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