Sieci komputerowe - warstwa transportowa

Transkrypt

1 Sieci komputerowe - warstwa transportowa mgr inż. Rafał Watza Katedra Telekomunikacji AGH Al. Mickiewicza 30, Kraków, Polska tel , fax watza@kt.agh.edu.pl

2 Wprowadzenie Rodzaje transportu datagramów Protokoły warstwy transportowej UDP TCP RTP Wiadomości i formaty protokołów Zasady ustanawiania i zamykania połączenia Rafał Watza KT AGH watza@kt.agh.edu.pl 2

3 Dwa typy transportu ZAWODNY bezpołączeniowy (właściwości takie same jak IP) NIEZAWODNY kanał wirtualny c dwukierunkowość przepływu danych (full duplex) c zorientowanie na połączenie (connection-oriented) c gwarancja dostarczenia danych w kolejności wysyłania (in-sequence delivery) c gwarancja poprawności przesyłania danych (user-data integrity) c identyfikacja jednostek komunikujących się na poziomie aplikacji (application-layer addressing) Rafał Watza KT AGH watza@kt.agh.edu.pl 3

4 Jednostka informacji i jej enkapsulacja Jednostką informacji jest datagram Datagram jest fragmentem całej wiadomości pochodzącej z warstwy wyższej (aplikacji) Nagłówek UDP / TCP Pole danych UDP / TCP Nagłówek IP Pole danych pakietu IP Nagłówek ramki Pole danych ramki Rafał Watza KT AGH watza@kt.agh.edu.pl 4

5 Protokół UDP - User Datagram Protocol Transport zawodny - bezpołączeniowy brak potwierdzeń odebrania datagramu brak porządkowania kolejności nadchodzących wiadomości brak sterowania przepływem korzystanie z portów protokołowych dodatnie liczby całkowite (ostateczne cele dla wysyłanych wiadomości) Unreliable Datagram Protocol! Rafał Watza KT AGH watza@kt.agh.edu.pl 5

6 Format datagramu UDP UDP port źródłowy Długość wiadomości UDP UDP port docelowy Suma kontrolna UDP DANE... FORMAT NAGŁÓWKA DATAGRAMU Adres IP źródłowy Adres IP docelowy ZERA Typ protokołu Długość datagramu UDP Rafał Watza KT AGH watza@kt.agh.edu.pl 6

7 Demultipleksacja na poziomie warstwy transportowej Port 1 Port 2 Port 3 TCP/UDP: demultipleksacja datagramów Warstwa transportowa Warstwa Internetu Pakiety IP warstwy Internet Rafał Watza KT AGH watza@kt.agh.edu.pl 7

8 Protokół UDP Aplikacje korzystające z UDP DNS KaZaA DHCP Gry Procesy drukowania??? Mała nadmiarowość informacyjna Krótkie czasy przesyłania Stosowanie do mniej wrażliwych celów Rafał Watza KT AGH watza@kt.agh.edu.pl 8

9 Protokół TCP - Transmission Control Protocol Transport niezawodny - transmisja połączeniowa zorientowane na ciąg oktetów (stream orientation) połączenie kanałem wirtualnym (virtual circuit connection): żądanie połączenia akceptacja transmisja buforowana (buffered transfer) ciąg niezłożony (unstructured stream) transmisja dwukierunkowa (full duplex connection) Rafał Watza KT AGH watza@kt.agh.edu.pl 9

10 Transmisja dwukierunkowa Transfer danych w obu kierunkach Przesyłanie danych sterujących (np. potwierdzeń odebrania datagramu) w datagramach przesyłanych w przeciwną stronę (metoda na barana ) Redukcja ruchu w sieci Skrócenie czasów potwierdzeń Złożone mechanizmy przesyłania danych Rafał Watza KT AGH watza@kt.agh.edu.pl 10

11 Reguły określane przez protokół TCP Formaty danych i potwierdzeń Reguły składania pakietów i datagramów w wiadomość Procedury testowania poprawności danych Postępowanie w przypadku błędów Sposoby rozpoznawania aplikacji docelowych Sposoby ustanawiania połączenia Rafał Watza KT AGH watza@kt.agh.edu.pl 11

12 Identyfikacja połączenia w TCP Para punktów krańcowych (współpracujących przy transmisji aplikacji) Każdy punkt krańcowy to dwie liczby całkowite (host, port) host adres IP maszyny port numer portu TCP na tej maszynie przykład: ( , 21) i ( , 1185) Rafał Watza KT AGH watza@kt.agh.edu.pl 12

13 Protokół TCP Aplikacje korzystające z TCP telnet Programy pocztowe (POP3, IMAP) ftp http??? Stosowane zawsze, gdy konieczna jest bezpieczna transmisja, a dane są wrażliwe na kolejność i zagubienia Rafał Watza KT AGH watza@kt.agh.edu.pl 13

14 Ustanawianie połączenia TCP Strona nadająca Wiadomości w sieci Strona odbierająca Wysłanie SYN nr = x Odbiór segmentów SYN + ACK Wysłanie ACK nr = y+1 Odebranie segmentu SYN Wysłanie SYN nr = y, ACK nr = x+1 UWAGA: jest prawidłowo!!! Odebranie segmentu ACK Rafał Watza KT AGH watza@kt.agh.edu.pl 14

15 Zamykanie połączenia TCP Strona nadająca Wiadomości w sieci Strona odbierająca Wysłanie FIN nr = x Odebranie segmentu FIN Wysłanie ACK nr = x+1 Odbiór segmentu ACK Odbiór segmentów FIN i ACK Wysłanie ACK nr = y+1 Wysłanie segmentu FIN, ACK nr = x+1 Odebranie segmentu ACK Rafał Watza KT AGH watza@kt.agh.edu.pl 15

16 Metody potwierdzania odbioru datagramu Pozytywnego potwierdzenia każdy datagram musi być potwierdzony n-ty datagram musi być potwierdzony Negatywnego potwierdzenia komunikat o nieodebraniu n-tego datagramu Ślizgającego się okna (sliding window) jednoczesne przesłanie n datagramów potwierdzanie każdego datagramu, ale w dowolnym czasie po potwierdzeniu 1. datagramu nadanie n+1 datagramu dynamiczne regulowanie szerokości okna Rafał Watza KT AGH watza@kt.agh.edu.pl 16

17 Metoda pozytywnego potwierdzenia Strona nadająca Wiadomości w sieci Strona odbierająca Wysłanie segmentu 1 Odbiór potwierdzenia ACK 1 Wysłanie segmentu 2 Odebranie segmentu 1 Wysłanie potwierdzenia ACK 1 Odbiór potwierdzenia ACK 2 Odebranie segmentu 2 Wysłanie potwierdzenia ACK 2 Rafał Watza KT AGH watza@kt.agh.edu.pl 17

18 Metoda pozytywnego potwierdzenia zagubienie datagramu Strona nadająca Wysłanie segmentu 1 Start licznika Brak odbioru potwierdzenia ACK 1 Przekroczony limit czasu Wiadomości w sieci strata segmentu Strona odbierająca Brak odbioru segmentu 1 Brak wysłania potwierdzenia ACK 1 Ponowne wysłanie segmentu 1 Start licznika Odbiór potwierdzenia ACK 1 Skasowanie licznika Odebranie segmentu 1 Wysłanie potwierdzenia ACK 1 Rafał Watza KT AGH watza@kt.agh.edu.pl 18

19 Metoda ślizgającego się okna Przesuwanie okna Rafał Watza KT AGH watza@kt.agh.edu.pl 19

20 Metoda ślizgającego się okna Strona nadająca Wiadomości w sieci Strona odbierająca Wysłanie datagramu 1 Wysłanie datagramu 2 Wysłanie datagramu 3 Odebranie ACK = 1 Wysłanie datagramu 4 Odebranie ACK = 2 Wysłanie datagramu 5 Odebranie ACK = 3 Odebranie ACK = 4 Odebranie datagramu 1 Wysłanie ACK = 1 Odebranie datagramu 2 Wysłanie ACK = 2 Odebranie datagramu 3 Wysłanie ACK = 3 Odebranie datagramu 4 Wysłanie ACK = 4 Odebranie datagramu 5 Wysłanie ACK = 5 Odebranie ACK = 5 Rafał Watza KT AGH watza@kt.agh.edu.pl 20

21 Format datagramu TCP Port źródłowy Port docelowy Numer kolejnej sekwencji Numer potwierdzenia HLEN Rezerwacja Kody Szerokość okna Suma kontrolna Opcje (opcjonalnie) Wskaźnik ważnych danych Wypełnienie DANE... Rafał Watza KT AGH watza@kt.agh.edu.pl 21

22 Znaczenie pól datagramu TCP Porty źródłowy/docelowy 16-bitowe pole portu hosta Numer sekwencji wskaźnik pozycji danych z segmentu w ciągu bajtów nadawcy Numer potwierdzenia numer datagramu, który powinien być odebrany jako następny; w stronę przeciwną niż ACK HLEN długość nagłówka datagramu w 32-bit słowach Rezerwacja przeznaczone do przyszłych zastosowań Kody jednobitowe wskaźniki obsługi datagramu Rafał Watza KT AGH watza@kt.agh.edu.pl 22

23 Znaczenie pól datagramu TCP Szerokość okna parametr określający rozmiar okna transmisyjnego; na zasadzie porozumienia Suma kontrolna liczona modulo 2 z 32-bitowych słów Wskaźnik istotnych danych wskaźnik do pozycji w oknie, na której kończą się ważne dane Opcje pole do negocjacji istotnych warunków połączenia między modułami TCP w obu komunikujących się hostach Wypełnienie pole używane do dopełnienia długości nagłówka do wielokrotności 32 bitów Dane dane pochodzące z warstwy aplikacji korzystającej z protokołu TCP Rafał Watza KT AGH watza@kt.agh.edu.pl 23

24 Znaczenie bitów pola KOD Port źródłowy Port docelowy Numer kolejnej sekwencji Numer potwierdzenia HLEN ZERA Kody Szerokość okna Suma kontrolna Opcje (opcjonalnie) DANE... Istotne wskaźniki Wypełnienie BIT (od lewej) Znaczenie bitu (wartość =1) URG Wypełnione pole Istotne Wskaźniki ACK Ustawione pole potwierdzenia PSH Datagram wymaga wysłania na siłę RST Skasuj aktualne połączenie SYN Zsynchronizuj numer przesyłanej sekwencji FIN Nadawca osiągnął koniec strumienia danych Rafał Watza KT AGH watza@kt.agh.edu.pl 24

25 Pseudo nagłówek datagramu TCP Adres IP źródłowy Adres IP docelowy ZERA Typ protokołu Długość datagramu TCP Rafał Watza KT AGH watza@kt.agh.edu.pl 25

26 Połączenia TCP jako automat skończony Rafał Watza KT AGH 26

27 Opóźnienia transmisji w sieci Internet 10 Czas [s] Numer datagramu Rafał Watza KT AGH watza@kt.agh.edu.pl 27

28 Protokół RTP Real Time Protocol Protokół transportowy zaprojektowany do transmisji danych w czasie rzeczywistym. Protokół RTP przewidziano tak dla transmisji typu punkt-punkt, jak i do transmisji wielopunktowych. Protokół RTP może realizować transmisję zarówno w trybie unicast, jak i multicast. Zależy to od sieci podkładowej, jaką wykorzystujemy. Rafał Watza KT AGH watza@kt.agh.edu.pl 28

29 Protokół RTP Real Time Protocol Własności protokołu pozwalają na wykorzystanie go jako protokołu do transmisji danych multimedialnych, takich jak interaktywne usługi audio lub wideo. Protokół RTP identyfikuje rodzaj przesyłanych danych (audio, wideo) oraz metodę kodowania danych (np.: PCM, ADPCM). Rafał Watza KT AGH 29

30 Współpraca RTP z niższymi warstwami sieci Warstwa 4 UDP RTP Warstwa 3 IP Warstwa 2 MAC (FDDI) LLC MAC (ISO 8802.x) ATM Rafał Watza KT AGH watza@kt.agh.edu.pl 30

31 Cechy protokołu RTP Dane z aplikacji traktowane są jako strumień o zadanej charakterystyce. Aplikacje multimedialne wykorzystują różne metody kodowania i kompresji. Dla każdej z metod kodowania w protokole RTP przewidziano odpowiednie identyfikatory przenoszonych danych. Rafał Watza KT AGH watza@kt.agh.edu.pl 31

32 Identyfikatory danych Wykorzystywane przez aplikację do wyboru odpowiedniego typu dekodera oraz do zdefiniowania właściwej prędkości bitowej dla danego strumienia multimedialnego Podczas transmisji złożonego strumienia danych multimedialnych (np. sygnału audio i wideo przy kodowaniu MPEG2), dla każdego strumienia danych można określić jego własną charakterystykę (czasową, sposobu kodowania, itd.) Rafał Watza KT AGH watza@kt.agh.edu.pl 32

33 Znaczniki czasowe Każdy pakiet protokołu RTP posiada znacznik czasowy. Znacznik czasowy pozwala na realizację synchronizacji oraz określenie zmienności czasu dostarczenia pakietu (zmienności opóźnień - jitter). Wartość startowa znacznika czasowego jest losowa. Przy realizacji prawidłowej transmisji powinien on liniowo wzrastać Rafał Watza KT AGH watza@kt.agh.edu.pl 33

34 Zastosowanie RTP Obecnie protokoły RTP jak i RTCP są wykorzystywane w wielu komercyjnych aplikacjach. Wykorzystywany jest w systemach wideo- i audiokonferencyjnych zgodnych z zaleceniami ITU. Jest wykorzystywany m.in. przez Windows Media Player oraz RealPlayer do realizacji transmisji multimedialnej w sieci Internet. Rafał Watza KT AGH watza@kt.agh.edu.pl 34

35 Systemy telekonferencyjne Urządzenia we/wy wideo Urządzenia we/wy audio Aplikacja transmitująca dane Sterowanie systemem konferencyjnym Kodek wideo Kodek Audio Protokół transmisji danych Protokół sterujący Multiplekser/Demultiplekser Interfejs sieciowy Sieć komputerowa Rafał Watza KT AGH 35

36 Transmisja multimedialna w sieciach LAN Wideo Audio Sterowanie i zarządzanie Dane H.261 H.263 G.711, G.722, G.723.1, G.728, G.729 RTCP H RAS H (sygnalizacja) RTP X.224 klasa 0 UDP TCP Warstwa sieciowa (IP) Warstwa łącza danych (IEEE 802.3) H.245 (sterowanie) T.124 T.125 T.123 Rafał Watza KT AGH watza@kt.agh.edu.pl 36

37 Podsumowanie protokołu RTP Mechanizm protokołowy Tryb pracy Detekcja błędów Sygnalizacja błędów Metoda retransmisji Sterowanie przepływem Kolejkowanie danych Skalowalność Multicast Tak Negatywne potwierdzenie Brak retransmisji Sterowanie prędkością Brak Realizacja Od kilku do kilkudziesięciu połączeń Rafał Watza KT AGH 37

38 Podsumowanie Rafał Watza KT AGH 38