i m e r amb un v a l o r p e t i t p u b l i c v oid senddata ( b y t e [ ] data, i n t o f f s e t, i n t l e n g t h ) { / / Amb l a j u d a d e l mètode s e g m e n t i z e, / / d i v i d i r l a s e q ü è n c i a de b y t e s de d a t a / / en segments de mida màxima sndmss / / i e n v i a r l o s p e l c a n a l p r o t e c t e d TCPSegment s e g m e n t i z e ( b y t e [ ] data, i n t o f f s e t, i n t l e n g t h ) { / / Crea un segment que en e l seu p a y l o a d ( camp ) de dades / / c o n t é l e n g t h b y t e s que h i ha a d a t a a p a r t i r / / de l a p o s i c i ó o f f s e t. p r o t e c t e d void sendsegment ( TCPSegment segment ) { 2

3 c h a n n e l. send ( segment ) ; Fer un test amb les classes de la Pràctica 2 i veure que no hi ha errors L extrem receptor, TSocketRecv. La classe que implementa el protocol de transport en l extrem receptor l anomenem TSocketRecv. A diferència de la pràctica anterior, la classe TSocketRecv conté un objecte de tipus Thread que executa la següent tasca: c l a s s R e c e i v e r T a s k implements Runnable { p u b l i c v oid run ( ) { w h i l e ( t r u e ) { TCPSegment r s e g = c h a n n e l. r e c e i v e ( ) ; p r o c e s s R e c e i v e d S e g m e n t ( r s e g ) ; Les accions de la tasca són autoexplicatives, agafa un segment del nivell de xarxa i el passa al mètode void processreceivedsegment(tcpsegment rseg). En l extrem receptor, a part del thread que executa aquesta tasca hi ha el thread Receiver que és qui invoca el mètode int receivedata(byte[] buf, int offset, int length). L intercanvi de dades entre aquests dos threads es fa a traves d una cua CircularQueue de TCPSegments que anomenarem rcvqueue. La sincronització entre threads per accedir a aquesta cua es realitza mitjançant mecanismes de monitors amb els objectes definits a la classe TSocketBase que hem presentat més amunt. En concret, mentre rcvqueue sigui buida, el fil que invoca receivedata s haurà d esperar. Aquest fil podrà continuar en el moment que un segment rebut del canal sigui introduït a rcvqueue. En processreceivedsegment(tcpsegment rseg) posarem el segment rebut a la cua rcvqueue, però si la cua rcvqueue està plena aquest segment s ha de descartar. Aquesta classe disposa d un únic mètode public: int receivedata(byte[] buf, int offset, int length). Aquest mètode que és invocat pel fil de l aplicació, agafa dades del payload dels segments rebuts que hi ha a rcvqueue i omple l array buf, a partir de la posició offset, amb length bytes. Com que la quantitat de bytes demanada per l aplicació no ha de coincidir amb el número de bytes continguts en un o més segments, es proporciona el mètode: int consumesegment(byte[] buf, int offset, int length) per ajudar a extreure bytes d un segment. Observeu que l atribut rcvsegconsumedbytes indica la quantitat de bytes que s han consumit del primer segment que hi ha a la cua rcvqueue Exercicis Es demana: 1. Entendre què fa el mètode int consumesegment(byte[] buf, int offset, int length). 3

4 2. Implementar el mètode void processreceivedsegment(tcpsegment rseg). Si la cua rcvqueue no està plena, aquest mètode hi posa el segment rebut. Si està plena descarta el segment rebut. Per què? 3. Implementar el mètode int receivedata(byte[] buf, int offset, int length). Aquest mètode consumeix un màxim de length bytes de dades dels segments que hi ha a rcvqueue i els posa a l array buf a partir de la posició offset. Per això s ajuda del mètode consumesegment. El valor que retorna és el número de bytes que realment ha posat a buf, que pot ser menor que length. Per què? 4. Fer un test amb les classes de la Pràctica 2 i veure que no hi ha errors. p u b l i c c l a s s TSocketRecv e x t e n d s TSocketBase { p r o t e c t e d Thread t h r e a d ; p r o t e c t e d C i r c u l a r Q u e u e <TCPSegment > rcvqueue ; p r o t e c t e d i n t rcvsegconsumedbytes ; / / i n v a r i a n t : rcvqueue. empty ( ) rcvqueue. p e e k F i r s t ( ). g e t D a t a L e n g t h ( ) > rcvsegconsumedbytes p u b l i c TSocketRecv ( Channel ch ) { s u p e r ( ch ) ; rcvqueue = new C i r c u l a r Q u e u e <TCPSegment > ( 2 0 ) ; rcvsegconsumedbytes = 0 ; t h r e a d = new Thread ( new R e c e i v e r T a s k ( ) ) ; t h r e a d. s t a r t ( ) ; / P l a c e s r e c e i v e d d a t a i n buf Veure d e s c r i p c i ó d e t a l l a d a en E x e r c i c i 3!! / p u b l i c i n t r e c e i v e D a t a ( b y t e [ ] buf, i n t o f f s e t, i n t l e n g t h ) { l k. l o c k ( ) ; t r y { / / w a i t u n t i l r e c e i v e queue i s n o t empty / / f i l l buf with b y t e s from segments i n rcvqueue / / Hint : use consumesegment! f i n a l l y { l k. u n l o c k ( ) ; p r o t e c t e d i n t consumesegment ( b y t e [ ] buf, i n t o f f s e t, i n t l e n g t h ) { TCPSegment seg = rcvqueue. p e e k F i r s t ( ) ; / / g e t d a t a from seg and copy t o r e c e i v e D a t a s b u f f e r i n t n = seg. g e t D a t a L e n g t h ( ) rcvsegconsumedbytes ; i f ( n > l e n g t h ) { / / r e c e i v e D a t a s b u f f e r i s s m a l l. Consume a f r a g m e n t of t h e r e c e i v e d segment n = l e n g t h ; / / n == min ( l e n g t h, seg. g e t D a t a L e n g t h ( ) rcvsegconsumedbytes ) System. a r r a y c o p y ( seg. g e t D a t a ( ), seg. g e t D a t a O f f s e t ( ) + rcvsegconsumedbytes, buf, o f f s e t, n ) ; rcvsegconsumedbytes += n ; i f ( rcvsegconsumedbytes == seg. g e t D a t a L e n g t h ( ) ) { / / seg i s t o t a l l y consumed. Remove from rcvqueue rcvqueue. g e t ( ) ; rcvsegconsumedbytes = 0 ; 4

5 r e t u r n n ; / TCPSegment a r r i v a r s e g segment of r e c e i v e d p a c k e t / p r o t e c t e d void p r o c e s s R e c e i v e d S e g m e n t ( TCPSegment r s e g ) { l k. l o c k ( ) ; t r y { f i n a l l y { l k. u n l o c k ( ) ; c l a s s R e c e i v e r T a s k implements Runnable { p u b l i c v oid run ( ) { w h i l e ( t r u e ) { TCPSegment r s e g = c h a n n e l. r e c e i v e ( ) ; p r o c e s s R e c e i v e d S e g m e n t ( r s e g ) ; 3. Nivell de xarxa. Model d un canal de comunicacions. El nivell de xarxa és l encarregat d encaminar paquets en una xarxa de comunicacions. Com que el nostre objectiu és dissenyar un nivell de transport, per nosaltres el nivell de xarxa serà una caixa negra que disposarà de dos mètodes send(tcpsegment seg) i TCPSegment receive(), per enviar i rebre segments respectivament Modelat d un nivell de xarxa ideal. Per començar farem una implementació d un model de xarxa ideal. Per ideal entenem que no introdueix errors, no perd segments, ni els reordena. Resulta que un mecanisme útil per implementar aquest model són els monitors. El model a desenvolupar serà una classe MonitorChannel, que implementa l interfície channel i per tant disposa dels mètodes send(tcpsegment seg) i TCPSegment receive(). El mètode send(tcpsegment seg) haurà de ser bloquejant si en el moment d enviar un TCPSegment el canal està al seu nivell màxim d ocupació. El mètode TCPSegment receive() haurà de ser bloquejant mentre no hi hagi segments en l extrem receptor del canal Exercicis Implementeu la següent classe MonitorChannel, mitjançant els mecanismes de monitor que heu vist a classe de teoria. Tant amb monitors generals com amb monitors natius. p u b l i c c l a s s MonitorChannel { p u b l i c MonitorChannel ( ) { p u b l i c v oid send ( TCPSegment seg ) { 5

6 p u b l i c TCPSegment r e c e i v e ( ) { Afegir el següent codi a la classe MonitorChannel p u b l i c s t a t i c f i n a l i n t MAX_MSG_SIZE = 1480; / / Link MTU IP h e a d e r p u b l i c i n t getmms ( ) { r e t u r n MAX_MSG_SIZE ; 3.2. Modelat d un nivell de xarxa amb pèrdues. Ara passarem a implementar el model d un canal una mica més real, introduint el concepte de pèrdua de segments Exercicis Per això afegirem el següent constructor a la classe MonitorChannel que acabeu de fer: p u b l i c MonitorChannel ( d o u b l e l o s s R a t i o ) { El paràmetre lossratio representa la fracció de segments que perd el canal. Una manera de realitzar aquest canal amb pèrdues és modificant el mètode send(tcpsegment seg) de la següent manera. Es genera un nombre aleatòri entre 0 i 1. Si aquest nombre és menor que la fracció de segments que perd el canal llavors el mètode retorna, o sinó el segment es transmet. 4. Nivell d aplicació El nivell d aplicació es dóna tot implementat Exercicis 1. Entendre què fan els mètodes run() de les classes Sender i Receiver. 2. Entendre quants threads intervenen i com es sincronitzen entre ells i en els diferents nivells. 3. Executar l aplicació. Canviar els valors dels atributs sendnum, sendsize, sendinterval i recvbuf, recvinterval per tal que es perdin dades. p u b l i c c l a s s Main { p u b l i c s t a t i c v oid main ( S t r i n g [ ] a r g s ) { Channel c = new MonitorChannel ( ) ; new Thread ( new Sender ( c ) ). s t a r t ( ) ; new Thread ( new R e c e i v e r ( c ) ). s t a r t ( ) ; 6

7 c l a s s Sender implements Runnable { p u b l i c s t a t i c Log l o g = LogFactory. getlog ( Sender. c l a s s ) ; p r o t e c t e d TSocketSend o u t p u t ; p r o t e c t e d i n t sendnum, sendsize, s e n d I n t e r v a l ; p u b l i c Sender ( Channel c, i n t sendnum, i n t sendsize, i n t s e n d I n t e r v a l ) { t h i s. o u t p u t = new TSocketSend ( c ) ; t h i s. sendnum = sendnum ; t h i s. s e n d S i z e = s e n d S i z e ; t h i s. s e n d I n t e r v a l = s e n d I n t e r v a l ; p u b l i c Sender ( Channel c ) { t h i s ( c, 20, 50, 100) ; p u b l i c v oid run ( ) { t r y { b y t e n = 0 ; b y t e [ ] buf = new b y t e [ s e n d S i z e ] ; f o r ( i n t i = 0 ; i < sendnum ; i ++) { Thread. s l e e p ( s e n d I n t e r v a l 10) ; / / stamp d a t a t o send f o r ( i n t j = 0 ; j < s e n d S i z e ; j ++) { buf [ j ] = n ; n = ( b y t e ) ( n + 1) ; o u t p u t. senddata ( buf, 0, buf. l e n g t h ) ; l o g. i n f o ( " Sender : t r a n s m i s s i o n f i n i s h e d " ) ; c a t c h ( E x c e p t i o n e ) { l o g. e r r o r ( " Excepcio a Sender : %s ", e ) ; e. p r i n t S t a c k T r a c e ( System. e r r ) ; c l a s s R e c e i v e r implements Runnable { p u b l i c s t a t i c Log l o g = LogFactory. getlog ( R e c e i v e r. c l a s s ) ; p r o t e c t e d TSocketRecv i n p u t ; p r o t e c t e d i n t recvbuf, r e c v I n t e r v a l ; p u b l i c R e c e i v e r ( Channel c, i n t recvbuf, i n t r e c v I n t e r v a l ) { t h i s. i n p u t = new TSocketRecv ( c ) ; t h i s. recvbuf = recvbuf ; t h i s. r e c v I n t e r v a l = r e c v I n t e r v a l ; p u b l i c R e c e i v e r ( Channel c ) { t h i s ( c, 25, 10) ; p u b l i c v oid run ( ) { t r y { b y t e n = 0 ; b y t e [ ] buf = new b y t e [ recvbuf ] ; w h i l e ( t r u e ) { 7

8 i n t r = i n p u t. r e c e i v e D a t a ( buf, 0, buf. l e n g t h ) ; / / check r e c e i v e d d a t a stamps f o r ( i n t j = 0 ; j < r ; j ++) { i f ( buf [ j ]!= n ) { throw new E x c e p t i o n ( " R e c e i v e r T a s k : Received d a t a i s c o r r u p t e d " ) ; n = ( b y t e ) ( n + 1) ; l o g. i n f o ( " R e c e i v e r : r e c e i v e d %d b y t e s ", r ) ; Thread. s l e e p ( r e c v I n t e r v a l ) ; c a t c h ( E x c e p t i o n e ) { l o g. e r r o r ( " Excepcio a R e c e i v e r : %s ", e ) ; e. p r i n t S t a c k T r a c e ( System. e r r ) ; 8