Protocols de Transport: ARQ, UDP i TCP - Resum i Fórmules

I 0 flashcards i 3 preguntes més al document.

Text del document

APUNTS XARXES DE COMPUTADORS Grau en Enginyeria Informàtica Universitat Politècnica de Catalunya AprenAI 2026-2027 Apunts de transport: eficiència ARQ, BDP, capçaleres d'UDP i TCP, three-way handshake i algoritmes de control de congestió (Slow Start, Fast Recovery).

APREN.AI Índex 1 Fonaments del transport i mecanismes ARQ El nivell de transport i la necessitat de fiabilitat Protocol Stop and Wait: paràmetres temporals i eficiència Pèrdua d'assentiments i protocols de finestra contínua Càlcul de la finestra òptima mitjançant el producte BDP 2 El protocol UDP i el format de connexió de TCP El protocol UDP (User Datagram Protocol) TCP: orientació a flux de bytes i identificació de la connexió Estructura de la capçalera TCP Establiment, tancament i màquina d'estats de TCP 3 Control de flux, congestió i algoritmes de TCP Mecanismes conjunts: control de flux i de congestió a TCP Fases del control de congestió: Slow Start i Congestion Avoidance Pèrdues greus (Timeout) enfront de pèrdues lleugeres (Fast Retransmit i Fast Recovery) Càlcul adaptatiu de l'RTO (Retransmission Timeout) Taula comparativa final: UDP enfront de TCP 4 Formulari Càlculs temporals i eficiència en protocols ARQ Finestra òptima i dimensionament de l'enllaç Control de flux i finestra a TCP Algoritmes de control de congestió a TCP Procediments de connexió i desconnexió a TCP Paràmetres constants i errors típics Solucions de les preguntes de repàs Aquests apunts poden contenir errors o omissions.

Són un material de suport i no substitueixen el temari oficial ni el professorat: contrasta la informació important. Protocols de Transport: ARQ, UDP i TCP - Resum i Fórmules 1 1 Fonaments del transport i mecanismes ARQ EN ACABAR SABRÀS Calcular l'eficiència teòrica del protocol Stop and Wait a partir dels temps de transmissió i propagació. Distingir les diferències operatives entre els protocols Go-Back-N i Retransmissió Selectiva davant pèrdues de paquets. Calcular la mida de finestra òptima aplicant el producte BDP per a un enllaç donat. PENSA-HI ABANS DE LLEGIR 1 Per què afegir amplada de banda a un enllaç no millora la velocitat d'Stop and Wait si la distància física és molt gran?

El nivell de transport i la necessitat de fiabilitat El nivell de xarxa mitjançant el protocol IP proporciona un servei best effort, sense connexió i sense estat. Això significa que el protocol IP pot perdre, desordenar, duplicar o descartar datagrames durant el trajecte. Per aquest motiu, el nivell de transport (nivell 4 del model OSI) assumeix la responsabilitat de comunicar processos d'aplicació entre extrems, superant la simple comunicació entre màquines físiques. Els dos protocols fonamentals d'aquest nivell presenten filosofies de servei oposades: Protocol Característiques del servei UDP No fiable, sense connexió i de disseny simple.

TCP Fiable, orientat a connexió, amb gestió de control de flux i congestió. Per aconseguir una transferència lliure d'errors sobre un canal defectuós, s'utilitzen els mecanismes ARQ (Automatic Repeat reQuest). Aquests protocols es basen en quatre pilars tècnics fonamentals: Confirmacions (ACKs): missatges enviats pel receptor per certificar la recepció correcta. Temporitzadors (timeouts): mecanismes per detectar la pèrdua de paquets quan venç un lapse d'espera previst. Retransmissions: reenviament sistemàtic de les dades de les quals no s'ha rebut confirmació. Números de seqüència: etiquetes associades a les unitats de dades per identificar duplicats i assegurar l'ordre.

Protocol Stop and Wait: paràmetres temporals i eficiència L'esquema més elemental d'ARQ és l'Stop and Wait. En aquest procediment, l'emissor envia una sola unitat de dades de protocol (PDU) i atura completament la transmissió fins a rebre el corresponent assentiment abans de trametre la següent. Protocols de Transport: ARQ, UDP i TCP - Resum i Fórmules 2 Diagrama de funcionament bàsic de transmissió amb el protocol Stop and Wait.

Per analitzar el rendiment de l'enllaç considerant un extrem primari i un de secundari units per un cable físic, cal analitzar els components del cicle temporal complet: Símbol Definició i càlcul Temps de transmissió de la PDU: , on és la mida en bits i la taxa de transmissió en bps. Temps de propagació pel medi: , on és la distància i la velocitat física sol ser en cable. Temps necessari per transmetre l'assentiment (ACK). Temps total del cicle d'enviament i confirmació.

L'eficiència ( ) mesura quina fracció del temps total d'ús del canal s'aprofita transferint càrrega útil: Atès que la mida dels missatges ACK acostuma a ser menyspreable ( ), l'expressió se simplifica definint el factor normalitzat de retard : Quan el retard de propagació és gran respecte al temps de transmissió ( respecte a ), el valor de s'incrementa i l'eficiència es desploma. En particular, si tp = tt, l'eficiència baixa aproximadament al 33% (un valor proper al 30%). Per això, Stop and Wait ofereix un rendiment deficient en enllaços llargs o de capacitat elevada.

COMPROVA-HO 2 Què passa amb l'eficiència d'un canal gestionat per Stop and Wait quan incrementem notablement la distància de l'enllaç mantenint constant la mida de les dades? Pèrdua d'assentiments i protocols de finestra contínua Si un ACK es perd pel camí, el temporitzador de l'emissor s'esgota provocant un timeout i la consegüent retransmissió de la PDU prèvia. Per evitar que el receptor processi el segment duplicat com si fos una dada nova, cal incorporar números de seqüència. En l'esquema Stop and Wait n'hi ha prou amb 1 bit de seqüència, alternant periòdicament entre 0 i 1 (per exemple I0, I1, I0...).

t t t = t v t L t L t v t t p t = p v p D D v p 2 × 10 m/s 8 t a T c E E = t + t + 2t t a p t t t a 0 a = t t t p E 1 + 2a 1 t gran p t t a Protocols de Transport: ARQ, UDP i TCP - Resum i Fórmules 3 Diagrama d'un timeout provocat per la pèrdua d'un ACK a Stop and Wait. Com que Stop and Wait desaprofita el canal mantenint únicament un paquet pendent, sorgeixen els protocols de transmissió contínua o de finestra lliscant (sliding window). La finestra de transmissió defineix la quantitat de PDU que l'emissor pot transmetre sense haver rebut confirmació prèvia. En rebre un ACK, la finestra avança per canalitzar nous paquets.

PROCÉS Cicle de transmissió bàsic a Stop and Wait Dins d'aquesta categoria s'identifiquen dues estratègies fonamentals: Transmissió inicial L'emissor envia la PDU al medi físic. 1 Espera activa L'emissor s'atura i activa el temporitzador. 2 Recepció de dades El receptor recull la PDU i prepara la resposta. 3 Retorn d'ACK El receptor envia la confirmació d'arribada. 4 Desbloqueig L'emissor rep l'assentiment i tramet la següent PDU. 5 Go-Back-N: L'emissor transmet un bloc continu de PDU. Si es perd una unitat, el receptor rebutja totes les posteriors encara que arribin intactes, ja que només admet paquets estrictament en ordre. L'emissor retransmet la PDU perduda i totes les posteriors.

El receptor és extremadament senzill i no necessita memòria auxiliar. 1 Retransmissió selectiva: El receptor disposa d'un buffer per emmagatzemar paquets que han arribat desordenats. Si es produeix una pèrdua, l'emissor només retransmet la PDU específica no rebuda, assolint una eficiència superior davant errors moderats malgrat exigir una lògica de recepció més complexa.

2 Protocols de Transport: ARQ, UDP i TCP - Resum i Fórmules 4 Protocol Complexitat del receptor Comportament davant pèrdues Rendiment relatiu Stop and Wait Molt simple Retransmet una única PDU Molt baix en enllaços amb retard Go-Back-N Simple (sense memòria per a desordres) Retransmet la PDU danyada i totes les posteriors Mitjà Retransmissió selectiva Complex (requereix buffer d'emmagatzematge) Retransmet exclusivament la PDU perduda Elevat ERROR FREQÜENT Confondre el control de flux amb el control de congestió. El control de flux protegeix el receptor per evitar que la saturació de la seva memòria temporal el col·lapsi.

En canvi, el control de congestió protegeix la xarxa i els seus nodes intermedis per evitar la sobrecàrrega de la infraestructura global. Càlcul de la finestra òptima mitjançant el producte BDP Per aprofitar la totalitat de la capacitat d'un enllaç, la finestra ha de poder mantenir el canal ocupat de forma ininterrompuda mentre viatgen els assentiments de tornada. La quantitat òptima de dades en trànsit ve determinada pel producte d'amplada de banda per retard o BDP (Bandwidth-Delay Product): on RTT (Round Trip Time) representa el temps complet d'anada i tornada.

Si un enllaç funciona a 100 Mbps amb un RTT de 50 ms, el volum de trànsit en trànsit és: Convertit a bytes, aquest dimensionament equival a: Així doncs, cal una finestra d'uns 625 KB per saturar eficaçment la capacitat del medi de transmissió. COMPROVA-HO 3 Quina conseqüència pràctica tindria establir una finestra de transmissió molt inferior al valor calculat pel BDP de l'enllaç? BDP = amplada de banda × RTT BDP = 100 × 10 bps × 6 0,05 s = 5 × 10 bits 6 = 8 5 × 106 625.000 bytes 625 KB Protocols de Transport: ARQ, UDP i TCP - Resum i Fórmules 5 IDEES CLAU El nivell de transport resol les limitacions del servei sense garantia que ofereix la capa IP.

Stop and Wait presenta una eficiència molt baixa quan el factor de retard és elevat. Go-Back-N evita l'ús de memòria al receptor descartant paquets fora de seqüència, mentre que la retransmissió selectiva utilitza memòria cau per minimitzar reenviats. La finestra òptima per aprofitar completament la capacitat d'un canal és igual al producte de l'amplada de banda pel retard d'anada i tornada (BDP). COMPROVA EL QUE HAS APRÈS 4. Per què el protocol Stop and Wait requereix almenys 1 bit com a número de seqüència per funcionar correctament? 5. En què es diferencia Go-Back-N de la retransmissió selectiva pel que fa als recursos que requereix el receptor? Test Encercla la resposta correcta.

Les solucions són al final. 6. Quin és l'objectiu fonamental del mecanisme de control de flux? 7. A quin valor s'aproxima l'eficiència a Stop and Wait si tp és igual a tt? 8. Quantes PDU pot tenir pendents d'assentiment un emissor Stop and Wait alhora? 9. Com actua el receptor Go-Back-N si rep la PDU 2 quan esperava la 1?

a = t /t p t Assignar números de port dinàmics a) Impedir que l'emissor saturi el receptor b) Evitar la pèrdua de paquets a la infraestructura c) Garantir un temps de propagació nul d) Aproximadament un 30-33% a) Al 100% de la capacitat b) Aproximadament el 50% c) Zero absolut d) Només una única PDU a) Depèn de la quantitat de ports b) Fins a N unitats de dades c) Totes les que càpiguen al BDP d) L'emmagatzema en un buffer intermedi a) Envia immediatament un ACK per a la 2 b) Modifica la finestra d'anunci c) La descarta directament d) Protocols de Transport: ARQ, UDP i TCP - Resum i Fórmules 6 2 El protocol UDP i el format de connexió de TCP EN ACABAR SABRÀS Identificar els camps i la grandària de les capçaleres d'UDP i TCP.

Descriure el funcionament del three-way handshake i del tancament de sessió a TCP. Calcular la progressió dels números de seqüència i assentiment sobre un flux de bytes. PENSA-HI ABANS DE LLEGIR 10 Per què cal que un tancament de connexió TCP requereixi intercanviar dos parells de missatges (FIN i ACK) en lloc d'un de sol? El protocol UDP (User Datagram Protocol) El protocol UDP és un mecanisme de transport extrem a extrem que pràcticament no afegeix funcionalitat addicional sobre la capa IP. Es caracteritza per oferir un servei no orientat a connexió, sense confirmacions de recepció, sense control de flux ni de congestió, destacant per la seva simplicitat operativa.

La funció cabdal d'UDP és la multiplexació i desmultiplexació per encaminar dades cap als processos de les aplicacions mitjançant ports. La seva capçalera presenta una mida compacta de 8 bytes, estructurada en quatre camps essencials: Camp de la capçalera UDP Mida Funció Source Port 16 bits Identifica el port de l'aplicació que envia les dades. Destination Port 16 bits Identifica el port de l'aplicació destinatària. Length 16 bits Longitud total en bytes del datagrama UDP (capçalera sumada a les dades). Checksum 16 bits Mecanisme per detectar possibles errors introduïts en el trànsit.

UDP és l'opció indicada quan l'aplicació prioritza una baixa latència per sobre de la fiabilitat estricta, tolera un cert grau de pèrdua de paquets, no vol pagar el cost d'establir una sessió o bé incorpora el seu propi mecanisme intern de control. S'utilitza àmpliament en serveis com DNS (port 53), DHCP (ports 67 i 68), streaming multimèdia, trànsit de telefonia IP (VoIP), videojocs en línia i a la base de QUIC (habitualment sobre UDP 443). Protocols de Transport: ARQ, UDP i TCP - Resum i Fórmules 7 COMPROVA-HO 11 Quina és la raó per la qual aplicacions com la veu sobre IP o els jocs en xarxa utilitzen UDP en lloc de TCP?

TCP: orientació a flux de bytes i identificació de la connexió El protocol TCP (Transmission Control Protocol) ofereix un servei de transport fiable, orientat a connexió i lliure d'errors per a la xarxa Internet. A diferència d'UDP, TCP no transmet missatges com a blocs aïllats o independents, sinó com un flux continu de bytes (byte stream). Si una aplicació tramet les cadenes consecutives «Hola» i posteriorment «món», TCP pot agrupar-les en un sol segment com «Holamón», fragmentar-les en dos blocs separats o distribuir-les en múltiples segments petits. L'extrem receptor sempre reconstrueix la mateixa seqüència ordenada de bytes.

Una connexió TCP queda unívocament determinada a la xarxa mitjançant una 4-tupla: Aquesta combinació de paràmetres permet, per exemple, que un ordinador local mantingui sessions concurrents d'accés web protegides distingint clarament cada canal actiu (com per a una connexió HTTPS).

Alguns ports d'aplicació molt reconeguts a TCP són: HTTP: port 80 HTTPS: port 443 SSH: port 22 DNS: port 53 (usat també per UDP) Estructura de la capçalera TCP La capçalera TCP té una longitud base de 20 bytes, que es pot ampliar fins a un màxim de 60 bytes si inclou el camp opcional de paràmetres adicionals: Camp Funció detallada Source Port / Destination Port Identificació dels processos emissors i receptors (16 bits cadascun). Sequence Number Punt d'inici dels bytes enviats en el segment. Com que TCP numera bytes individuals i no blocs, si un segment comença a SEQ = 1000 i té 500 bytes de dades, el següent segment tindrà SEQ = 1500.

Acknowledgment Number Indica el proper byte esperat pel receptor. Els assentiments són acumulatius; per exemple, un ACK = 1500 certifica que s'han rebut correctament tots els bytes fins al 1499. Header Length Indica la mida total de la capçalera per saber on comencen les dades útils. Flags Indicadors de control d'1 bit per gestionar la senyalització del protocol. (IP origen, port origen, IP destinaci , port destinaci ) o ˊ o ˊ 192.168.1.34:51544 142.250.184.14:443 Protocols de Transport: ARQ, UDP i TCP - Resum i Fórmules 8 Camp Funció detallada Advertised Window Valor que anuncia el receptor per al control de flux, expressant quants bytes pot admetre al seu buffer.

Checksum Detecció d'errors que cobreix la capçalera, les dades i una pseudocapçalera IP (IP origen, IP destinació, codi de protocol i longitud TCP) per impedir entregues en connexions errònies. Urgent Pointer Punter cap a dades de caràcter urgent (activat pel flag URG). Options Paràmetres negociables com MSS (Maximum Segment Size), escala de finestra (Window Scale), SACK i marques horàries (timestamps). Els flags de senyalització regulen les transicions d'estat de la connexió: Flag Significat SYN Petició d'establiment o obertura de connexió. Consumeix un número de seqüència. ACK Indica que el camp Acknowledgment Number conté una dada vàlida. FIN Sol·licitud de tancament de la transmissió.

Consumeix un número de seqüència i pot portar dades. RST Reinici brusc de la connexió davant d'errors o estats anòmals. PSH Petició d'entrega ràpida de les dades pendents a l'aplicació receptora. URG Indica la presència de contingut urgent assenyalat pel punter corresponent. ERROR FREQÜENT Pensar que el número de seqüència (SEQ) de TCP compta segments transmesos (paquet 1, paquet 2...). En TCP, els números de seqüència compten sempre bytes individuals del flux continu de dades.

Establiment, tancament i màquina d'estats de TCP L'obertura d'una connexió TCP es fa mitjançant l'acord en tres fases o three-way handshake: SYN: El client tramet un segment amb el flag SYN actiu i un número de seqüència inicial propi ( ). 1 seq = x SYN + ACK: El servidor accepta la connexió responent amb els flags SYN i ACK, proposa la seva seqüència inicial ( ) i confirma la recepció de la del client ( ). 2 seq = y ack = x + 1 ACK: El client valida el segment del servidor enviant un ACK ( ). La sessió queda formalment establerta. 3 ack = y + 1 Protocols de Transport: ARQ, UDP i TCP - Resum i Fórmules 9 Diagrama de l'obertura de connexió TCP mitjançant three-way handshake.

El procediment estàndard per finalitzar una sessió requereix un intercanvi de quatre segments amb el flag FIN, tant des del client com des del servidor, ja que cada direcció del flux es clou de manera independent. Durant el seu cicle de vida, els extrems de la comunicació evolucionen a través dels següents estats essencials: Estat Descripció de la fase de connexió CLOSED La connexió no existeix o es troba completament tancada. LISTEN El servidor resta a l'espera de peticions entrants. SYN-SENT El client ha enviat el segment inicial SYN i n'espera la resposta. SYN- RECEIVED El servidor ha rebut el SYN del client, ha tramès el SYN+ACK i espera la confirmació final.

ESTABLISHED Connexió activa; es transfereixen dades bidireccionals entre les aplicacions. FIN-WAIT-1 Un extrem ha tramès el seu segment FIN per iniciar el tancament. FIN-WAIT-2 S'ha rebut l'ACK al FIN inicial; s'espera el FIN de l'altre extrem. CLOSE-WAIT S'ha rebut un segment FIN des de l'altre costat de la comunicació. LAST-ACK S'espera l'últim ACK per finalitzar definitivament el procés de tancament. TIME-WAIT Estat d'espera final de seguretat abans de passar a CLOSED per assegurar que els últims ACKs han arribat correctament. COMPROVA-HO 12 Quin valor té el camp ACK que envia un client en el tercer pas del three-way handshake si el servidor ha respost amb un SYN amb seq = 5000?

Protocols de Transport: ARQ, UDP i TCP - Resum i Fórmules 10 PROCÉS Three-way handshake de TCP 1 SYN (seq=x) El client sol·licita obertura i envia la seva seqüència inicial. 2 SYN+ACK (seq=y, ack=x+1) El servidor accepta, confirma x i proposa la seva seqüència. 3 ACK (ack=y+1) El client confirma y; la connexió passa a ESTABLISHED. IDEES CLAU UDP és un protocol de transport mínim amb capçalera de 8 bytes que només afegeix ports i detecció bàsica d'errors sobre IP. TCP gestiona la comunicació com un flux continu de bytes i requereix una 4-tupla per identificar de forma única cada connexió. Els números de seqüència i assentiment de TCP compten bytes de càrrega útil, no segments transmesos.

L'establiment de connexió requereix un acord en 3 passos (SYN, SYN+ACK, ACK), mentre que el tancament n'utilitza 4 mitjançant missatges FIN. COMPROVA EL QUE HAS APRÈS 13. Quins camps componen la capçalera d'UDP de 8 bytes? 14. Si un segment TCP té SEQ = 3000 i transporta 400 bytes, quin serà el número SEQ del segment posterior? Test Encercla la resposta correcta. Les solucions són al final. 15. Quina mida té la capçalera estàndard del protocol UDP? 16. Quins paràmetres formen la 4-tupla identificadora d'una connexió TCP? 17. Quin flag s'utilitza exclusivament per sol·licitar l'establiment d'una connexió TCP?

16 bits a) Fins a 60 bytes b) Mínim 20 bytes c) Exactament 8 bytes d) IP origen, port origen, IP destí, port destí a) Port origen, port destí, finestra, flags b) IP destí, port destí, checksum, seqüència c) MAC origen, IP origen, MAC destí, IP destí d) PSH a) URG b) SYN c) RST d) Protocols de Transport: ARQ, UDP i TCP - Resum i Fórmules 11 18. Què significa que un extrem TCP rebi un ACK amb valor 2000? 3 Control de flux, congestió i algoritmes de TCP EN ACABAR SABRÀS Calcular la finestra efectiva d'emissió a partir dels valors de rwnd i cwnd. Descriure l'evolució de la finestra de congestió durant Slow Start i Congestion Avoidance.

Distingir el comportament de TCP davant pèrdues per timeout o per triple ACK duplicat. PENSA-HI ABANS DE LLEGIR 19 Per què TCP no utilitza sempre un valor de temporitzador fix per detectar la pèrdua de paquets a Internet? Mecanismes conjunts: control de flux i de congestió a TCP TCP regula la velocitat d'injecció de dades limitant la quantitat de bytes en trànsit mitjançant dues variables diferenciades: rwnd (receive window): mida de la finestra anunciada pel receptor a la capçalera TCP per implementar el control de flux. cwnd (congestion window): finestra calculada dinàmicament per l'emissor per executar el control de congestió segons l'estat estimat de la xarxa.

L'emissor no pot transmetre un volum de dades superior al valor més restrictiu d'ambdues variables. D'aquesta manera es defineix la finestra efectiva: Mentre que rwnd evita desbordar la memòria del receptor final, cwnd evita col·lapsar els commutadors i encaminadors intermedis del canal. TCP dedueix la presència de congestió a partir de la pèrdua de paquets. DEFINICIÓ El MSS (Maximum Segment Size) és la mida màxima de càrrega útil que TCP pot encapsular dins d'un únic segment, excloent les capçaleres de transport i xarxa.

S'ha rebut fins al byte 1999 i s'espera el 2000 a) S'ha perdut el paquet número 2000 b) S'ha rebut correctament fins al byte 2000 inclòs c) La finestra anunciada té una mida de 2000 bytes d) finestra efectiva = min(rwnd, cwnd) Protocols de Transport: ARQ, UDP i TCP - Resum i Fórmules 12 Fases del control de congestió: Slow Start i Congestion Avoidance El control de congestió s'articula mitjançant dos algoritmes d'ampliació de la finestra en funció del valor llindar o ssthresh (slow start threshold): Mecanisme Estat de la finestra (cwnd) Comportament davant la recepció d'ACKs Slow Start Comença típicament amb cwnd = 1 MSS.

La finestra creix amb cada ACK rebut, cosa que produeix una duplicació aproximada de la finestra per cada període d'anada i tornada (creixement exponencial: 1, 2, 4, 8, 16 MSS...). Congestion Avoidance L'increment passa a ser lineal, augmentant aproximadament en +1 MSS per cada RTT complet per no saturar de forma abrupta la capacitat dels enllaços. COMPROVA-HO 20 Si cwnd val actualment 8 MSS en plena fase de Slow Start i ssthresh val 16 MSS, quina mida tindrà la finestra després d'un cicle d'anada i tornada complet sense pèrdues?

Pèrdues greus (Timeout) enfront de pèrdues lleugeres (Fast Retransmit i Fast Recovery) La reacció de TCP depèn de com es detecta la pèrdua: ERROR FREQÜENT Creure que TCP sempre torna a reiniciar la seva finestra de congestió a 1 MSS davant de qualsevol incidència. La finestra només es redueix dràsticament a 1 MSS quan es produeix un timeout; si la pèrdua es detecta amb 3 ACKs duplicats, s'executa Fast Recovery i la finestra es redueix a la meitat aproximadament. cwnd < ssthresh cwnd ssthresh Timeout (esgotament del temporitzador): Denota una congestió greu a la xarxa.

En vèncer el temporitzador, s'executen dues accions: s'actualitza el llindar a la meitat de la finestra ( ) i es reinicia la finestra a cwnd = 1 MSS, retornant immediatament a la fase de Slow Start. 1 ssthresh = 2 cwnd Fast Retransmit: Si es reben 3 ACKs duplicats per a un mateix byte (com ara quatre cops ACK 1000), TCP dedueix que el segment esperat s'ha perdut però que segments posteriors han arribat correctament al receptor. TCP retransmet el segment sense esperar que venci el temporitzador complet de timeout. 2 Fast Recovery: Després de fer Fast Retransmit, no cal reiniciar la finestra a 1 MSS perquè la xarxa encara lliura paquets.

Es fixa i s'estableix inicialment , incrementant cwnd per cada ACK duplicat addicional. En rebre l'ACK que confirma noves dades, s'assigna i es continua directament en Congestion Avoidance. 3 ssthresh = 2 cwnd cwnd = ssthresh + 3 MSS cwnd = ssthresh Protocols de Transport: ARQ, UDP i TCP - Resum i Fórmules 13 Càlcul adaptatiu de l'RTO (Retransmission Timeout) El temporitzador de retransmissió (RTO) ha d'ajustar-se a les condicions dinàmiques del camí físic: Si l'RTO és massa petit, s'esgotarà abans que arribin les respostes legítimes, provocant retransmissions innecessàries i malbaratant recursos.

Si l'RTO és massa gran, el sistema reaccionarà lentament davant pèrdues reals, deixant la connexió aturada i perjudicant el rendiment global. TCP mesura de forma continuada el retard de trajecte (RTT) i calcula un RTO adaptatiu segons el criteri general: Aquest marge de seguretat depèn directament de la dispersió o variabilitat del RTT.

Taula comparativa final: UDP enfront de TCP Els dos protocols de transport de la família TCP/IP presenten característiques tècniques totalment diferenciades per adaptar-se a les necessitats de cada servei d'aplicació: Característica funcional Protocol UDP Protocol TCP Orientat a connexió No Sí Garantia de fiabilitat No Sí Conservació de l'ordre No garantit Garanteix lliurament ordenat de bytes Mecanisme de retransmissions No Sí Control de flux No Sí (mitjançant rwnd) Control de congestió No Sí (mitjançant cwnd) Mida de capçalera 8 bytes fixos Mínim 20 bytes (fins a 60 bytes amb opcions) Àmbits d'ús típics DNS, VoIP, vídeo en temps real, jocs Navegació web, SSH, correu electrònic, transferència de fitxers COMPROVA-HO 21 Quina és la funció de la pseudocapçalera IP durant el càlcul del camp Checksum a TCP?

RTO = RTT estimat + marge de seguretat Protocols de Transport: ARQ, UDP i TCP - Resum i Fórmules 14 PROCÉS Evolució de cwnd al control de congestió 1 Slow Start (inici) cwnd = 1 MSS; creixement exponencial duplicant a cada RTT. 2 Assoliment de ssthresh Quan cwnd arriba al llindar, es canvia d'estratègia. 3 Congestion Avoidance Creixement lineal sumant 1 MSS per cada RTT complet. 4 Gestió de pèrdues Timeout reinicia a 1 MSS; 3 ACKs duplicats fan Fast Recovery. IDEES CLAU La finestra efectiva d'emissió està limitada simultàniament pel receptor (rwnd) i per la xarxa (cwnd).

Slow Start duplica la mida de la finestra a cada RTT, mentre que Congestion Avoidance incrementa la finestra a raó d'1 MSS per RTT de forma lineal. Un timeout reflecteix congestió severa i reinicia la finestra a 1 MSS, mentre que tres ACKs duplicats activen Fast Retransmit i Fast Recovery sense caure a 1 MSS. L'RTO és adaptatiu i s'ajusta contínuament mesurant l'RTT estimat i la seva variabilitat per evitar timeouts prematurs o innecessaris. COMPROVA EL QUE HAS APRÈS 22. Com calcula TCP la finestra efectiva d'enviament a partir de rwnd i cwnd? 23. Què desencadena l'algoritme Fast Retransmit a TCP i quina acció pren immediatament? Test Encercla la resposta correcta. Les solucions són al final.

24. Quin tipus de creixement té la finestra de congestió (cwnd) durant la fase de Slow Start? 25. A quin valor passa la finestra cwnd immediatament després d'un esgotament de temporitzador (timeout)? 26. Quants ACKs duplicats consecutius activen l'execució de l'algoritme Fast Retransmit?

Lineal a raó de +1 MSS per RTT a) Exponencial per cada RTT b) Constant sense cap canvi c) Inversament proporcional a ssthresh d) A cwnd = ssthresh + 3 MSS a) A cwnd = 1 MSS b) A la meitat del valor previ c) Al valor màxim permès per rwnd d) Cap, només s'activa per timeout a) 3 ACKs duplicats b) Exactament 10 ACKs duplicats c) 1 sol ACK duplicat d) Protocols de Transport: ARQ, UDP i TCP - Resum i Fórmules 15 27. De què depèn principalment el marge de seguretat utilitzat en el càlcul de l'RTO adaptatiu?

4 Formulari Càlculs temporals i eficiència en protocols ARQ Fórmula o procediment Què significa cada símbol Quan s'utilitza : temps de transmissió, : longitud de la PDU (bits), : velocitat de transmissió (bps). Càlcul del temps necessari per injectar una PDU al canal físic. : temps de propagació, : distància física de l'enllaç, : velocitat del senyal pel medi. Càlcul del temps que triga el senyal a recórrer el medi. : eficiència temporal del canal, : temps de transmissió de l'ACK. Avaluació del rendiment complet del cicle a Stop and Wait. : factor de retard normalitzat respecte al temps de transmissió. Aproximació d'eficiència a Stop and Wait quan .

Finestra òptima i dimensionament de l'enllaç Fórmula o procediment Què significa cada símbol Quan s'utilitza BDP: Producte amplada de banda per retard (bits o bytes), RTT: Round Trip Time (temps d'anada i tornada). Determinació de la mida òptima de la finestra de transmissió per saturar l'enllaç sense deixar el canal ociós. Control de flux i finestra a TCP Fórmula o procediment Què significa cada símbol Quan s'utilitza rwnd: Receive Window (anunciada pel receptor, control de flux), cwnd: Congestion Window (estimada per l'emissor, control de congestió). Càlcul del límit màxim de dades en trànsit que l'emissor TCP pot transmetre sense rebre ACK.

De la distància de la xarxa local a) De la mida total de la capçalera UDP b) De la quantitat de ports tancats c) De la variabilitat del RTT mesurat d) t = t v t L t t t L t v t t = p v p D t p D v p E = t +t +2t t a p t t E t a E 1+2a 1 a = t t t p t a 0 BDP = amplada de banda × RTT finestra efectiva = min(rwnd, cwnd) Protocols de Transport: ARQ, UDP i TCP - Resum i Fórmules 16 Algoritmes de control de congestió a TCP Fórmula o procediment Què significa cada símbol Quan s'utilitza Inici amb Increment d' per ACK rebut ( per RTT) S'atura si o per pèrdua MSS: Maximum Segment Size, ssthresh: Slow Start Threshold. Fase de Slow Start (creixement exponencial de la finestra d'injecció).

per cada RTT complet Creixement additiu lineal de la finestra de congestió. Fase de Congestion Avoidance ( ). Retorn a Slow Start Reacció a congestió severa detectada per venciment del temporitzador. Gestió de pèrdues detectades per Timeout. 3 ACKs duplicats Retransmissió immediata del segment perdut Increment d' per ACK duplicat addicional En rebre nou ACK: Congestion Avoidance Retransmissió ràpida sense esperar temporitzador complet i recuperació de finestra. Algoritmes Fast Retransmit i Fast Recovery davant pèrdues lleugeres. RTO: Retransmission Timeout, temps d'espera abans de declarar un paquet perdut. Càlcul adaptatiu del temporitzador de retransmissió a TCP.

Procediments de connexió i desconnexió a TCP Fórmula o procediment Què significa cada símbol Quan s'utilitza Client envia SYN ( ) Servidor respon SYN+ACK ( ) Client confirma amb ACK ( ) Handshake en 3 vies; SYN consumeix 1 número de seqüència. Obertura formal d'una connexió TCP (passa d'estat LISTEN/SYN-SENT a ESTABLISHED). Extrem A envia FIN Extrem B respon ACK Extrem B envia FIN Extrem A respon ACK Tancament en 4 passos; FIN consumeix 1 número de seqüència i pot dur càrrega útil. Tancament ordenat d'una connexió bidireccional TCP. Paràmetres constants i errors típics Paràmetres i mides clau: Velocitat de propagació estàndard en cable de coure: .

Capçalera UDP: mida fixa de 8 bytes (ports de 16 bits, longitud de 16 bits i checksum de 16 bits). cwnd = 1 MSS 1 MSS ×2 cwnd ssthresh cwnd = cwnd + 1 MSS cwnd ssthresh ssthresh = 2 cwnd cwnd = 1 MSS ssthresh = 2 cwnd cwnd = ssthresh + 3 MSS 1 MSS cwnd = ssthresh RTO = RTT estimat + marge(variabilitat RTT) seq = x seq = y, ack = x + 1 ack = y + 1 v p 2 × 10 m/s 8 Protocols de Transport: ARQ, UDP i TCP - Resum i Fórmules 17 Capçalera TCP: mida base de 20 bytes (fins a 60 bytes amb camp d'opcions). Errors típics a evitar: Confondre control de flux (protegeix el receptor davant saturació del seu buffer) amb control de congestió (protegeix els encaminadors i la infraestructura de xarxa).

Creure que el número de seqüència (SEQ) de TCP compta segments; compta bytes transmesos sobre el flux continu. Assumir que qualsevol pèrdua reinicia la finestra a 1 MSS; només ho fa el Timeout. Davant 3 ACKs duplicats s'executa Fast Recovery i la finestra es redueix aproximadament a la meitat. Protocols de Transport: ARQ, UDP i TCP - Resum i Fórmules 18 Solucions de les preguntes de repàs 1. Perquè el temps d'aturada de l'emissor depèn principalment del viatge d'anada i tornada del senyal (retard de propagació), i no de la velocitat a la qual s'injecten els bits al medi. 2. En augmentar la distància creix el temps de propagació i per tant el paràmetre normalitzat a.

En conseqüència, l'eficiència disminueix dràsticament, ja que l'emissor passa la major part del temps bloquejat esperant l'arribada de l'ACK. 3. L'emissor esgotaria la finestra i hauria d'aturar l'enviament de dades mentre espera els assentiments, de manera que el canal físic quedaria ociós i el rendiment cauria per sota del potencial màxim de la línia. 4. Perquè si es perd una confirmació d'arribada (ACK), l'emissor reenviarà la PDU anterior; sense el bit alternant de seqüència (0 o 1), el receptor no podria distingir si es tracta d'una duplicació o d'un paquet nou. 5.

Go-Back-N requereix un receptor sense memòria d'ordenació que només accepta PDU estrictament consecutives, mentre que la retransmissió selectiva exigeix un buffer per emmagatzemar dades rebudes fora d'ordre. 6. b) Impedir que l'emissor saturi el receptor. El control de flux protegeix directament la capacitat de processament i memòria del receptor davant d'un emissor massa ràpid. 7. a) Aproximadament un 30-33%. Substituint a = 1 a l'expressió 1/(1+2a), s'obté 1/3, que representa aproximadament un 33% (o prop del 30%). 8. a) Només una única PDU. Stop and Wait només transmet una PDU i s'atura completament fins que rep l'ACK corresponent. 9. d) La descarta directament.

El receptor Go-Back-N només admet segments en ordre estricte i rebutja qualsevol unitat que arribi desordenada. 10. Perquè TCP ofereix una connexió bidireccional completa (full-duplex) i cada sentit de la transmissió s'ha de cloure de forma independent quan l'emissor corresponent no té més dades per transmetre. 11. Aquestes aplicacions prioritzen la immediatesa i la baixa latència; esperar la retransmissió de paquets perduts causaria talls i retards inacceptables per a la comunicació en temps real. 12. El valor de l'ACK serà 5001, ja que el flag SYN consumeix un número de seqüència simbòlic i el camp ACK indica el proper byte que s'espera rebre. 13.

La capçalera d'UDP conté exactament quatre camps de 16 bits cadascun: Source Port, Destination Port, Length i Checksum. 14. El segment següent començarà amb el número de seqüència SEQ = 3400, ja que TCP numera cada byte de forma consecutiva. 15. d) Exactament 8 bytes. La capçalera d'UDP consta de quatre camps de 16 bits (2 bytes cadascun), sumant exactament 8 bytes. 16. a) IP origen, port origen, IP destí, port destí. La connexió TCP s'identifica de forma exclusiva per les dues adreces IP i els dos ports dels extrems emissors i receptors. 17. c) SYN. El flag SYN (Synchronize) és l'encarregat d'iniciar el procediment d'obertura de sessió a TCP. 18.

a) S'ha rebut fins al byte 1999 i s'espera el 2000. L'assentiment de TCP és acumulatiu i indica el següent byte que l'extrem espera rebre de la comunicació. Protocols de Transport: ARQ, UDP i TCP - Resum i Fórmules 19 19. Perquè Internet té camins heterogenis amb retards d'anada i tornada molt variables; un temps fix seria massa lent per a xarxes locals o massa curt per a enllaços intercontinentals. 20. Tindrà un valor de 16 MSS, ja que durant la fase de Slow Start la finestra es duplica a cada RTT fins a assolir el valor límit establert per ssthresh. 21.

Verificar que el segment TCP no s'hagi lliurat per error a una màquina o port equivocats a causa de la corrupció de les adreces IP o dels camps bàsics del nivell de xarxa. 22. La finestra efectiva és el valor mínim entre les dues variables: . 23. Es desencadena en rebre 3 ACKs duplicats consecutius; l'emissor retransmet immediatament el segment que falta sense esperar que expiri el temporitzador de timeout. 24. b) Exponencial per cada RTT. Durant Slow Start la finestra es duplica de manera aproximada a cada RTT fins a arribar al límit de ssthresh. 25. b) A cwnd = 1 MSS. Un timeout es considera una pèrdua greu i fa que TCP reiniciï la seva finestra de congestió a 1 sol MSS en Slow Start. 26.

b) 3 ACKs duplicats. La recepció de 3 ACKs duplicats consecutius (quatre ACKs idèntics en total) activa directament el mecanisme Fast Retransmit. 27. d) De la variabilitat del RTT mesurat. L'algoritme de càlcul de l'RTO afegeix un marge que creix proporcionalment amb la dispersió o variabilitat dels valors de RTT. finestra efectiva = min(rwnd, cwnd) Protocols de Transport: ARQ, UDP i TCP - Resum i Fórmules 20