Bài giảng Mạng máy tính - Chương 6: Tầng giao vận - Ngô Hồng Sơn

1Chương 6: Tầng giao vận Giảng viên: Ngô Hồng Sơn Bộ môn Truyền thông và Mạng máy tính Khoa CNTT- ðHBK Hà Nội 2Tổng quan
Các tuần trước : Giao thức IP
ðịa chỉ, gói tin IP
ICMP
Chọn ñường
Hôm nay: Tầng giao vận
Nguyên lý tầng giao vận
Giao thức UDP
Giao thức TCP 3Các khái niệm cơ bản Nhắc lại kiến trúc phân tầng Hướng liên kết vs. Không liên kết UDP & TCP 4Nhắc lại về kiến trúc phân tầng Application (HTTP, Mail, ) Transport (UDP, TCP ) Network (IP, ICMP) Datalink (Ethernet, ADSL) Physical (bits) Hỗ trợ các ứng dụng trên mạng Truyền dữ liệu giữa các ứng dụng Chọn ñường và chuyển tiếp gói tin giữa các máy, các mạng Hỗ trợ việc truyền thông cho các thành phần kế tiếp trên cùng 1 mạng Truyền và nhận dòng bit trên ñường truyền vật lý 5Tổng quan về tầng giao vận (1)
Cung cấp phương tiện truyền giữa các ứng dụng cuối
Bên gửi:
Nhận dữ liệu từ ứng dụng
ðặt dữ liệu vào các ñoạn tin và chuyển cho tầng mạng
Nếu dữ liệu quá lớn, nó sẽ ñược chia làm nhiều phần và ñặt vào nhiều ñoạn tin khác nhau
Bên nhận:
Nhận các ñoạn tin từ tầng mạng
Tập hợp dữ liệu và chuyển lên cho ứng dụng application transport network data link physical application transport network data link physical logical end -end transport 6Tổng quan về tầng giao vận (2)
ðược cài ñặt trên các hệ thống cuối
Không cài ñặt trên các routers, switches
Hai dạng dịch vụ giao vận
Tin cậy, hướng liên kết, e.g TCP
Không tin cậy, không liên kết, e.g. UDP application transport network data link physical network data link physical network data link physical network data link physical network data link physical network data link physical network data link physical application transport network data link physical logical end -end transport 7Tại sao lại cần 2 loại dịch vụ?
Các yêu cầu ñến từ tầng ứng dụng là ña dạng
Các ứng dụng cần dịch vụ với 100% ñộ tin cậy như mail, web
Sử dụng dịch vụ của TCP
Các ứng dụng cần chuyển dữ liệu nhanh, có khả năng chịu lỗi, e.g. VoIP, Video Streaming
Sử dụng dịch vụ của UDP 8Ứng dụng và dịch vụ giao vận Ứng dụng e-mail remote terminal access Web file transfer streaming multimedia Internet telephony Giao thức ứng dụng SMTP Telnet HTTP FTP giao thức riêng (e.g. RealNetworks) giao thức riêng (e.g., Vonage,Dialpad) Giao thức giao vận TCP TCP TCP TCP TCP or UDP thường là UDP 9Các chức năng chung Dồn kênh/phân kênh Mã kiểm soát lỗi 10 Dồn kênh/phân kênh - Mux/Demux Multiplexing Demultiplexing Giao thức tầng mạng HTTP FTP Chat HTTP FTP Chat Giao thức giao vận Giao thức ứng dụng 11 Mux/Demux hoạt ñộng ntn?
Tại tầng mạng, gói tin IP ñược ñịnh danh bởi ñịa chỉ IP
ðể xác ñịnh máy trạm
Làm thế nào ñể phân biệt các ứng dụng trên cùng một máy?
Sử dụng số hiệu cổng (16 bits)
Mỗi tiến trình ứng dụng ñược gán 1 cổng
Socket: Một cặp ñịa chỉ IP và số hiệu cổng source port # dest port # 32 bits application data (message) other header fields TCP/UDP segment format 12 Checksum
Phát hiện lỗi bit trong các ñoạn tin/gói tin
Nguyên lý giống như checksum (16 bits) của giao thức IP
Ví dụ: 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 Tổng Checksum 13 UDP User Datagram Protocol Tổng quan Khuôn dạng gói tin 14 Giao thức dạng “Best effort”
Vì sao cần UDP?
Không cần thiết lập liên kết (tăng ñộ trễ)
ðơn giản: Không cần lưu lại trạng thái liên kết ở bên gửi và bên nhận
Phần ñầu ñoạn tin nhỏ
Không có quản lý tắc nghẽn: UDP cứ gửi dữ liệu nhanh nhất, nhiều nhất nếu có thể
UDP có những chức năng cơ bản gì?
Dồn kênh/phân kênh
Phát hiện lỗi bit bằng checksum 15 Khuôn dạng bức tin (datagram) source port # dest port # 32 bits Application data (message) Khuôn dạng ñơn vị dữ liệu của UDP length checksum ðộ dài toàn bộ bức tin tính theo byte
UDP sử dụng ñơn vị dữ liệu gọi là – datagram (bức tin) 16 Các vấn ñề của UDP
Không có kiểm soát tắc nghẽn
Làm Internet bị quá tải
Không bảo ñảm ñược ñộ tin cậy
Các ứng dụng phải cài ñặt cơ chế tự kiểm soát ñộ tin cậy
Việc phát triển ứng dụng sẽ phức tạp hơn 17 Khái niệm về truyền thông tin cậy 18 Kênh có lỗi bit, không bị mất tin
Phát hiện lỗi?
Checksum
Làm thế nào ñể báo cho bên gửi?
ACK (acknowledgements):
NAK (negative acknowledgements): báo cho bên nhận rằng pkt bị lỗi
Phản ứng của bên gửi?
Truyền lại nếu là NAK 19 Hoạt ñộng Time Time Sender Receiver pkt0 pkt1 pkt1 N A K A C K send pkt0 pkt1 is corrupted rcv ACK send pkt1 rcv NAK resend pkt1 pkt1 is OK 20 Lỗi ACK/NAK
Cần truyền lại
Xử lý việc lặp gói tin ntn?
Thêm Seq.# Time Time Sender Receiver pkt0 pkt1 pkt1 A C K A C K send pkt0 pkt1 is OK rcv ACK send pkt1 rcv sth corrupted! resend pkt1 pkt0 is OK rcv pkt1 duplicate, discard it 21 Giải pháp không dùng NAK Time Time Sender Receiver pkt0 pkt1 pkt0 A C K 1 A C K 0 send pkt0 pkt1 is OK rcv ACK0 send pkt1 rcv ACK1 send pkt0 pkt0 is OK pkt0 is corrupted pkt0 A C K 1 rcv ACK1 resend pkt0 22 Kênh có lỗi bit và mất gói tin
Dữ liệu và ACK có thể bị mất
Nếu không nhận ñược ACK?
Truyền lại như thế nào?
Timeout!
Thời gian chờ là bao lâu?
Ít nhất là 1 RTT (Round Trip Time)
Mỗi gói tin gửi ñi cần 1 timer
Nếu gói tin vẫn ñến ñích và ACK bị mất?
Dùng số hiệu gói tin 23 Minh họa 24 Minh họa 25 Truyền theo kiểu pipeline Sender Receiver ACKs Data pkts Sender Receiver ACK 1 data pkt stop-and-wait Pipeline 26 So sánh hiệu quả 0 sender time RTT L / R A C K RTT + L / R Performance = L / R RTT + L / R time stop-and-wait L: Size of data pkt R: Link bandwidth RTT: Round trip time receiver DATA sender receiver RTT L / R RTT + L / R time time Performance = 3 * L / R RTT + L / R Pipeline DATA 27 Go-back-N Sender
Chỉ gửi các gói tin với số hiệu trong cửa sổ, “dịch” cửa sổ sang phải mỗi khi nhận ñược ACK
ACK(n): xác nhận cho các gói tin với số hiệu cho ñến n
Khi có timeout: truyền lại tất cả các gói tin có số hiệu lớn hơn n trong cửa sổ. Sent, ACKed Sent, yet ACKed Can be used Can not be used Window, size N Receiver
Chỉ gửi 1 xác nhận ACK cho gói tin có số hiệu lớn nhất ñã nhận ñược theo ñúng thứ tự.
Với các gói tin không theo thứ tự:
Hủy bỏ -> không lưu vào vùng ñệm
Xác nhận lại gói tin với số hiệu lớn nhất còn ñúng thứ tự Seq, # 28 Ví dụ về GBN 29 Selective Repeat
Bên nhận xác nhận riêng rẽ cho từng gói tin
Chỉ gửi lại các gói tin chưa ñược xác nhận bị timeout
Tổ chức vùng ñệm ñể sắp xếp các gói tin theo ñúng thứ tự ñể chuyển cho tầng trên Sending window, N Rcv. window, NACKed Received Sent ACK Yet ACKed Out-of-order pkts, buffered Acceptable Expected Waiting ACK Usable for sending 30 Ví dụ về Selective Repeat 31 Q. Hãy nhận xét về 2 phương pháp?
Ưu ñiểm
Nhược ñiểm 32 TCP Transmission Control Protocol Cấu trúc ñoạn tin TCP Quản lý liên kết Kiểm soát luồng Kiểm soát tắc nghẽn 33 Tổng quan về TCP
Giao thức hướng liên kết
Bắt tay ba bước
Giao thức truyền dữ liệu theo dòng byte, tin cậy
Sử dụng vùng ñệm
Truyền theo kiểu pipeline
Tăng hiệu quả
Kiểm soát luồng
Bên gửi không làm quá tải bên nhận (thực tế: quá tải)
Kiểm soát tắc nghẽn
Việc truyền dữ liệu không nên làm tắc nghẽn mạng (thực tế: luôn có tẵc nghẽn) 34 Khuôn dạng ñoạn tin - TCP segment source port # dest port # 32 bits application data (variable length) sequence number acknowledgement number Receive window Urg data pnterchecksum FSRPAUheadlen not used Options (variable length) URG: Dữ liệu khẩn ACK: ACK # PSH: Chuyển dữ liệu ngay RST, SYN, FIN: Ký hiệu cho các gói tin ñặc biệt -Số lượng bytes có thế nhận - ðiều khiển luồng - Dùng ñể truyền dữ liệu tin cậy - Tính theo bytes 35 TCP cung cấp dịch vụ tin cậy ntn?
Kiểm soát dữ liệu ñã ñược nhận chưa:
Seq. #
Ack
Chu trình làm việc của TCP:
Thiết lập liên kết
Bắt tay ba bước
Truyền/nhận dữ liệu
ðóng liên kết 36 Cơ chế báo nhận trong TCP Seq. #:
Số hiệu của byte ñầu tiên của ñoạn tin trong dòng dữ liệu ACK:
Số hiệu byte ñầu tiên mong muốn nhận từ ñối tác Host A Host B Seq=42, ACK=79, data = ‘C’ S e q = 7 9 , A C K = 4 3 , d a t a = ‘ C ’ Seq=43, ACK=80 User types ‘C’ host ACKs receipt of echoed ‘C’ host ACKs receipt of ‘C’, echoes back ‘C’ time simple telnet scenario 37 Thiết lập liên kết TCP : Giao thức bắt tay 3 bước
Bước 1: A gửi SYN cho B
chỉ ra giá trị khởi tạo seq # của A
không có dữ liệu
Bước 2: B nhận SYN, trả lời bằng SYNACK
B khởi tạo vùng ñệm
chỉ ra giá trị khởi tạo seq. # của B
Bước 3: A nhận SYNACK, trả lời ACK, có thể kèm theo dữ liệu A B SYN ACK A C K / S Y N 38 Ví dụ về việc ñóng liên kết A FIN B A C K ACK F I N closing closing closed t i m e d w a i t closed
Bước 1: Gửi FIN cho B
Bước 2: B nhận ñược FIN, trả lời ACK, ñồng thời ñóng liên kết và gửi FIN.
Bước 3: A nhận FIN, trả lời ACK, vào trạng thái “chờ”.
Bước 4: B nhận ACK. ñóng liên kết. Lưu ý: Cả hai bên ñều có thể chủ ñộng ñóng liên kết 39 Chu trình sống của TCP (ñơn giản hóa) SYN_SENT FIN_WAIT_1 FIN_WAIT_2 ESTABLISHED Receive ACK Send nothing Receive SYN/ACK Send ACK CLOSED TIME_WAIT CLOSED LISTENLAST_ACK SYN_RCVDCLOSE_WAIT ESTABLISHED Receive SYN Send SYN/ACK Receive ACK Send nothing Receive FIN Send ACK Send FIN Receive ACK Send nothing Client application Initiates a TCP connection Server application Creates a listen socket Send SYN Send FIN Wait 30 sec. Receive FIN Send ACK Client application Initiates close connection 40 Kiểm soát luồng 41 Kiểm soát luồng (1) A B A B Chậm Quá tải 42 Kiểm soát luồng (2)
ðiều khiển lượng dữ liệu ñược gửi ñi
Bảo ñảm rằng hiệu quả là tốt
Không làm quá tải các bên
Các bên sẽ có cửa sổ kiểm soát
Rwnd: Cửa sổ nhận
CWnd: Cửa sổ kiểm soát tắc nghẽn
Lượng dữ liệu gửi ñi phải nhỏ hơn min(Rwnd, Cwnd) 43 Kiểm soát luồng trong TCP
Kích thước vùng ñệm trống = Rwnd = RcvBuffer-[LastByteRcvd - LastByteRead] 44 Trao ñổi thông tin về Rwnd A B A C K ( r w n d = 1 0 0 ) data data
Bên nhận sẽ báo cho bên gửi biết Rwnd trong các ñoạn tin
Bên gửi ñặt kích thước cửa sổ gửi theo Rwnd 45 ðiều khiển tắc nghẽn trong TCP 46 Tổng quan về tắc nghẽn
Khi nào tắc nghẽn xảy ra ?
Quá nhiều cặp gửi-nhận trên mạng
Truyền quá nhiều làm cho mạng quá tải
Hậu quả của việc nghẽn mạng
Mất gói tin
Thông lượng giảm, ñộ trễ tăng
Tình trạng của mạng sẽ trở nên tồi tệ hơn. Congestion occur 47 Nguyên lý kiểm soát tắc nghẽn
Slow-start
Tăng tốc ñộ theo hàm số mũ
Tiếp tục tăng ñến một ngưỡng nào ñó
Tránh tắc nghẽn
Tăng dẫn tốc ñộ theo hàm tuyến tính cho ñến khi phát hiện tắc nghẽn
Phát hiện tắc nghẽn
Nếu gói tin bị mất 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 SS Threshold=16 cwnd 48 TCP Slow Start (1)
Ý tưởng cơ bản
ðặt cwnd bằng 1 MSS (Maximum segment size)
Tăng cwnd lên gấp ñôi
Khi nhận ñược ACK
Bắt ñầu chậm, nhưng tăng theo hàm mũ
Tăng cho ñến một ngưỡng: ssthresh
Sau ñó, TCP chuyển sang trạng thái tránh tắc nghẽn 49 TCP Slow Start (2) Host A one segment R T T Host B time two segments four segments 50 Tránh tắc nghẽn - Congestion avoidance
ý tưởng cơ bản
Tăng cwnd theo cấp số cộng sau khi nó ñạt tới ssthresh
Khi bên gửi nhận ñược ACK
Tăng cwnd thêm 1 MSS Host A Host B one segment R T T time two segments three segments 51 Phản ứng của TCP (1)
Giảm tốc ñộ gửi
Phát hiện tắc nghẽn?
Nếu như phải truyền lại
Có thể suy ra là mạng “tắc nghẽn”
Khi nào thì phải truyền lại?
Timeout!
Cùng một gói tin số hiệu gói tin trong ACK 52 Phản ứng của TCP (2)
Khi có timeout của bên gửi
TCP ñặt ngưỡng xuống còn một nửa giá trị hiện tại của cwnd
TCP ñặt cwnd về 1 MSS
TCP chuyển về slow start
Nếu nhận ñược 3 ACK giống nhau
TCP ñặt ngưỡng xuống còn một nửa giá trị hiện tại của cwnd
TCP ñặt cwnd về giá trị hiện tại của ngưỡng cũ
TCP chuyển trạng thái “congestion avoidance” 53 Kiểm soát tắc nghẽn – minh họa 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 Timeout 3 ACKs SS SS AI AI AI Threshold=16 Threshold=10 Threshold=6 Threshold is set to half of cwnd (20) And slow start starts Threshold is set to half of cwnd (12) And additive increase starts cwnd Step 54 Tổng kết
Còn rất nhiều chi tiết về TCP!
Có hai dạng giao thức giao vận
UDP và TCP
Best effort vs. reliable transport protocol
Các cơ chế bảo ñảm ñộ tin cậy
Báo nhận
Truyền lại
Kiểm soát luồng và kiểm soát tắc nghẽn 55 Tuần tới: Application Layer
Application service model
Client-server vs. P2P
Typical applications and protocols
HTTP
Mail
FTP
P2P file sharing

and your applications? 56 Acknowledgment
Bài giảng có sử dụng các hình vẽ từ
Tài liệu của trường ñại học Keio và Ritsumekan
Tài liệu “Computer Network, a top down approach” của J.F Kurose và K.W. Ross