Chương 3. Giao thức tầng giao vận (transport layer)

Chương 3. Giao thức tầng giao vận (transport layer) Trần Quang Hải Bằng Faculty of Information Technology University of Communication and Transport (Unit 2) Office location: Administration building, Block D3, Room 6 Office phone: 38962018 Cell phone: N/A Email: tqhbang@utc2.edu.vn Chương 3. Giao thức tầng giao vận (transport layer) 206/02- 24/03/2012 Chương 3. Giao thức tầng giao vận (transport layer) 306/02- 24/03/2012 Ch3. The Transport Layer 1. Transport Layer Services & Principles. 2. Multiplexing/Demultiplexing. 3. Connectionless Transport (UDP). 4. Principles of Reliable Data Transfer (RDT). 5. Connection-oriented Transport (TCP). 6. Congestion Control. 7. Sử dụng TCP hay UDP Chương 3. Giao thức tầng giao vận (transport layer) 406/02- 24/03/2012 Transport Layer Services & Principles
Cung cấp phương tiện truyền thông logic (logical communication) giữa các applications.
PDUs  application: messages.  transport: segments (đoạn).
Các msg từ tầng application gửi xuống được chia nhỏ thành các đoạn (segments).
Transport protocol được thực thi tại các trạm cuối (end system). application transport network data link physical application transport network data link physical network data link physical network data link physical network data link physical network data link physicalnetwork data link physical logical end-end transport Chương 3. Giao thức tầng giao vận (transport layer) 506/02- 24/03/2012 Transport & Network layers
Network layer:  Truyền thông logic giữa các trạm làm việc (host).  PDUs = packets (gói).  IP (Internet Protocol) là giao thức truyền không tin cậy.
Transport layer:  Tạo phương thức truyền thông logic giữa các ứng dụng (application/process).  Nhận các gói tin từ tầng Network gửi lên. Household analogy: 12 kids sending letters to 12 kids
processes = kids
app messages = letters in envelopes
hosts = houses
transport protocol = Ann and Bill
network-layer protocol = postal service Chương 3. Giao thức tầng giao vận (transport layer) 606/02- 24/03/2012 Transport Protocols
TCP (Transmission Control Protocol) Connection-oriented (có liên kết). Flow control (điều khiển luồng). Congestion control (điều khiển chống nghẽn mạng).  reliable transport protocol (tin cậy)
UDP (User Datagram Protocol) Connectionless. Không có kiểm soát luồng và kiểm soát nghẽn mạng.  unreliable transport protocol. Chương 3. Giao thức tầng giao vận (transport layer) 706/02- 24/03/2012 Ch3. The Transport Layer 1. Transport Layer Services & Principles. 2. Multiplexing/Demultiplexing. 3. Connectionless Transport (UDP). 4. Principles of Reliable Data Transfer (RDT). 5. Connection-oriented Transport (TCP). 6. Congestion Control. 7. Sử dụng TCP hay UDP Chương 3. Giao thức tầng giao vận (transport layer) 806/02- 24/03/2012 Multiplexing/demultiplexing (mux/demux)
Multiplexing (dồn kênh): Các msgs từ các apps (P1, P2) được chia nhỏ và đóng gói thành các segments (thêm header)  dồn kênh diễn ra ở sending hosts
Demultiplexing (phân kênh): Các segments nhận được được gửi tới apps tương ứng (P3, P4)  phân kênh diễn ra ở receiving hosts application transport network M P2 application transport network receiver Ht Hn segment segment M application transport network P1 M M M P3 P4 segment header application-layer data sender sender Chương 3. Giao thức tầng giao vận (transport layer) 906/02- 24/03/2012 Dồn và chia kênh thế nào?
source port number: ứng dụng gửi dữ liệu.
destination port number: ứng dụng nhận dữ liệu.
Port number: 0-1023: well-known port number (đã được giữ cho các apps phổ biến). 1024 – 65535. source port # dest port # 32 bits application data (message) other header fields TCP/UDP segment format Chương 3. Giao thức tầng giao vận (transport layer) 1006/02- 24/03/2012 Mux/demux: Ví dụ host A server B source port: x dest. port: 23 source port:23 dest. port: x port use: simple telnet app Web client host A Web server B Web client host C Source IP: C Dest IP: B source port: x dest. port: 80 Source IP: C Dest IP: B source port: y dest. port: 80 port use: Web server Source IP: A Dest IP: B source port: x dest. port: 80 Chương 3. Giao thức tầng giao vận (transport layer) 1106/02- 24/03/2012 Ch3. The Transport Layer 1. Transport Layer Services & Principles. 2. Multiplexing/Demultiplexing. 3. Connectionless Transport (UDP). 4. Principles of Reliable Data Transfer (RDT). 5. Connection-oriented Transport (TCP). 6. Congestion Control. 7. Sử dụng TCP hay UDP Chương 3. Giao thức tầng giao vận (transport layer) 1206/02- 24/03/2012 Connectionless Transport (UDP).
User Datagram Protocol [RFC 768]
“no frill”, “bare bones” Internet transport protocol.  chỉ cần những thủ tục cơ bản nhất.  thông tin điều khiển cũng chỉ cần cơ bản nhất.
“best effort” service: dữ liệu có thể mất mát, sai sót nhưng luôn “cố gắng hết sức” để giảm thiểu.
Connectionless:  Không có cơ chế bắt tay (handshaking): thiết lập truyền dữ liệu kết thúc.  Không nắm giữ trạng thái.  Các segments được xử lý độc lập với nhau. Chương 3. Giao thức tầng giao vận (transport layer) 1306/02- 24/03/2012 UDP: Segment structure
source port.
dest port.
length.
application data.
checksum: mã kiểm tra lỗi (phục vụ cho cơ chế nhận biết lỗi – error detection) source port # dest port # 32 bits Application data (message) UDP segment format length checksum Length, in bytes of UDP segment, including header Chương 3. Giao thức tầng giao vận (transport layer) 1406/02- 24/03/2012 UDP segment - example Receiver’s MAC address Sender’s MAC address Type of upper layer’s protocol ( 0x0800 = IP ) Chương 3. Giao thức tầng giao vận (transport layer) 1506/02- 24/03/2012 UDP segment – example (cnt.) IP’s Header Chương 3. Giao thức tầng giao vận (transport layer) 1606/02- 24/03/2012 UDP segment – example (cnt.) UDP’s header Chương 3. Giao thức tầng giao vận (transport layer) 1706/02- 24/03/2012 UDP segment – example (cnt.) Data of applicaton layer Chương 3. Giao thức tầng giao vận (transport layer) 1806/02- 24/03/2012 UDP checksum
Mã kiểm tra phục vụ cho cơ chế nhận biết lỗi.
Sender: Coi segment như chuỗi các số nguyên 16-bit. checksum = số bù một (1’s complement) của tổng các số nguyên đó.
Receiver: Tính toán checksum của segment nhận được. So sánh với checksum chứa trong trường checksum của segment nhận được nếu sai khác tức là có lỗi. Chương 3. Giao thức tầng giao vận (transport layer) 1906/02- 24/03/2012 UDP checksum: example
Phép cộng các số 16-bit liên tiếp là phép cộng có nhớ.
Kiểm tra checksum: Lấy tổng các số 16-bit (có nhớ) cộng với checksum: Kết quả là 1111 1111 1111 1111 thì không có lỗi, nếu khác là có lỗi. 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 1 1 0 1 1 1 0 1 1 1 0 1 1 1 0 1 1 1 1 0 1 1 1 0 1 1 1 0 1 1 1 1 0 0 1 0 1 0 0 0 1 0 0 0 1 0 0 0 0 1 1 wraparound sum checksum (bù 1) Chương 3. Giao thức tầng giao vận (transport layer) 2006/02- 24/03/2012 Ch3. The Transport Layer 1. Transport Layer Services & Principles. 2. Multiplexing/Demultiplexing. 3. Connectionless Transport (UDP). 4. Principles of Reliable Data Transfer (RDT). 5. Connection-oriented Transport (TCP). 6. Congestion Control. 7. Sử dụng TCP hay UDP Chương 3. Giao thức tầng giao vận (transport layer) 2106/02- 24/03/2012 Principles of Reliable Data Transfer (RDT)
Truyền dữ liệu tin cậy là vấn đề vô cùng quan trọng (top 10 list of important networking topics).
Cần thiết đối với app, transport, datalink layer. Chương 3. Giao thức tầng giao vận (transport layer) 2206/02- 24/03/2012 RDT send side receive side rdt_send(): called from above, (e.g., by app.). Passed data to deliver to receiver upper layer udt_send(): called by rdt, to transfer packet over unreliable channel to receiver rdt_rcv(): called when packet arrives on rcv-side of channel deliver_data(): called by rdt to deliver data to upper Chương 3. Giao thức tầng giao vận (transport layer) 2306/02- 24/03/2012 Finite State Machine (FSM) state 1 state 2 event causing state transition actions taken on state transition state: when in this “state” next state uniquely determined by next event event actions Chương 3. Giao thức tầng giao vận (transport layer) 2406/02- 24/03/2012 RDT1.0: reliable data transfer over reliable channel
Tầng dưới: Không có lỗi. Không mất mát dữ liệu (gói tin).
Sender gửi dữ liệu xuống tầng dưới.
Receiver nhận dữ liệu gửi từ tầng dưới lên. Wait for call from above packet = make_pkt(data) udt_send(packet) rdt_send(data) extract (packet,data) deliver_data(data) Wait for call from below rdt_rcv(packet) sender receiver Chương 3. Giao thức tầng giao vận (transport layer) 2506/02- 24/03/2012 RDT2.0: channel with bit errors
Tầng dưới có thể có lỗi bit (0  1)  UDP checksum có khả năng phát hiện lỗi bit.
Khắc phục lỗi (error recover) thế nào?  acknowledgements (ACKs): receiver thông báo đã nhận gói dữ liệu tốt (không có lỗi).  negative acknowledgements (NAKs): receiver thông báo gói dữ liệu nhận được có lỗi.  Nếu nhận được NAK, sender cần gửi lại gói tin bị lỗi.  human scenarios using ACKs, NAKs? (telephone talking!)
rdt2.0 so với rdt1.0:  error detection  receiver feedback: control msgs (ACK,NAK) rcvr->sender. Chương 3. Giao thức tầng giao vận (transport layer) 2606/02- 24/03/2012 RDT2.0: FSM specification Wait for call from above snkpkt = make_pkt(data, checksum) udt_send(sndpkt) extract(rcvpkt,data) deliver_data(data) udt_send(ACK) rdt_rcv(rcvpkt) && notcorrupt(rcvpkt) rdt_rcv(rcvpkt) && isACK(rcvpkt) udt_send(sndpkt) rdt_rcv(rcvpkt) && isNAK(rcvpkt) udt_send(NAK) rdt_rcv(rcvpkt) && corrupt(rcvpkt) Wait for ACK or NAK Wait for call from belowsender receiver rdt_send(data) Λ Chương 3. Giao thức tầng giao vận (transport layer) 2706/02- 24/03/2012 RDT2.0: operation with no errors Wait for call from above snkpkt = make_pkt(data, checksum) udt_send(sndpkt) extract(rcvpkt,data) deliver_data(data) udt_send(ACK) rdt_rcv(rcvpkt) && notcorrupt(rcvpkt) rdt_rcv(rcvpkt) && isACK(rcvpkt) udt_send(sndpkt) rdt_rcv(rcvpkt) && isNAK(rcvpkt) udt_send(NAK) rdt_rcv(rcvpkt) && corrupt(rcvpkt) Wait for ACK or NAK Wait for call from below rdt_send(data) Λ Chương 3. Giao thức tầng giao vận (transport layer) 2806/02- 24/03/2012 RDT2.0: error scenario Wait for call from above snkpkt = make_pkt(data, checksum) udt_send(sndpkt) extract(rcvpkt,data) deliver_data(data) udt_send(ACK) rdt_rcv(rcvpkt) && notcorrupt(rcvpkt) rdt_rcv(rcvpkt) && isACK(rcvpkt) udt_send(sndpkt) rdt_rcv(rcvpkt) && isNAK(rcvpkt) udt_send(NAK) rdt_rcv(rcvpkt) && corrupt(rcvpkt) Wait for ACK or NAK Wait for call from below rdt_send(data) Λ Chương 3. Giao thức tầng giao vận (transport layer) 2906/02- 24/03/2012 RDT2.0: problems
Nếu ACK, NAK bị lỗi?  Sender không biết kết quả gửi gói tin thế nào.  Cũng chẳng thể gửi lại gói tin vì có thể gây hiện tượng lặp gói tin.
Giải pháp:  Sender truyền lại nếu như ACK/NAK bị lỗi.  Kiểm soát lặp gói tin (duplicate handling)
Thêm vào gói tin trường số thứ tự (sequence number).  Căn cứ vào số thứ tự gói tin, receiver bỏ qua những gói tin bị lặp.  Sender sẽ không gửi gói tin tiếp theo nếu như chưa chắc chắn receiver nhận được gói trước đó (stop and wait protocol). Chương 3. Giao thức tầng giao vận (transport layer) 3006/02- 24/03/2012 RDT2.1: sender, handles garbled ACK/NAKs Wait for call 0 from above sndpkt = make_pkt(0, data, checksum) udt_send(sndpkt) rdt_send(data) Wait for ACK or NAK 0 udt_send(sndpkt) rdt_rcv(rcvpkt) && ( corrupt(rcvpkt) || isNAK(rcvpkt) ) sndpkt = make_pkt(1, data, checksum) udt_send(sndpkt) rdt_send(data) rdt_rcv(rcvpkt) && notcorrupt(rcvpkt) && isACK(rcvpkt) udt_send(sndpkt) rdt_rcv(rcvpkt) && ( corrupt(rcvpkt) || isNAK(rcvpkt) ) rdt_rcv(rcvpkt) && notcorrupt(rcvpkt) && isACK(rcvpkt) Wait for call 1 from above Wait for ACK or NAK 1 Λ Λ Chương 3. Giao thức tầng giao vận (transport layer) 3106/02- 24/03/2012 RDT2.1: receiver, handles garbled ACK/NAKs Wait for 0 from below sndpkt = make_pkt(NAK, chksum) udt_send(sndpkt) rdt_rcv(rcvpkt) && not corrupt(rcvpkt) && has_seq0(rcvpkt) rdt_rcv(rcvpkt) && notcorrupt(rcvpkt) && has_seq1(rcvpkt) extract(rcvpkt,data) deliver_data(data) sndpkt = make_pkt(ACK, chksum) udt_send(sndpkt) Wait for 1 from below rdt_rcv(rcvpkt) && notcorrupt(rcvpkt) && has_seq0(rcvpkt) extract(rcvpkt,data) deliver_data(data) sndpkt = make_pkt(ACK, chksum) udt_send(sndpkt) rdt_rcv(rcvpkt) && (corrupt(rcvpkt) sndpkt = make_pkt(ACK, chksum) udt_send(sndpkt) rdt_rcv(rcvpkt) && not corrupt(rcvpkt) && has_seq1(rcvpkt) rdt_rcv(rcvpkt) && (corrupt(rcvpkt) sndpkt = make_pkt(ACK, chksum) udt_send(sndpkt) sndpkt = make_pkt(NAK, chksum) udt_send(sndpkt) Chương 3. Giao thức tầng giao vận (transport layer) 3206/02- 24/03/2012 RDT2.2: a NAK-free protocol Wait for call 0 from above sndpkt = make_pkt(0, data, checksum) udt_send(sndpkt) rdt_send(data) udt_send(sndpkt) rdt_rcv(rcvpkt) && ( corrupt(rcvpkt) || isACK(rcvpkt,1) ) rdt_rcv(rcvpkt) && notcorrupt(rcvpkt) && isACK(rcvpkt,0) Wait for ACK 0 sender FSM fragment Wait for 0 from below rdt_rcv(rcvpkt) && notcorrupt(rcvpkt) && has_seq1(rcvpkt) extract(rcvpkt,data) deliver_data(data) sndpkt = make_pkt(ACK1, chksum) udt_send(sndpkt) rdt_rcv(rcvpkt) && (corrupt(rcvpkt) || has_seq1(rcvpkt)) udt_send(sndpkt) receiver FSM fragment Λ Chương 3. Giao thức tầng giao vận (transport layer) 3306/02- 24/03/2012 RDT3.0: channels with errors and loss
Tầng dưới: Có thể có lỗi. Có thể gây mất mát gói tin.
Giải pháp: Sender truyền lại gói tin nếu như chờ ACK một thời gian nhất định nào đó mà không thấy (cần countdown timer). Nếu ACK hay gói tin chỉ bị chậm thôi?
truyền lại sẽ gây ra hiện tượng lặp gói tin.
cần sequence number. Chương 3. Giao thức tầng giao vận (transport layer) 3406/02- 24/03/2012 RDT3.0 sender sndpkt = make_pkt(0, data, checksum) udt_send(sndpkt) start_timer rdt_send(data) Wait for ACK0 rdt_rcv(rcvpkt) && ( corrupt(rcvpkt) || isACK(rcvpkt,1) ) Wait for call 1 from above sndpkt = make_pkt(1, data, checksum) udt_send(sndpkt) start_timer rdt_send(data) rdt_rcv(rcvpkt) && notcorrupt(rcvpkt) && isACK(rcvpkt,0) rdt_rcv(rcvpkt) && ( corrupt(rcvpkt) || isACK(rcvpkt,0) ) rdt_rcv(rcvpkt) && notcorrupt(rcvpkt) && isACK(rcvpkt,1) stop_timer stop_timer udt_send(sndpkt) start_timer timeout udt_send(sndpkt) start_timer timeout rdt_rcv(rcvpkt) Wait for call 0from above Wait for ACK1 Λ rdt_rcv(rcvpkt) Λ Λ Λ Chương 3. Giao thức tầng giao vận (transport layer) 3506/02- 24/03/2012 RDT3.0 in action Chương 3. Giao thức tầng giao vận (transport layer) 3606/02- 24/03/2012 RDT3.0 in action (cont) Chương 3. Giao thức tầng giao vận (transport layer) 3706/02- 24/03/2012 Hiệu suất của RDT3.0
Giả sử có đường truyền giữa 2 host với các thông số sau:  Bandwidth: 1 Gbps (109 bits per second)  Propagation delay: 15 ms  Size of packet: 1KB transmit = 8kb/pkt 109 b/sec = 8 microsec  U sender: utilization – fraction of time sender busy sending  1KB trong 30msec -> 33KB/sec effective throught put over 1 Gbps link  network protocol limits use of physical resources! U sender = .008 30.008 = 0.00027 microsec L / R RTT + L / R = L (packet length in bits) R (transmission rate, bps) =T Chương 3. Giao thức tầng giao vận (transport layer) 3806/02- 24/03/2012 RDT3.0 stop-and-wait operation first packet bit transmitted, t = 0 sender receiver RTT first packet bit arrives ACK arrives, send next packet, t = RTT + L / R U sender = .008 30.008 = 0.00027 microsec L / R RTT + L / R = last packet bit transmitted, t = L / R last packet bit arrives, send ACK Chương 3. Giao thức tầng giao vận (transport layer) 3906/02- 24/03/2012 Tăng hiệu suất đường truyền - Pipelined protocols Pipelining: Gửi liên tục nhiều packets rồi đợi ACK  Số thứ tự gói tin (sequence numbers) tăng đều và duy nhất  Sử dụng bộ nhớ đệm tại Sender và Receiver
Có 2 phương án xử lý khi gặp lỗi:  go-Back-N  Selective repeat Chương 3. Giao thức tầng giao vận (transport layer) 4006/02- 24/03/2012 Tăng hiệu suất đường truyền - Pipelined protocols first packet bit transmitted, t = 0 sender receiver RTT last bit transmitted, t = L / R first packet bit arrives last packet bit arrives, send ACK ACK arrives, send next packet, t = RTT + L / R last bit of 2nd packet arrives, send ACK last bit of 3rd packet arrives, send ACK U sender = .024 30.008 = 0.0008 microsecon 3 * L / R RTT + L / R = Increase utilization by a factor of 3! Chương 3. Giao thức tầng giao vận (transport layer) 4106/02- 24/03/2012 Go-Back-N Sender:
Sử dụng k-bit ở header để lưu sequence number
Cửa sổ trượt cho phép chứa N packets chưa được báo ACK.  Nếu nhận ACK(n): Mọi packet có số hiệu tới n-1 đã gửi thành công  Cần giám sát thời gian timeout cho mỗi packet đang gửi đi (in-flight packet)  timeout(n): Gửi lại packet n và các packet có seq # lớn hơn trong window Chương 3. Giao thức tầng giao vận (transport layer) 4206/02- 24/03/2012 GBN in action Chương 3. Giao thức tầng giao vận (transport layer) 4306/02- 24/03/2012 Wait start_timer udt_send(sndpkt[base]) udt_send(sndpkt[base+1]) / udt_send(sndpkt[nextseqnum-1]) timeout rdt_send(data) if (nextseqnum < base+N) { sndpkt[nextseqnum] = make_pkt(nextseqnum,data,chksum) udt_send(sndpkt[nextseqnum]) if (base == nextseqnum) start_timer nextseqnum++ } else refuse_data(data) base = getacknum(rcvpkt)+1 If (base == nextseqnum) stop_timer else start_timer rdt_rcv(rcvpkt) && notcorrupt(rcvpkt) base=1 nextseqnum=1 rdt_rcv(rcvpkt) && corrupt(rcvpkt) Λ GBN: sender extended FSM Chương 3. Giao thức tầng giao vận (transport layer) 4406/02- 24/03/2012 GBN: receiver extended FSM ACK-only: always send ACK for correctly-received pkt with highest in-order seq #  may generate duplicate ACKs  need only remember expectedseqnum
out-of-order pkt:  discard (don’t buffer) -> no receiver buffering!  Re-ACK pkt with highest in-order seq # Wait udt_send(sndpkt) default rdt_rcv(rcvpkt) && notcurrupt(rcvpkt) && hasseqnum(rcvpkt,expectedseqnum) extract(rcvpkt,data) deliver_data(data) sndpkt = make_pkt(expectedseqnum,ACK,chksum) udt_send(sndpkt) expectedseqnum++ expectedseqnum=1 sndpkt = make_pkt(expectedseqnum,ACK,chksum) Λ Chương 3. Giao thức tầng giao vận (transport layer) 4506/02- 24/03/2012 Selective Repeat (SR)
Receiver gửi ACK cho từng packet tới đích Lưu trữ packets vào buffers (nếu cần thiết) để chuyển lên layer phía trên
Sender gửi lại những packet không nhận được ACK sau khoảng timeout Cần cơ chế định thời timeout cho từng packet (chưa được ACK)
Sender window N consecutive seq #’s again limits seq #s of sent, unACKed pkts Chương 3. Giao thức tầng giao vận (transport layer) 4606/02- 24/03/2012 Selective repeat: sender, receiver windows Chương 3. Giao thức tầng giao vận (transport layer) 4706/02- 24/03/2012 data from above :  if next available seq # in window, send pkt timeout(n):  resend pkt n, restart timer ACK(n) in [sendbase,sendbase+N]:  mark pkt n as received  if n smallest unACKed pkt, advance window base to next unACKed seq # sender pkt n in [rcvbase, rcvbase+N-1]  send ACK(n)  out-of-order: buffer  in-order: deliver (also deliver buffered, in-order pkts), advance window to next not-yet-received pkt pkt n in [rcvb