Bài giảng Mạng máy tính - Chương 3: Tầng giao vận (Transport layer) - Trần Quang Diệu

Chương 3.Tầng giao vận (transport layer) 
Quang Dieu Tran, PhD 
Faculty of Information Technology 
University of Communication and Transport ( Branch in Ho Chi Minh City) 
Email : dieutq@gmail.com 
Website: sites.google.com/sites/tranlectures 
Chương 3. Giao thức tầng giao vận (transport layer) 
2 
Chương 3. Giao thức tầng giao vận (transport layer) 
3 
Ch3. The Transport Layer 
Transport Layer Services & Principles. 
Multiplexing/Demultiplexing. 
Connectionless Transport (UDP). 
Principles of Reliable Data Transfer (RDT). 
Connection-oriented Transport (TCP). 
Congestion Control. 
Sử dụng TCP hay UDP 
Chương 3. Giao thức tầng giao vận (transport layer) 
4 
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 
physical 
network 
data link 
physical 
logical end-end transport 
Chương 3. Giao thức tầng giao vận (transport layer) 
5 
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) 
6 
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) 
7 
Ch3. The Transport Layer 
Transport Layer Services & Principles. 
Multiplexing/Demultiplexing. 
Connectionless Transport (UDP). 
Principles of Reliable Data Transfer (RDT). 
Connection-oriented Transport (TCP). 
Congestion Control. 
Sử dụng TCP hay UDP 
Chương 3. Giao thức tầng giao vận (transport layer) 
8 
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 
H 
t 
H 
n 
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) 
9 
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) 
10 
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) 
11 
Ch3. The Transport Layer 
Transport Layer Services & Principles. 
Multiplexing/Demultiplexing. 
Connectionless Transport (UDP). 
Principles of Reliable Data Transfer (RDT). 
Connection-oriented Transport (TCP). 
Congestion Control. 
Sử dụng TCP hay UDP 
Chương 3. Giao thức tầng giao vận (transport layer) 
12 
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) 
13 
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) 
14 
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) 
15 
UDP segment – example (cnt.) 
IP’s Header 
Chương 3. Giao thức tầng giao vận (transport layer) 
16 
UDP segment – example (cnt.) 
UDP’s header 
Chương 3. Giao thức tầng giao vận (transport layer) 
17 
UDP segment – example (cnt.) 
Data of applicaton layer 
Chương 3. Giao thức tầng giao vận (transport layer) 
18 
UDP checksu ... ng-byte của byte dữ liệu đầu tiên trong segment 
khởi động bộ đếm t/g nếu nó chưa chạy (bộ đếm t/g cho segment chưa nhận ACK lâu nhất) 
khoảng t/g hết hạn: TimeOutInterval 
timeout: 
gửi lại segment gây nên timeout 
đặt lại timer 
 Ack rcvd: 
Nếu đó là ACK cho các khúc trước đó chưa được ACK 
Cập nhật danh sách các gói đã được ACK 
chạy lại timer nếu như còn có các segment chưa ACK 
Transport Layer 
3- 64 
Transport Layer 
3- 65 
TCP sender (Đơn giản hóa) 
 NextSeqNum = InitialSeqNum 
 SendBase = InitialSeqNum 
 loop (forever) { 
 switch (event) 
 event: Nhận được dữ liệu từ application tầng trên 
 tạo TCP segment có số thứ tự là NextSeqNum 
 if (timer không chạy) 
 khởi chạy timer 
 đẩy segment xuống cho tầng IP 
 NextSeqNum = NextSeqNum + length(data) 
 event: timer timeout 
 Gửi lại segment có stt nhỏ nhất mà chưa được ACK 
 khởi chạy timer 
 event: Nhận ACK, với giá trị trường ACK là y 
 if ( y > SendBase) { 
 SendBase = y 
 if (Còn sement chưa ACK) 
 khởi chạy timer 
 } 
 } /* end of loop forever */ 
Ghi chú: 
 SendBase-1: byte ACK được cộng dồn cuối cùng 
Ví dụ: 
 SendBase-1 = 71;y=73, vậy bên nhận cần 73+ ; 
y > SendBase, vì vậy có thêm dữ liệu được ACK 
TCP: retransmission scenarios 
Transport Layer 
3- 66 
Host A 
Seq=100, 20 bytes data 
ACK=100 
time 
premature timeout 
Host B 
Seq=92, 8 bytes data 
ACK=120 
Seq=92, 8 bytes data 
Seq=92 timeout 
ACK=120 
Host A 
Seq=92, 8 bytes data 
ACK=100 
loss 
timeout 
lost ACK scenario 
Host B 
X 
Seq=92, 8 bytes data 
ACK=100 
time 
Seq=92 timeout 
SendBase= 100 
SendBase= 120 
SendBase= 120 
Sendbase= 100 
TCP retransmission scenarios (more) 
Transport Layer 
3- 67 
Host A 
Seq=92, 8 bytes data 
ACK=100 
loss 
timeout 
Cumulative ACK scenario 
Host B 
X 
Seq=100, 20 bytes data 
ACK=120 
time 
SendBase= 120 
Transport Layer 
3- 68 
Tạo ACK trong TCP [RFC 1122, RFC 2581] 
Sự kiện tại Receiver 
Nhận được segment đúng thứ tự 
 với STT hợp lí. Tất cả dữ liệu từ 
 STT về trước đã được ACK 
Nhận được segment đúng thứ tựvới số STT hợp lý. Một segment 
khác đang chờ ACK 
Nhân được segment không đúngthứ tự (STT cao hơn STT mongđợi). Phát hiện thiếu hụt 
Segment nhận được khỏa lấp 1 
phân hoặc toàn bộ phần thiếu 
hụt 
Hành vi TCP tại Receiver 
Trì hoãn chưa ACK vội. chờ segmentkế tiếp trong 500ms. nếu không có segment nào được gửi đến, gửi ACK 
Ngay lập tức gửi 1 segment với ACK 
cộng dồn xác nhận cả 2 segment đã đượcnhận thành công 
Ngay lập tức gửi 1 ACK lặp , chỉ rõ bytemong đợi tiếp theo 
Ngay lập tức gửi ACK 
Transport Layer 
3- 69 
Fast Retransmit 
Time-out thường tương đối dài: 
trì hoãn lâu trước khi gửi lại gói bị mất 
phát hiện mất segments thông qua ACK lặp. 
Sender thường gửi nhiều segment liên tục 
nếu có 1 segment bị mất thì sẽ có nhiều ACK lặp 
Nếu sender nhận được 3 ACK yêu cầu cho cùng 1 segment → nó xác định segment đó đã bị mất: 
fast retransmit: gửi lại segment bị mất ngay cả khi chưa tới thời điểm time-out 
Fast Retransmit (cont.) 
Chương 3. Giao thức tầng giao vận (transport layer) 
70 
Host A 
ACK=2 
Host B 
X 
Seq=1 
time 
Gửi liền 2 ACK 
yêu cầu segment có seq# 2 
ACK=2 
ACK=2 
Seq=2 
Seq=3 
Seq=2 
Seq=2 timeout 
Transport Layer 
3- 71 
 event: Nhận ACK, với ACK# là y 
 if (y > SendBase) { 
 SendBase = y 
 if (Nếu còn segment đang đợi ACK) 
 start timer 
 } 
 else { 
 tăng bộ đếm duplicate ACKs nhận được cho y 
 if (nếu bộ đếm lặp của y = 3) { 
 gửi lại segment với sequence # = y 
 } 
Fast retransmit algorithm: 
a duplicate ACK for 
already ACKed segment 
Truyền lại nhanh 
Chương 3. Giao thức tầng giao vận (transport layer) 
72 
TCP flow control 
Các apps có thể xử lý dữ liệu chậm, các gói tin nhận về được đưa vào bộ đệm (receiver buffer). 
Flow control: kiểm soát không để cho receiver buffer bị tràn vì sender gửi nhiều gói tin quá. 
Receiver: Thông báo cho sender biết kích thước của RcvWidow (free buffer): trường rcv window size trong TCP segment headers. 
Sender: Luôn nắm được kích thước tối đa của gói tin có thể truyền tiếp. 
Chương 3. Giao thức tầng giao vận (transport layer) 
73 
TCP Connection management 
TCP: Connection-oriented. 
Khởi tạo các giá trị: 
sequence number. 
buffers, flow control information. 
Client:Connection initiator (khởi tạo liên kết: socket). 
Server: Chấp nhận kết nối. 
Three way handshaking: 
Bước 1: client gửi TCP SYN control segment tới server. 
Bước 2: server nhận SYN segment rồi trả lời bằng SYNACK segment . 
Bước 3: client nhận SYNACK segment và trả lời bằng ACK segment (có thể có dữ liệu đi kèm). 
Chương 3. Giao thức tầng giao vận (transport layer) 
74 
Chương 3. Giao thức tầng giao vận (transport layer) 
75 
TCP Connection management: ngắt liên kết 
Bước 1: client (phía muốn ngắt liên kết) gửi TCP FIN segment. 
Bước 2: server (phía còn lại) nhận được FIN, gửi ACK, ngắt liên kết, gửi tiếp FIN segment. 
Bước 3: client nhận FIN, trả lời bằng ACK. timed wait (chờ một lúc nữa cho tới khi liên kết đóng hẳn). 
Bước 4: server nhận ACK, đóng liên kết. 
client 
FIN 
server 
ACK 
ACK 
FIN 
closing 
closing 
closed 
timed wait 
closed 
Chương 3. Giao thức tầng giao vận (transport layer) 
76 
TCP client lifecycle 
TCP server lifecycle 
TCP Connection management (cont.) 
Chương 3. Giao thức tầng giao vận (transport layer) 
77 
bangtqh@utc2.edu.vn 
Ch3. The Transport Layer 
Transport Layer Services & Principles. 
Multiplexing/Demultiplexing. 
Connectionless Transport (UDP). 
Principles of Reliable Data Transfer (RDT). 
Connection-oriented Transport (TCP). 
Congestion Control. 
Sử dụng TCP hay UDP 
Chương 3. Giao thức tầng giao vận (transport layer) 
78 
Congestion control 
Nghẽn mạng là điều khó tránh khỏi!!! 
Khi mạng bị nghẽn, các gói tin có thể bị trễ hay bị mất. 
Hai hướng tiếp cận: 
End-end congestion control: Thông tin về mức độ nghẽn mạng được suy ra từ lượng tin bị mất mát trong quá trình truyền. 
Network-assited congestion control: Routers cung cấp các thông tin phản hồi về tình trạng nghẽn mạng tới end systems. 
Bit thông báo nghẽn mạng đừng gửi nữa hoăc xin chờ một lát. 
Tốc độ tối đa cho phép gửi (maximum rate allowed). 
TCP sử dụng phương pháp end-end congestion control. 
Chương 3. Giao thức tầng giao vận (transport layer) 
79 
Causes/costs of congestion: scenario 1 
2 senders, 2 receivers 
01 router, buffers vô hạn 
no retransmission 
large delays when congested 
maximum achievable throughput 
unlimited shared output link buffers 
Host A 
l in : original data 
Host B 
l out 
Chương 3. Giao thức tầng giao vận (transport layer) 
80 
Causes/costs of congestion: scenario 2 
one router, buffers có hạn 
sender gửi lại các packet bị mất 
finite shared output link buffers 
Host A 
l in : original data 
Host B 
l out 
l ' in : original data, plus retransmitted data 
Chương 3. Giao thức tầng giao vận (transport layer) 
81 
always: (goodput) 
“perfect” retransmission only when loss: 
retransmission of delayed (not lost) packet makes larger (than perfect case) for same 
l 
in 
l 
out 
= 
l 
in 
l 
out 
> 
l 
in 
l 
out 
“costs” of congestion: 
more work (retrans) for given “goodput” 
unneeded retransmissions: link carries multiple copies of pkt 
Causes/costs of congestion: scenario 2 
Chương 3. Giao thức tầng giao vận (transport layer) 
82 
Causes/costs of congestion: scenario 3 
4 senders 
multihop paths 
timeout/retransmit 
l 
in 
Q: what happens as and increase ? 
l 
in 
finite shared output link buffers 
Host A 
l in : original data 
Host B 
l out 
l ' in : original data, plus retransmitted data 
Chương 3. Giao thức tầng giao vận (transport layer) 
83 
Causes/costs of congestion: scenario 3 
Another “cost” of congestion: 
Khi thực hiện drop các packet trên đường truyền dung lượng đường truyền đã sử dụng để gửi tin tới điểm bị drop là vô ích. 
Host A 
Host B 
l out 
Chương 3. Giao thức tầng giao vận (transport layer) 
84 
TCP Congestion Control 
end-end control (no network assistance) 
Sender điều khiển lượng dữ liệu gửi đi theo quy tắc: 
 LastByteSent-LastByteAcked 
 min {CongWin, ReceiverWnd} 
Công thức xấp xỉ: 
Giá trị CongWin luôn biến đổi và được tính toán theo khả năng truyền tải của mạng. 
Làm thế nào sender đánh giá được tình trạng nghẽn? 
loss event = timeout or 3 duplicate ACKs 
TCP sender reduces rate ( CongWin ) after loss event 
Cơ chế đánh giá nghẽn: 
AIMD 
Slow start 
conservative after timeout events 
rate = 
CongWin 
RTT 
Bytes/sec 
Chương 3. Giao thức tầng giao vận (transport layer) 
85 
multiplicative decrease: cut CongWin in half after loss event 
additive increase: increase CongWin by 1 MSS every RTT in the absence of loss events: probing 
Long-lived TCP connection 
TCP AIMD (additive-increase, multiplicative-decrease) 
Chương 3. Giao thức tầng giao vận (transport layer) 
86 
TCP Slow Start 
When connection begins, CongWin = 1 MSS 
Example: MSS = 500 bytes & RTT = 200 msec 
initial rate = 20 kbps 
Available bandwidth may be >> MSS/RTT 
desirable to quickly ramp up to respectable rate 
When connection begins, increase rate exponentially fast until first loss event 
Chương 3. Giao thức tầng giao vận (transport layer) 
87 
TCP Slow Start (more) 
When connection begins, increase rate exponentially until first loss event: 
double CongWin every RTT 
done by incrementing CongWin for every ACK received 
Summary : initial rate is slow but ramps up exponentially fast 
Host A 
one segment 
RTT 
Host B 
time 
two segments 
four segments 
Chương 3. Giao thức tầng giao vận (transport layer) 
88 
Refinement 
After 3 dup ACKs: 
CongWin is cut in half 
window then grows linearly 
But after timeout event: 
CongWin instead set to 1 MSS; 
window then grows exponentially 
to a threshold, then grows linearly 
 3 dup ACKs indicates network capable of delivering some segments 
 timeout before 3 dup ACKs is “more alarming” 
Philosophy: 
Chương 3. Giao thức tầng giao vận (transport layer) 
89 
Q: When should the exponential increase switch to linear? 
A: When CongWin gets to 1/2 of its value before timeout. 
Implementation: 
Variable Threshold 
At loss event, Threshold is set to 1/2 of CongWin just before loss event 
Refinement (more) 
Chương 3. Giao thức tầng giao vận (transport layer) 
90 
When CongWin is below Threshold , sender in slow-start phase, window grows exponentially. 
When CongWin is above Threshold , sender is in congestion-avoidance phase, window grows linearly. 
When a triple duplicate ACK occurs, Threshold set to CongWin/2 and CongWin set to Threshold . 
When timeout occurs, Threshold set to CongWin/2 and CongWin is set to 1 MSS. 
Summary: TCP Congestion Control 
Chương 3. Giao thức tầng giao vận (transport layer) 
91 
TCP throughput (or transmission rate) 
Gía trị throughout (số packet gửi đi / giây) của TCP tính theo Window size và RTT là bao nhiêu? 
Không tính giai đoạn slowstart 
Gọi W là giá trị window size khi xuất hiện mất gói. 
Khi window size = W, throughput = W/RTT 
Ngay sau khi có nghẽn (lost), window size giảm xuống = W/2 throughput = W/2RTT. 
Throughout trung bình là: 0.75 W/RTT 
	 Throughout TB = 3W/4RTT 
Chương 3. Giao thức tầng giao vận (transport layer) 
92 
TCP Futures 
Hỏi : Giả sử MSS = 1500 byte, RTT = 100 µ s , Cần gửi đi với tốc độ là 10 Gbps (throughput=10 9 bps). Vậy giá trị Windowsize phải là bao nhiêu ? 
Trả lời : window size W = 83,333 in-flight segments 
Throughput tính theo loss rate: 
Trong đó L = loss rate 
Chương 3. Giao thức tầng giao vận (transport layer) 
93 
Delay modeling 
Q: How long does it take to receive an object from a Web server after sending a request? 
Ignoring congestion, delay is influenced by: 
TCP connection establishment 
data transmission delay 
slow start 
Notation, assumptions: 
Assume one link between client and server of rate R 
S: MSS (bits) 
O: object size (bits) 
no retransmissions (no loss, no corruption) 
Window size: 
First assume: fixed congestion window, W segments 
 Then dynamic window, modeling slow start 
Chương 3. Giao thức tầng giao vận (transport layer) 
94 
Fixed congestion window (1) 
First case: 
WS/R > RTT + S/R: ACK for first segment in window returns before window’s worth of data sent 
delay = 2RTT + O/R 
Chương 3. Giao thức tầng giao vận (transport layer) 
95 
Transport Layer 
3- 95 
Fixed congestion window (2) 
Second case: 
WS/R < RTT + S/R: wait for ACK after sending window’s worth of data sent 
delay = 2RTT + O/R 
+ (K-1)[S/R + RTT - WS/R] 
Chương 3. Giao thức tầng giao vận (transport layer) 
96 
Ch3. The Transport Layer 
Transport Layer Services & Principles. 
Multiplexing/Demultiplexing. 
Connectionless Transport (UDP). 
Principles of Reliable Data Transfer (RDT). 
Connection-oriented Transport (TCP). 
Congestion Control. 
Sử dụng TCP hay UDP 
Chương 3. Giao thức tầng giao vận (transport layer) 
97 
Một số so sánh TCP/UDP 
Có liên kết, lưu trữ trạng thái liên kết (quản lý liên kết). 
Điểm-điểm 
Có độ trễ (delay): thiết lập, quản lý liên kết, luồng, nghẽn 
Segment header lớn (20 bytes) 
Bị giới hạn tốc độ truyền (congestion control) 
Không liên kết, không lưu trữ trạng thái. 
Điểm-điểm, quảng bá. 
Độ trễ thấp. 
Segment header nhỏ (8 bytes) 
Không giới hạn tốc độ truyền. 
Chương 3. Giao thức tầng giao vận (transport layer) 
98 
Các app thực tế 
Application 
App protocol 
Transport protocol 
Electronic mail 
SMTP 
TCP 
Remote terminal access 
Telnet 
TCP 
Web 
HTTP 
TCP 
File transfer 
FTP 
TCP 
Remote file server 
NFS 
typically UDP 
Streaming multimedia 
proprietary 
typically UDP 
Internet telephony 
proprietary 
typically UDP 
Network management 
SNMP 
typically UDP 
Routing protocol 
RIP 
typically UDP 
Name translation 
DNS 
typically UDP