Bài giảng Mạng máy tính: Chương 5 - PGS. TS. Nguyễn Hữu Thanh

Chia sẻ: Thuong Thuong | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:33

Thêm vào BST

Báo xấu

83
lượt xem 8
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Bài giảng "Mạng máy tính - Chương 5: Giao thức TCP/UDP" cung cấp cho người học các kiến thức: Giới thiệu chung về giao thức TCP/UDP, giao thức UDP, giao thức TCP (chức năng TCP, điều khiển luồng và chống tắc nghẽn trong TCP). Mời các bạn cùng tham khảo nội dung chi tiết

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Bài giảng Mạng máy tính: Chương 5 - PGS. TS. Nguyễn Hữu Thanh

Chương 5. Giao thức TCP/UDP PGS. TS. Nguyễn Hữu Thanh Bộ môn Kỹ thuật thông tin Viện Điện tử - Viễn thông ĐHBK Hà Nội Email: thanhnh@mail.hut.edu.vn Nội dung Giới thiệu chung UDP TCP Chức năng TCP Điều khiển luồng và chống tắc nghẽn trong TCP 1
Đặt vấn đề  Ứng dụng trên mạng:  Đa dạng  Yêu cầu khác nhau về mặt chất lượng: ◊ Ứng dụng thời gian thực: trễ nhỏ ◊ Ứng dụng truyền số liệu (truyền file, web, email .v.v.): độ tin cậy cao, xác suất mất gói hoặc lôi gói phải ~ 0% Giới thiệu  Nhiều ứng dụng tại 1 máy trạm cùng chia sẻ đường truy nhập Internet  Mạng Internet: UDP  Chức năng chính: định tuyến (routing) và chuyển tiếp (forwarding) TCP  Truyền tin không tin cậy ◊ Không có cơ chế đảm bảo thứ tự gói ◊ Không có cơ chế đảm bảo gói sẽ được truyền đến nơi nhận Chông tắc nghẽn  Vấn đề: làm thế nào để truyền nhiều ứng dụng với các yêu cầu khác nhau trên giao thức IP không tin cậy, độc lập với ứng dụng? CHƯƠNG 5 – UDP/TCP PGS. TS. Nguyễn Hữu Thanh 3 Đặt vấn đề (tiếp…)  Cần các chức năng bổ sung giữa “Application” và “Internetwork” Mô hình Internet Giới thiệu Ứng dụng truyền thông: truyền file, ứng dụng thời http, SIP, H.323, RTP, FTP, Application gian thực, web, email, SMTP, POP, SNMP .v.v. VoIP .v.v. UDP TCP Host-to-Host ??? Định tuyến và chuyển tiếp, Internetwork truyền tin không tin cậy IP, ICMP, routing protocols… Chông tắc nghẽn Điều khiển truy nhập Network Access kênh, biến đổi dòng IEEE 802.x bit theo kênh vật lý CHƯƠNG 5 – UDP/TCP PGS. TS. Nguyễn Hữu Thanh 4 2
Chức năng của lớp Host-to-Host Lớp host-to-host thực hiện các chức năng bổ sung giữa “application” và Giới thiệu “internetwork” UDP Ghép nhiều luồng dữ liệu trên một thiết bị đầu cuối để truyền trên mạng IP TCP Tăng độ tin cậy của luồng thông tin Chông tắc nghẽn CHƯƠNG 5 – UDP/TCP PGS. TS. Nguyễn Hữu Thanh 5 Chức năng của lớp Host-to-Host (tiếp …) Máy trạm Router Máy trạm Application Application Giới thiệu Thông tin giữa 2 lớp cùng cấp UDP Host-to-Host Host-to-Host TCP Internetwork Internetwork Internetwork Chông tắc Network Network Network nghẽn Access Access Access CHƯƠNG 5 – UDP/TCP PGS. TS. Nguyễn Hữu Thanh 6 3
Chức năng của lớp Host-to-Host (tiếp …)  Tại sao các chức năng của host-to-host lại được thực hiện ở thiết bị đầu cuối? Giới thiệu Router chỉ thực hiện các chức năng định tuyến và chuyển tiếp UDP Router không cần lưu giữ trạng thái của một luồng dữ liệu (flow state) TCP nâng cao hiệu năng của router Chông tắc nghẽn các chức năng khác được đưa ra “rìa” của mạng CHƯƠNG 5 – UDP/TCP PGS. TS. Nguyễn Hữu Thanh 7 Cơ chế ghép kênh  Chức năng ghép kênh:  Chia nhỏ dữ liệu của người sử dụng thành các segment lớp host-to-host  Ghép nhiều luồng dữ liệu lớp ứng dụng vào để truyền trên mạng IP FTP HTTP Chat FTP HTTP Chat Giới thiệu Application application-layer protocols UDP TCP Host2Host multiplexing TCP/UDP demultiplexing Chông tắc Internetwork nghẽn Network Access CHƯƠNG 5 – UDP/TCP PGS. TS. Nguyễn Hữu Thanh 8 4
Cơ chế ghép kênh (tiếp…) Phương pháp ghép kênh: Mỗi ứng dụng (hay tiến trình) có một Giới thiệu địa chỉ cổng (port number) khác nhau UDP Địa chỉ cổng: 16 bit Các ứng dụng trao đổi dữ liệu qua TCP “socket”. Mỗi socket được phân biệt qua Chông tắc 2 tham số: nghẽn ◊Địa chỉ port ◊Địa chỉ IP CHƯƠNG 5 – UDP/TCP PGS. TS. Nguyễn Hữu Thanh 9 Cơ chế ghép kênh (tiếp…)  Một số cổng điển hình:  0 – 1023: cổng mặc định định nghĩa bởi IANA ◊ FTP: 20, TCP ◊ SSH: 22, TCP/UDP ◊ Telnet: 23, TCP Giới thiệu App1 App2 App3 ◊ SMTP: 25, TCP ◊ DNS: 53, TCP/UDP ◊ HTTP: 80, TCP/UDP UDP Application  Từ 1024: do người sử dụng tự định nghĩa socket 1 socket 2 socket 3 TCP  Socket được quản lý bởi Host-to-host hệ điều hành  Có thể tạo, trao đổi dữ liệu Chông tắc qua socket thông qua các nghẽn API của HĐH CHƯƠNG 5 – UDP/TCP PGS. TS. Nguyễn Hữu Thanh 10 5
Cơ chế tăng độ tin cậy Độ tin cậy: Kiểm tra và chống lỗi: thêm các mã Giới thiệu kiểm tra lỗi phần dữ liệu (CRC .v.v.) ◊ARQ (auto-repeat request) UDP ◊FEC (forwarding error correction) Chống tắc nghẽn TCP Câu hỏi: Chông tắc nghẽn Sự khác nhau giữa ARQ và FEC? Trong giao thức IP có kiểm tra và chống lỗi không? Ở đâu? CHƯƠNG 5 – UDP/TCP PGS. TS. Nguyễn Hữu Thanh 11 Cơ chế tăng độ tin cậy (tiếp…)  ARQ:  Trao đổi dữ liệu thông qua cơ chế: gửi – phúc đáp  Phân loại: Giới thiệu ◊ Stop-and-Wait ◊ Go-Back-N ◊ Selective Repeat UDP  Chức năng: ◊ Phát hiện lỗi gói ◊ Phát hiện mất gói TCP ◊ Sắp xếp thứ tự gói ◊ Điều khiển luồng: điều chỉnh kích thước cửa số trượt Chông tắc nghẽn  Câu hỏi:  Phân biệt các cơ chế Stop-and-Wait, Go-Back-N, Selective Repeat?  Tham khảo tài liệu môn “Cơ sở mạng thông tin” CHƯƠNG 5 – UDP/TCP PGS. TS. Nguyễn Hữu Thanh 12 6
Cơ chế tăng độ tin cậy (tiếp…)  ARQ - Stop and Wait: p1 p1 tp p1 mất gói Giới thiệu RTT ts lỗi ACK1 NACK1 ttimeout p0 p1 UDP p1 ACK0 ACK1 TCP ACK1 Chông tắc nghẽn a) Không lỗi b) Lỗi gói c) Mất gói CHƯƠNG 5 – UDP/TCP PGS. TS. Nguyễn Hữu Thanh 13 Cơ chế tăng độ tin cậy (tiếp…)  ARQ - Go-Back-N:  “Cumulative feedback” W=3 – kích thước cửa sổ mất gói p1 p1 p1 p2 p2 p2 p3 p3 p3 Giới thiệu ACK 2 lỗi gói ACK 4 UDP ACK 2 p2 p4 p3 p2 p5 p4 p3 TCP p6 p4 Chông tắc nghẽn a) Không lỗi b) Lỗi gói c) Mất gói CHƯƠNG 5 – UDP/TCP PGS. TS. Nguyễn Hữu Thanh 14 7
Cơ chế tăng độ tin cậy (tiếp…)  ARQ - Selective Repeat mất gói p1 p1 p1 p2 p2 p2 p3 p3 p3 Giới thiệu ACK 1 NACK 2 lỗi gói ACK 4 p4 UDP NACK 4 ACK 3 p2 p4 p4 p2 p5 p5 p5 TCP p6 Chông tắc nghẽn a) Không lỗi b) Lỗi gói c) Mất gói CHƯƠNG 5 – UDP/TCP PGS. TS. Nguyễn Hữu Thanh 15 Cơ chế tăng độ tin cậy (tiếp…)  Điều khiển luồng trong ARQ: Để thay đổi tốc độ truyền: Giới thiệu ◊ Thay đổi kích thước cửa sổ trượt W ◊ Thay đổi thời gian ACK để điều chỉnh RTT UDP  Nhận xét: ARQ không thích hợp cho các dịch vụ thời gian TCP thực: ◊ RTT lớn Chông tắc nghẽn ◊ Băng thông của luồng dữ liệu bị giới hạn bởi W  ARQ được áp dụng trong TCP CHƯƠNG 5 – UDP/TCP PGS. TS. Nguyễn Hữu Thanh 16 8
Cơ chế tăng độ tin cậy (tiếp…) Câu hỏi: Tính hiệu suất kênh truyền trong “Stop- Giới thiệu and-Wait”, “Go-Back-N” và “Selective Repeat” khi: UDP ◊Kênh truyền lý tưởng TCP ◊Kênh chịu xác suất mất gói là Pe  Tham khảo bài giảng môn “Cơ sở Chông tắc nghẽn mạng thông tin” CHƯƠNG 5 – UDP/TCP PGS. TS. Nguyễn Hữu Thanh 17 Cơ chế tăng độ tin cậy (tiếp…) FEC: Bên phát không phát lại gói Giới thiệu Bên thu có chức năng: ◊Kiểm tra lỗi UDP ◊Nếu phát hiện gói lỗi: – Bên thu sửa lỗi (xác định vị trí bit lỗi) TCP – Nếu lỗi không sửa được: hủy gói Chông tắc Nhận xét: nghẽn ◊FEC thích hợp cho các dịch vụ thời gian thực CHƯƠNG 5 – UDP/TCP PGS. TS. Nguyễn Hữu Thanh 18 9
Giao thức UDP  UDP – User Datagram Protocol  RFC 768  Gói tin UDP – UDP datagram  Đặc điểm: Giới thiệu  Sử dụng cơ chế không liên kết (connectionless): không cần thiết lập một phiên truyền giữa nguồn – đích  UDP là giao thức không tin cậy UDP ◊ Không có phúc đáp (ACK) ◊ Không cơ chế tự động phát lại TCP ◊ Kiểm tra lỗi (checksum): chỉ kiểm tra phần đầu khung (header), không có kiểm tra lỗi phần dữ liệu ◊ Không có cơ chế phát hiện gói mất, gói đến không đúng thứ tự Chông tắc ◊ Không có cơ chế điều khiển luồng  UDP có thể gửi dữ liệu nghẽn nhanh và nhiều nhất có thể  Chức năng cơ bản của UDP là gì? CHƯƠNG 5 – UDP/TCP PGS. TS. Nguyễn Hữu Thanh 19 Giao thức UDP (tiếp…)  Chức năng chính của UDP: Ghép/tách kênh A1 A2 B1 B2 App App App App Giới thiệu Port UDP OS UDP TCP Chông tắc nghẽn UDP IP CHƯƠNG 5 – UDP/TCP PGS. TS. Nguyễn Hữu Thanh 20 10
Giao thức UDP (tiếp…)  Cấu trúc gói UDP SRC port DST port Giới thiệu checksum length Chỉ bảo vệ Kích thước phần header phần data theo byte UDP DATA TCP  UDP được dùng cho ứng dụng gì? Chông tắc  Các ứng dụng không cần độ tin cậy cao nghẽn  Các phiên truyền ngắn, thiết lập kết nối hướng liên kết theo kiểu TCP đem lại hiệu suất thấp  Các ứng dụng thời gian thực CHƯƠNG 5 – UDP/TCP PGS. TS. Nguyễn Hữu Thanh 21 Giao thức TCP  TCP – Transmission Control Protocol  RFC 793, 1122, 1323, 2018, 2581  Đặc điểm:  Hướng liên kết (connection-oriented) ◊ Thiết lập kết nối: “3-way handshake” – thiết lập kết nối 3 bước ◊ Huỷ bỏ kết nối: “2-way handshake” – huỷ bỏ kết nối 2 bước Giới thiệu  Client – server: client thiết lập kết nối  TCP là giao thức truyền tin cậy: ◊ Cơ chế phúc đáp (ACK) khi nhận được dữ liệu UDP ◊ Mã chống lỗi để bảo vệ dữ liệu ◊ Số thự tự (sequence number) để phát hiện gói mất và gói không đúng thứ tự TCP ◊ Cơ chế timeout (sau một thời gian bên phát không nhật được ACK) để gửi lại dữ liệu ◊ Cơ chế sắp xếp lại thứ tự gói ở đầu thu Chông tắc ◊ Cơ chế điều khiển luồng sử dụng cửa sổ trượt nghẽn ◊ Cơ chế chống tắc nghẽn để chia sẻ băng thông giữa nhiều nguồn dữ liệu CHƯƠNG 5 – UDP/TCP PGS. TS. Nguyễn Hữu Thanh 22 11
Hướng liên kết  Không liên kết ở lớp Internetwork, hướng liên kết trên lớp Host-to-Host Giới thiệu R2 UDP A B TCP R1 R3 Chông tắc nghẽn R4 CHƯƠNG 5 – UDP/TCP PGS. TS. Nguyễn Hữu Thanh 23 Hướng liên kết (tiếp…)  Thiết lập kết nối: 3-way handshake  Bước 1: A gửi SYN cho B ◊ chỉ ra giá trị khởi tạo seq # của A Client A Server B Giới thiệu ◊ không có dữ liệu (chủ động) (thụ động)  Bước 2: B nhận SYN, trả lời Syn bằng SYN/ACK UDP ◊ B khởi tạo vùng đệm ◊ chỉ ra giá trị khởi tạo seq. # Syn + Ack của B TCP  Bước 3: A nhận SYN/ACK, Ack trả lời ACK, có thể kèm theo Chông tắc dữ liệu nghẽn  Ghi chú: phiên truyền TCP là phiên song công (số liệu truyền theo 2 hướng) CHƯƠNG 5 – UDP/TCP PGS. TS. Nguyễn Hữu Thanh 24 12
Hướng liên kết (tiếp…)  Huỷ bỏ kết nối: 2-way handshake  Bước 1: Gửi FIN cho B Client A Server B  Bước 2: B nhận được Giới thiệu FIN, trả lời ACK, đồng thời đóng liên kết và gửi Fin FIN. (Data +) Ack UDP  Bước 3: A nhận FIN, trả lời ACK, vào trạng thái “chờ”. TCP Fin  Bước 4: B nhận ACK. đóng liên kết. Ack Chông tắc nghẽn  Ghi chú: cả client hoặc server đều có thể yêu cầu huỷ bỏ kết nối CHƯƠNG 5 – UDP/TCP PGS. TS. Nguyễn Hữu Thanh 25 TCP data segment  Dữ liệu lớp ứng dụng được đóng gói vào các “TCP segment”  MSS (Maximum Segment Size): chiều dài tối đa cho phép của 1 TCP segment Gửi Byte 0 Byte 1 Byte 2 Byte 3 Byte 80 Giới thiệu TCP segment UDP TCP TCP segment Chông tắc nghẽn Byte 0 Byte 1 Byte 2 Byte 3 Byte 80 Nhận CHƯƠNG 5 – UDP/TCP PGS. TS. Nguyễn Hữu Thanh 26 13
Bản tin TCP 0 15 31 Src port Dst port Sequence Number Giới thiệu ACK Sequence Number Flags HLEN RSVD Receive Window Size RST SYN ACK 4 6 FIN URG PSH UDP Checksum Urg Pointer TCP (TCP Options) Chông tắc nghẽn TCP Data CHƯƠNG 5 – UDP/TCP PGS. TS. Nguyễn Hữu Thanh 27 Ý nghĩa các trường Source/Destination Port: địa chỉ cổng Checksum: mã chống lỗi – cho cả Giới thiệu TCP header và phần dữ liệu UDP Receive Window Size (RWND): kích TCP thước cửa sổ trượt bên nhận  chỉ ra lượng dữ liệu tối đa bên thu có thể Chông tắc nghẽn tiếp nhận  điều khiển luồng CHƯƠNG 5 – UDP/TCP PGS. TS. Nguyễn Hữu Thanh 28 14
Sequence Number  Sequence Number: số thứ tự TCP segment ISN (initial sequence number) Gửi Giới thiệu Sequence TCP UDP number = số TCP Data HDR STT ACK = thứ tự byte byte tiếp theo đầu bên thu đợi TCP nhận TCP Chông tắc TCP Data HDR nghẽn Nhận CHƯƠNG 5 – UDP/TCP PGS. TS. Nguyễn Hữu Thanh 29 Sequence Number (tiếp…) Sequence number: Số thứ tự byte đầu tiên của 1 segment Giới thiệu  sequence number của TCP segment UDP Được tính bằng byte TCP Chông tắc nghẽn CHƯƠNG 5 – UDP/TCP PGS. TS. Nguyễn Hữu Thanh 30 15
Initial Sequence Number  ISN – giá trị thứ tự khởi tạo Được thiết lập trong giai đoạn bắt tay 3 bước để khởi tạo kết nối Giới thiệu Client A Server B Syn +ISNA UDP Syn + Ack +ISNB TCP Ack Chông tắc nghẽn CHƯƠNG 5 – UDP/TCP PGS. TS. Nguyễn Hữu Thanh 31 Cửa sổ trượt trong TCP Vấn đề: Một kết nối TCP có thể gửi bao nhiêu Giới thiệu gói dữ liệu liên tiếp qua mạng? UDP Khi lỗi xảy ra, TCP truyền lại gói thế nào? Sử dụng cơ chế “selective repeat” TCP hay “Go-Back-N”? Chông tắc Làm cách nào để TCP không làm tràn nghẽn bộ đệm bên thu? CHƯƠNG 5 – UDP/TCP PGS. TS. Nguyễn Hữu Thanh 32 16
Cửa sổ trượt trong TCP (tiếp…) Kích thước cửa sổ Dữ liệu Giới thiệu Dữ liệu đã gửi Dữ liệu đã gửi Dữ liệu được Dữ liệu chưa được và nhận được ACK và chưa nhận phép gửi phép gửi UDP được ACK  Kích thước cửa sổ phải điều chỉnh cho phù hợp với bộ đệm TCP của bên thu  Kích thước cửa sổ tối đa bên thu cho phép sẽ được gửi cho Chông tắc bên phát RWND trong trường Receive Window Size (thông nghẽn thường từ 4kB – 8kB)  Cơ chế truyền lại trong TCP: Go-Back-N CHƯƠNG 5 – UDP/TCP PGS. TS. Nguyễn Hữu Thanh 33 Cửa sổ trượt trong TCP (tiếp…) Round-trip time Round-trip time (RTT) Window Size Window Size Window Size ??? Phát (A) Giới thiệu UDP Thu (B) ACK ACK ACK (1) RTT > Window size (2) RTT = Window size TCP Chông tắc  Lựa chọn kích thước cửa sổ: nghẽn RTT > Window Size: hiệu suất kênh truyền thấp RTT= Window Size: hiệu suất kênh  100% CHƯƠNG 5 – UDP/TCP PGS. TS. Nguyễn Hữu Thanh 34 17
Cơ chế truyền lại Round-trip time (RTT) Retransmission TimeOut (RTO) Guard Band Phát (A) Estimated RTT Data1 Data2 Giới thiệu ACK ACK Thu (B) UDP  TCP sử dụng đồng hồ timeout để truyền lại  Sau khoảng thời gian RTO>RTT, nếu không nhận được gói  truyền TCP lại  RTO là giá trị thay đổi, thích ứng với trạng thái kênh. Nguyên nhân: Chông tắc  Tắc nghẽn, đường đi thay đổi  RTT thay đổi  RTO cũng thay đổi nghẽn theo  Câu hỏi:  Giá trị RTO được tính thế nào?  Nếu RTO quá lớn/quá bé thì sao? CHƯƠNG 5 – UDP/TCP PGS. TS. Nguyễn Hữu Thanh 35 Cơ chế truyền lại (tiếp…)  Ước lượng giá trị RTO:  Vấn đề: ◊ Nếu giá trị RTO quá lớn: trễ truyền lại lớn ◊ Nếu giá trị RTO quá nhỏ: phát trùng gói không cần thiết  Thuật toán ước lượng RTO – sử dụng phương pháp Giới thiệu “trung bình cửa sổ trượt theo trọng số mũ” (Exponential Weighted Moving Average - EWMA) ◊ Gọi: UDP –  – trọng số thuật toán EWMA (0 ≤  ≤ 1, thông thường  =0,125) – k – số bước lặp TCP – EstimatedRTT: giá trị RTT ước lượng theo EWMA – SampleRTT: giá trị RTT đo được tại bước k ◊ Thuật toán: Chông tắc nghẽn 1. EstimatedRTTk=  EstimatedRTTk-1 + (1 - ) SampleRTT 2. RTO = 2 * EstimatedRTT CHƯƠNG 5 – UDP/TCP PGS. TS. Nguyễn Hữu Thanh 36 18
Cơ chế truyền lại (tiếp…) RTT: gaia.cs.umass.edu to fantasia.eurecom.fr 350 300 Giới thiệu 250 RTT (milliseconds) UDP 200 TCP 150 Chông tắc nghẽn 100 1 8 15 22 29 36 43 50 57 64 71 78 85 92 99 106 time (seconnds) SampleRTT Estimated RTT CHƯƠNG 5 – UDP/TCP PGS. TS. Nguyễn Hữu Thanh 37 Cơ chế truyền lại (tiếp…)  Trong thuật toán trên Trế trung bình  Giả thiết: Phương sai của giá trị RTT là hằng Phương sai số tăng nhanh Giới thiệu  Trong thực tế: khi tải tăng ◊ Chiều dài hàng đợi của router tăng dần khi tải tăng UDP Tải tới hàng đợi router ◊ Phương sai của RTT Xác suất tăng nhanh khi tải tăng TCP ◊ Phân bố xác suất của RTT không xác định Chông tắc  Yêu cầu: Phương nghẽn  Ước lượng RTT chính sai xác để tránh ước lượng sai RTO RTT kỳ vọng CHƯƠNG 5 – UDP/TCP PGS. TS. Nguyễn Hữu Thanh 38 19
Cơ chế truyền lại (tiếp…)  Thuật toán ước lượng RTO mới: Cho phép đánh giá cả phương sai của RTT Giới thiệu 1. EstimatedRTTk =  EstimatedRTTk-1 + (1 - ) SampleRTT 2. Differencek = (1 - )*Differencek-1 +  *|SampleRTT - EstimatedRTTk| UDP 3. RTO =  * EstimatedRTTk +  *Differencek   0,125;   1;   4;   0,25 TCP Chông tắc nghẽn CHƯƠNG 5 – UDP/TCP PGS. TS. Nguyễn Hữu Thanh 39 Cơ chế truyền lại (tiếp…) Host A Host B Host A Host B Truyền lại Truyền lại Giới thiệu RTT sai RTT sai UDP TCP  Thuật toán Karn:  Vấn đề: Khi truyền lại thì RTT được ước lượng thế nào Chông tắc cho chính xác? nghẽn  Giải pháp: ◊ Không cập nhật giá trị EstimatedRTT ◊ RTOk=2 * RTOk-1 CHƯƠNG 5 – UDP/TCP PGS. TS. Nguyễn Hữu Thanh 40 20