Operációs rendszerek és hálózatok GEIAL501M A szállítási réteg

Átírás

1 Operációs rendszerek és hálózatok GEIAL501M A szállítási réteg 2013/2014. tanév, I. félév Dr. Kovács Szilveszter szkovacs@iit.uni-miskolc.hu Informatikai Intézet 106. sz. szoba Tel: (46) / Dr. Kovács Szilveszter E. IV. / 1.

2 A szállítási réteg TSAP TSAP Viszonyréteg Viszonyréteg 4. Szállítási réteg Szállítási entitás Szállítási protokoll TPDU Szállítási entitás 4. Szállítási réteg NSAP NSAP Hálózatiréteg Hálózatiréteg TSAP: Transport Service Access Point TPDU: Transport Protocol Data Unit A 4. réteg, a hálózati- és a viszonyréteg között Dr. Kovács Szilveszter E. IV. / 2.

3 Addressing TSAPs, NSAPs and transport connections. Dr. Kovács Szilveszter E. IV. / 3.

4 Connection Establishment How a user process in host 1 establishes a connection with a time-of-day server in host 2. Dr. Kovács Szilveszter E. IV. / 4.

5 A szállítási réteg Feladata Interfész alulra, felülre Megbízható, gazdaságos adatszállítást forrástól célhosztig, függetlenül a hálózatoktól (a céltól, forrástól, a közbenső alhálózatoktól), ÖK vagy ÖK mentes alapon Tudjuk, hogy valódi end-to-end szolgáltató entitások vannak Miért kell? Az interfész - ha nem lenne, nem lehetne hozzáférni Megbízhatóság - ezt az adatkapcsolati és a fizikai réteg is biztosíthatná. ÖK alapú és ÖK mentes szolgálat - ezt is biztosíthatják az alsóbb rétegek (ált. csak az egyiket). Vég-vég - ezt a hálózati réteg is biztosíthatná (lásd IPX datagram kapcsolat nincs is) Dr. Kovács Szilveszter E. IV. / 5.

6 A szállítási réteg Miért kell? A szállítási réteg a hálózati rétegre épül A hálózati réteg lehet ÖK alapú, vagy ÖK mentes, Nem szükségszerűen megbízható! (Az IP ÖK mentes és megbízhatatlan) Még megbízható hálózati réteg mellet is lehetnek hibák. (A teljes hibamentesség a hálózati rétegben nem megoldható, nem az a dolga.) Dr. Kovács Szilveszter E. IV. / 6.

7 A szállítási réteg Legyen a hálózati réteg fölött a szállítási, ami valóban megbízható end-to-end szolgálatokat biztosít, az alkalmazások így szabványos interfészeken keresztül különböző hálózatokon (megbízható és megbízhatatlan is) is jól működhetnek. Ezért a hálózat megbízhatósága szempontjából a szállítási réteg lényeges funkciókat lát el. Dr. Kovács Szilveszter E. IV. / 7.

8 A szállítási réteg Fontos cél a szállítási rétegben hibamentes átvitel akár hibákkal terhelt hálózati réteg fölött is! Ebből következik: a a fölöttes rétegeknek tényleg nem kell emiatt nyugtázással stb. foglakozni! (PL. ha egy hálózati összeköttetés megszakad, akkor a szállítási réteg nyit egy újat és ott folytatja, ahol a régivel abbahagyta. A fölöttes réteg észre sem veszi ezt.) Fontos célja még elrejteni a konkrét hálózatot (annak minden problematikáját, sajátságát) a felettes rétegek elől. Dr. Kovács Szilveszter E. IV. / 8.

9 Üzenet szegmentálás-összerakás; nyalábolás-szétbontás Darabolás - összerakás van, hogy egy üzenet (ami a felsőbb rétegtől jön) túl nagy a hálózati (esetleg az adatkapcsolati) rétegnek A szállítási réteg ilyenkor darabol - összerak. Multiplexálás - demultiplexálás Előfordul, hogy sok kis üzenet van ugyanahhoz a célhoz. A szállítási réteg nyalábolhatja ezeket egy csomagba (illetve demultiplexálja ezt a másik oldalon). Teljesítménynövelés. Dr. Kovács Szilveszter E. IV. / 9.

10 Kapcsolati szolgálatok Csomagszámozás (szegmensszámozás) A helyes sorrend visszaállítás szolgálathoz kellhet (ÖK mentes kapcsolatnál feltétlenül) Hibavezérlés Lehetnek hibás, elveszett, vagy késő csomagok, a várt csomagszám térből kilógó csomagok. Megoldások: Ellenőrző összeg a csomagokban, időzítések, hogy a késő csomagokat eldobjuk, a csomagszámozás egyedi legyen. Az end-to-end kapcsolathoz kell flow-control A kérdés itt: vajon mind a forrás, mind a cél foglakozzon az elveszett - késő csomag problémából való kilábalással Dr. Kovács Szilveszter E. IV. / 10.

11 A szállítási réteg szolgálat primitívjei Lehet ÖK mentes és ÖK alapú szolgálat. Utóbbi lehet megerősítéses. A primitívek T-CN-kérés (connect) T-CN-bejelentés T-CN-válasz (megerősítéses szolgálathoz) T-CN-megerősítés (megerősítéses szolgálathoz) T-DC-kérés (disconnect) T-DC-bejentés T-DA-kérés (data) T-DA-bejelentés ÖK menteshez Dr. Kovács Szilveszter E. IV. / 11.

12 T-CN-kér Forgatókönyv példák (A viszonyréteg szemszögéből) T-CN-kér T-CN-bej T-CN-kér T-CN-bej T-CN-bej T-CN-meg T-CN-vál T-DC-bej T-DC-kér T-CN-meg T-CN-vál T-DA-kér T-DA-kér T-DC-kér T-DA-bej T-DA-bej T-DC-bej idő ÖK visszautasítva a hívott által T-DA-kér T-DA-kér T-DC-bej T-DA-bej T-DA-bej T-DC-kér idő idő Megerősített ÖK alapú ÖK alapú, bontást a cél kezdeményezi (Szinkronizációhoz!) Dr. Kovács Szilveszter E. IV. / 12.

13 DoD A TCP/IP protokol stack Application User Process User Process User Process User Process Transport TCP UDP Internet (Network) ICMP IP IGMP Network Access (Data Link) ARP Hardware Interface RARP Physical Physical layer Szállítási réteg: TCP: Transmission Control Protocol (Telnet, Rlogin, FTP, SMTP, DNS) megbízható adattovábbítás (összeköttetés alapú szolgálat) UDP: User Datagram Protocol (TFTP, SNMP, DNS) összeköttetés-mentes datagramm szolgálat Dr. Kovács Szilveszter E. IV. / 13.

14 UDP: User Datagram Protocol Egyszerű, ÖK mentes (datagram), nem megbízható szolgálat. Minden továbbítandó üzenet 1 UDP datagram (amit egy IP datagam-ként, csomagként továbbítanak) Az IP enkapszuláció: 20 byte 8 byte IP header UDP header UDP Data UDP datagram IP datagram Dr. Kovács Szilveszter E. IV. / 14.

15 UDP Header 16 bit a forrás és cél szolgálat elérési port szám 16 bit UDP length: a teljes UDP csomag hossza byteban 16 bit min 8 (header): max byte (UDP header) (az IP csomag byte IP header és abba is bele kell férnie) (implementációfüggően ált. kevesebb) 16 bit UDP checksum az UDP header+udp data-n (biztonság növelésére az IP header egy részére is kiterjed, hasonlóan a TCP checksum-hoz), a feladó generálja (opcionális), a vevő ellenőrzi: 1 komplemens 16 bit összeg (ha a vett CS=0 az adó nem használja ) Source Port number (16) Destin. Port number (16) UDP Length (16) UDP Checksum (16) Data (if any) 8 byte Dr. Kovács Szilveszter E. IV. / 15.

16 UDP pszeudo fej a checksum számításhoz Source IP Address (32) Destination IP Address (32) Zero (8) Protocol:17 (8) UDP Length (16) Source Port num. (16) Dest. Port num. (16) UDP Length (16) UDP Checksum (16) Data PAD: 0 UDP Pszeud. head UDP head Ha a Checksum = 0 lenne (-0, 1-komplemenst) továbbít A Checksum = 0 a checksum hiányát jelzi (az adó nem használja) Dr. Kovács Szilveszter E. IV. / 16.

17 TCP Transmission Control Protocol Bonyolultabb, ÖK alapú (sorrendhelyes), megbízható (hibamentes), duplex (kétirányú) szolgálatot biztosít. Meghatározza az IP felé az optimális csomagméretet TCP szegmens : az IP felé továbbított adategység Byte stream service : ha a kapcsolat felépült, a forrás byte-okat küld, a cél byte-okat fogad folyamatosan (virtuális áramkör byte-okra) IP enkapszuláció: 20 byte 20 byte IP header TCP header TCP Data IP datagram TCP segment Dr. Kovács Szilveszter E. IV. / 17.

18 TCP Transmission Control Protocol TCP = Transmission Control Protocol Connection-oriented OP Transport RFCs RFC 793 defines TCP RFC 1122 bug fixes and clarification RFC 1323 extensions TCP segment One IP datagram MTU = Maximum transfer unit Dr. Kovács Szilveszter E. IV. / 18.

19 TCP Service Model Well-known ports = Inetd = super server can handle requests for multiple services Port Protocol Use 21 FTP File transfer 23 Telnet Remote login 25 SMTP 69 TFTP Trivial File Transfer Protocol 79 Finger Lookup info about a user 80 HTTP World Wide Web 110 POP-3 Remote access 119 NNTP USENET news Dr. Kovács Szilveszter E. IV. / 19.

20 TCP Header Source Port num. (16) Dest. Port num. (16) Sequence Number (32) Acknowledgment Number (32) H len reserved(6) Flag-ek Window size (16) TCP Checksum (16) Urgent Pointer (16) Options (if any) Data (if any) Szegmens sorszám Sliding window-hoz Nyugta sorszám Aktuális vevőablak méret max. 64k TCP Header hossz (4) 32 bites szavakban max. 60 byte U R G A C K P S H R S T S Y N F I N Dr. Kovács Szilveszter E. IV. / 20.

21 TCP Header Socket pair: Client IP, Client Port, Server IP, Server Port négyes azonosítja a kapcsolatot. A flag-ek SYN: új kapcsolat megnyitásakor (ezt jelzi) szinkronizáció, a sequence number ilyenkor: ISN (Initial SN) kezdeti érték ACK: a nyugta sorszáma érvényes (nyugta) URG: Urgent pointer érvényes: az a sürgős üzenet végére mutat (pl. megszakítás kérelem, előzze meg a többit) PSH: a küldő a leggyorsabban küldje és a vevő a lehető leggyorsabban továbbítsa az adatokat az alkalmazás felé (ne puffereljen - Push) RST: Reset Connection (azonnali kapcsolatbontás, bármely fél kezdheti, RST a válasz rá) FIN: a küldő befejezte az adatok küldését Dr. Kovács Szilveszter E. IV. / 21.

22 TCP Header - opciók MSS: Maximum Sized Segment A kapcsolat felépítésekor (SYN) mindkét oldal maghatározhatja a számára maximális szegmensméretet Ablak skálatényező (window scale) RFC 1323 Max 16 bit ablak méret balra tolás > 2 30 Szelektív ismétlés NAK, negatív nyugta, RFC 1106 Dr. Kovács Szilveszter E. IV. / 22.

23 Pseudo header used for checksum TCP Checksum (16): Header + Data + Pseudo header Az egész 1 komplemens összegének (számításkor 0-nak veszi az ellenőrző összeg helyét) Negatív (1 komplemens) előjellel vett értéke az ellenőrző összeg Ellenőrzéskor az egész összege így 0 (1 komplemens) Dr. Kovács Szilveszter E. IV. / 23.

24 Full duplex Byte stream Urgent data TCP connections Dr. Kovács Szilveszter E. IV. / 24.

25 TCP Protocol Sliding window Timer Seq and ack are byte count Ack has next seq number expected Dr. Kovács Szilveszter E. IV. / 25.

26 TCP Connection Establishment Initial Sequence Number (ISN) SYN=1, ACK=0 (a) TCP connection establishment in the normal case. (b) Call collision két kapcsolat indul egyszerre ugyanazon socketek között, de csak egy jön létre A SYN szegmens (még ha az adat üres is) egy byte hosszú, ezért egyértelműen nyugtázható Dr. Kovács Szilveszter E. IV. / 26.

27 Connection Establishment Háromutas kézfogás RST bit (a) Normal operation, (b) Old CONNECTION REQUEST appearing out of nowhere. (c) Duplicate CONNECTION REQUEST and duplicate ACK. Dr. Kovács Szilveszter E. IV. / 27.

28 Connection Establishment fizikai órához kötött ISN Max. ennyi ideig élhet egy szegmens a hálózatban (a) TPDUs may not enter the forbidden region. (b) The resynchronization problem. Dr. Kovács Szilveszter E. IV. / 28.

29 Segm 1 Initial Sequence Number (ISN) A V Segment 2 Egy példa A Kapcsolat bontás V kezdet Segm 3 A nyugta a következő byte-ra mutat Kapcsolat kész (mindketten nyugtázzák) A két irány külön is bonthat, így a másik fél tovább küldhet Kommunikálnak (forgóablak) Kapcsolat vége Szimmetrikus kapcsolat bontás Dr. Kovács Szilveszter E. IV. / 29.

30 Asszimetrikus összeköttetés bontás (A TCP szimmetrikus) Dr. Kovács Szilveszter E. IV. / 30.

31 Connection Release The two-army problem. Nincs biztos módszer, az utolsó üzenet vesztéséről a küldőnek nem lehet tudomása időzítő használata a bontásnál Dr. Kovács Szilveszter E. IV. / 31.

32 Connection Release (a) Normal case of a three-way handshake. (b) final ACK lost. 6-14, a, b Dr. Kovács Szilveszter E. IV. / 32.

33 Connection Release (c) Response lost. (d) Response lost and subsequent DRs lost. 6-14, c,d Dr. Kovács Szilveszter E. IV. / 33.

34 TCP Finite State Machine TCP can best be explained with a theoretical model called a finite state machine. Various TCP states and their descriptions are: CLOSED closed LISTEN listening for connection SYN SENT active, have sent SYN SYN RECEIVEDhave sent and received SYN ESTABLISHED established connection CLOSED WAIT have received FIN, waiting for close LAST ACK have received FIN and close, awaiting final ACK CLOSED closed FIN WAIT 1 have closed, sent FIN CLOSING closed, exchanged FIN, awaiting final ACK FIN WAIT 2 have closed, FIN is acknowledged, awaiting FIN TIME WAIT in 2MSL (MSL=30secs-2mins) wait after close CLOSED closed States involved in establishing a connection States involved when remote end initiates shutdown States involved when local end initiates shutdown Dr. Kovács Szilveszter E. IV. / 34.

35 TCP Control segments SYN = connection ACK = acknowledge FIN = end RST = error Dr. Kovács Szilveszter E. IV. / 35.

36 TCP Finite State Machine Client server timeout/rst CLOSED Passive open close LISTEN (SYNflood) SYN RECVD SYN/SYN+ACK Simultaneous open SYN SENT Close/ timeout/ RST Close/ /FIN ACK/ FIN WAIT1 FIN WAIT2 FIN/ACK FIN/ACK active close ESTAB- LISHED Simultaneous close CLOSING TIME WAIT ACK/ FIN/ACK Passive close Close/FIN CLOSE WAIT LAST ACK ACK/ timeout after 2 segment lifetime (2MSL) Dr. Kovács Szilveszter E. IV. / 36.

37 TCP Transmission Policy: Window management Dr. Kovács Szilveszter E. IV. / 37.

38 TCP timers Retransmission set this timer when sending segment. When timer goes off retransmit segment. Persistence set this timer when sender receives zero window size. When timer goes off sender sends probe segment. Keep alive set this timer when sender sends segment or receiver receives segment. When timer goes off send probe. TIMED WAIT set this timer when closing connection. When timer goes off remove connection record. Dr. Kovács Szilveszter E. IV. / 38.

39 TCP Transmission Policy: Nagle algoritmus Ha a küldő egy byte-onként kapja a küldendő adatokat, elküldi az első byte-ot és küldés nélkül gyűjti a többi byte-ot, míg az elsőnek a nyugtája vissza nem érkezik és akkor küldi el az egészet egyben. Majd mindig megvárja az összes nyugtát mielőtt az újabb egységet küldené Csökkenti a sok kis (egy byte) csomag küldéséből adódó veszteséget (pl. telnet) Dr. Kovács Szilveszter E. IV. / 39.

40 TCP Transmission Policy: Silly Window syndrome Akkor történik, ha az adatok nagy blokkokban érkeznek, de a interaktív alkalmazás csak egy byte-onként olvassa azokat. A vevőnek csak akkor kell új vevőablak méretet küldenie, ha már van elég helye (MTU or half buffer), nem pedig byte-onként. Dr. Kovács Szilveszter E. IV. / 40.

41 TCP Transmission Policy: Silly Window syndrome Dr. Kovács Szilveszter E. IV. / 41.

42 TCP Congestion Control (a) A gyors hálózat alacsony kapacitású fogyasztót táplál. (b) A lassú hálózat nagy kapacitású fogyasztót táplál. Két ablak adat az adóban: min (vevő ablak, torlódási ablak) Dr. Kovács Szilveszter E. IV. / 42.

43 Congestion Control Slow start - Jacobson torlódási ablak = 1 MTU val indul Ha nyugtázzák, megduplázza a méretét Folytatja Exponenciálisan nő a mérete a torlódási küszöbig Torlódási küszöb (threshold) initially 64 KB Időtúllépés esetén a torlódási küszöböt az aktuális torlódási ablak felére állítja, majd újból Slow start, de úgy, hogy csak a torlódási küszöbig exponenciális, azt elérve sikeresség esetén is csak lineárisan nő maximuma a vevő ablakméret (csak addig nőhet) Az ICMP forrás folytást = időtúllépésként értelmezi Dr. Kovács Szilveszter E. IV. / 43.

44 TCP Congestion Control An example of the Internet congestion algorithm. Dr. Kovács Szilveszter E. IV. / 44.

45 TCP Timer Management (a) Probability density of ACK arrival times in the data link layer. (b) Probability density of ACK arrival times for TCP. Dr. Kovács Szilveszter E. IV. / 45.

46 RTT = round trip time Jacobson RTT = α RTT + (1- α)m, ahol M a legutóbbi ack time Tipikusan α = 7/8 Time out = βrtt ahol eleinte β=2, majd β a nyugta beérkezés sűrűségfüggvényének szórásával arányos A szórás becslése csúszóátlagolással: D = α D + (1- α) RTT M, Timeout = RTT + 4 D Karn: IP over radio Ne frissítsők az RTT-t az újraküldött szegmensekkel Duplázzuk a timeout-ot minden hiba esetén Dr. Kovács Szilveszter E. IV. / 46.

47 The Real-Time Transport Protocol (a) The position of RTP in the protocol stack. (b) Packet nesting. Dr. Kovács Szilveszter E. IV. / 47.

48 The Real-Time Transport Protocol The RTP header. (Kódolás pl. MP3) (Blokkszámláló, egyesével nő) (Blokk fizikai időbélyeg (pontosabb időzítéshez)) (A Blokk melyik folyamhoz tartozik (egy folyam több külonböző tip blokk lehet)) (Forrásoldali keverők jelenléte esetén) Ver: 2 P: padding 4byte többszörösével, az utolsó padding byte, a padding byte-ok száma X: van fejrész kiterjesztés (a kiterjesztés első byte-ja a kiterjesztés hossza) CC: 0-15 a hozzájáruló források száma M: alkalmazásfüggő marker (mozgókép keret eleje) Dr. Kovács Szilveszter E. IV. / 48.

49 Transitional TCP (UDP helyett) (a) RPC using normal TPC. (b) RPC using T/TCP. Ebből a FIN előtt lehet több is Dr. Kovács Szilveszter E. IV. / 49.

50 Fast TPDU Processing (a) TCP header. (b) IP header. In both cases, the shaded fields are taken from the prototype without change. Dr. Kovács Szilveszter E. IV. / 50.

51 Performance Problems in Computer Networks The state of transmitting one megabit from San Diego to Boston (a) At t = 0, (b) After 500 µsec, (c) After 20 msec, (d) after 40 msec. Bandwidth-delay product (sávszélesség*körbejárási idő). A küldőtől a vevőig és vissza a csővezeték tárolókapacitása Dr. Kovács Szilveszter E. IV. / 51.

52 Protocols for Gigabit Networks Time to transfer and acknowledge a 1-megabit file over a 4000-km line. Dr. Kovács Szilveszter E. IV. / 52.