Lehrveranstaltung Rechnernetze Einschub für das Labor

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1 Lehrveranstaltung Rechnernetze Einschub für das Labor Sommersemester 2010 Dr. Andreas Hanemann

2 Einordnung der Transportschicht Verbindungen bestehen zwischen zwei Endsystemen Transitnetze bzw. Netzknoten für Transportprotokoll nicht sichtbar Pfad unbekannt (bzw. irrelevant) Virtuelle Verbindung Dr. A. Hanemann: Lehrveranstaltung "Rechnernetze", SS 2010, Laborinformationen 2

3 Beispieldarstellung Schichten Internet/Ethernet Anwendungsschicht User Program Telnet Server FTP Server ( ) ( ) ( 23 ) ( 21 ) Transportschicht or IP broadcast Netzwerkschicht Sicherungsschicht Ports UDP IP TCP ( 17 ) ( 6 ) ( ) ( 06 ) type Ethernet or FF-FF-FF-FF-FF-FF Physikalische Schicht (Kupferkabel, LWL) Dr. A. Hanemann: Lehrveranstaltung "Rechnernetze", SS 2010, Laborinformationen 3

4 Einordnung der UDP und TCP Protokolle Netzschicht (Schicht 3) ermöglicht Vermittlung über Zwischensysteme Ende zu Ende Kommunikation wird erreicht Transport der Daten über das Netz soll für Anwendungen ermöglicht werden (Schicht 4) Abstraktion von Eigenschaften des Netzes (Technologie, Design) Benutzer zu Benutzer Verbindung Globaler Adressraum für Teilnehmer Wahlmöglichkeiten der Dienstgüte Dr. A. Hanemann: Lehrveranstaltung "Rechnernetze", SS 2010, Laborinformationen 4

5 User Datagram Protocol (UDP) Sehr einfaches Transportprotokoll Definiert in RFC 768, August 1980 Geringer Overhead (quasi IP auf der Transportebene ) Multiplexen / Demultiplexen von Anwendungsprozessen über das Netzwerk Einfache Fehlerkontrolle Keine Verbindung, keine Zuverlässigkeit Simplex Protokoll verhält sich unfair, insbesondere im Verhältnis zu TCP Nicht beim Senden keine Rücksicht auf anderen Datenverkehr Dr. A. Hanemann: Lehrveranstaltung "Rechnernetze", SS 2010, Laborinformationen 5

6 Eigenschaften von UDP Keine Verbindungsaufbauphase Verzögerung bis zum Aufbau einer Verbindung entfällt Daten können sofort gesendet werden Kein Verbindungszustand Im Endsystem müssen keine verbindungsrelevanten Informationen gehalten werden z.b. keine Flusskontrollfenster, Staukontrollfenster, Sequenznummern Ein Server kann mittels UDP typischerweise mehr aktive Clients unterstützen als mit TCP Geringer Overhead in der Dateneinheit Lediglich Adressen sowie Längenfeld und Prüfsumme Unreguliertes Senden UDP kann Daten so schnell senden wie sie von der Anwendung geliefert werden und wie sie vom Netz abgenommen werden Verluste möglich Dr. A. Hanemann: Lehrveranstaltung "Rechnernetze", SS 2010, Laborinformationen 6

7 Transmission Control Protocol (TCP) TCP ermöglicht eine zuverlässige Übertragung eines Bytestroms zwischen zwei Anwendungen über einen unzuverlässigen Vermittlungsdienst Definiert in RFC 793, September 1981 TCP wurde so entworfen, dass es sich dynamisch an die Eigenschaften des Internet (z.b. heterogene Topologien, schwankende Bandbreiten) anpasst Verbindungsverwaltung Verbindungsaufbau zwischen zwei Sockets Verbindungsendpunkt innerhalb des Dienstzugangspunkts zur Transportschicht (TSAP) Verwendung von Three Way Handshake (gegenseitige Bestätigungen) Datentransfer über eine virtuelle Verbindung Gesicherter Verbindungsabbau Alle übertragenen Daten müssen quittiert sein Multiplexen Mehrere Verbindungen der Transportschicht können über eine Ende zu Ende Verbindung laufen Dr. A. Hanemann: Lehrveranstaltung "Rechnernetze", SS 2010, Laborinformationen 7

8 Eigenschaften von TCP Datenübertragung Duplex Fehlerkontrolle Mittels Sequenznummern, Prüfsumme, Quittierung, Übertragungswiederholung im Fehlerfall Reihenfolge, Flusskontrolle (durch Fenstermechanismus) und Staukontrolle Unterstützung von Prioritäten (in Realität selten verwendet) Zeitbehaftete Daten Falls die Auslieferung in bestimmter Zeit nicht möglich ist, wird der Dienstbenutzer informiert Fehleranzeige Treten während der Verbindung Störungen auf, wird der Benutzer darüber in Kenntnis gesetzt Dr. A. Hanemann: Lehrveranstaltung "Rechnernetze", SS 2010, Laborinformationen 8

9 Einbettung von TCP/IP in Ethernet Dr. A. Hanemann: Lehrveranstaltung "Rechnernetze", SS 2010, Laborinformationen 9

10 Sockets bei TCP Ende zu Ende Verbindung an Dienst bzw. Applikation gebunden Socket: Endpunkt für Kommunikation beschrieben durch Schicht 3 Adresse und Portnummer wird erzeugt von und gehört einem Prozess bietet Schnittstelle für zuverlässige Byte Übertragung Verbindung gegeben durch ein Socket Paar Dr. A. Hanemann: Lehrveranstaltung "Rechnernetze", SS 2010, Laborinformationen 10

11 Staukontrolle bei TCP (1) Ansatz: Einführung eines Überlastfensters (Congestion Window) Jede Seite unterhält Variablen: MSS (Maximum Segment Size): max. Datenmenge pro Segment CongWin (Überlastfenster): steuert Einspeisung ins Netz: LastByteSent LastByteAcked <= min(congwin, RcvWin) Threshold: obere Schranke für schnelles Wachstum von CongWin Wichtig: Retransmission Timer (bzgl. nicht bestätigter Segmente) Effektives Fenster: Minimum aus Empfangsfenster und Überlastfenster Slow Start: Fenstergröße zu Anfang klein wählen Congestion Avoidance: Timerüberläufe führen zur Reduktion der Senderate Dr. A. Hanemann: Lehrveranstaltung "Rechnernetze", SS 2010, Laborinformationen 11

12 Staukontrolle bei TCP (2) Slow Start Phase Beginn: CongWin=MSS Segment wird vor dessen Timerablauf bestätigt > Verdoppelung von CongWin, solange CongWin < Threshold Threshold erreicht > Ende Slow Start Phase Congestion Avoidance Phase CongWin wächst alle RTD linear weiter, solange Quittung vor Timeout eintrifft Timeout erfordert Zurücksetzen von Threshold auf 0,5 CongWin und CongWin=1 MSS TCP Übertragungsrate (mittlerer Durchsatz): 0,75 W MSS/RTD, wobei W max. Überlastfenster vor Verlustsituation TCP-Variante Tahoe Dr. A. Hanemann: Lehrveranstaltung "Rechnernetze", SS 2010, Laborinformationen 12

13 Socket Dienstprimitive bei TCP Dr. A. Hanemann: Lehrveranstaltung "Rechnernetze", SS 2010, Laborinformationen 13

14 Beispielcode (1) Internet File Server: Code für den Client bei Verwendung von Sockets Dr. A. Hanemann: Lehrveranstaltung "Rechnernetze", SS 2010, Laborinformationen 14

15 Beispielcode (2) Internet File Server: Code für den Server bei Verwendung von Sockets Dr. A. Hanemann: Lehrveranstaltung "Rechnernetze", SS 2010, Laborinformationen 15

16 Header von UDP und TCP Dr. A. Hanemann: Lehrveranstaltung "Rechnernetze", SS 2010, Laborinformationen 16

17 Felder im TCP Header (1) Source Port/Destination Port (je 16 Bit) Felder als Endpunkte einer virtuellen Verbindung, logische Kanalnummer innerhalb eines Host Standard Portnummern für bekannte Dienste wie TELNET 23, FTP 21, SMTP 25, HTTP 80 Sequence Number (32 Bit) Sendezählernummer, Anzahl gesendeter Bytes Acknowledgement Number (32 Bit) Empfangszählernummer, Quittierung in Anzahl empfangener Bytes Data Offset (4 Bit) Länge des Kopfes in 32 Bit Worten Flags (12 Bit) Bit 6 URG Urgent Pointer ist gültig Bit 5 ACK Quittungsnummer ist gültig Bit 4 PSH Daten sofort zur Anwendung geben Bit 3 RST Rücksetzen der Verbindung oder Antwort auf ungültiges Segment Bit 2 SYN Verbindungsaufbau Wunsch, muss quittiert werden Bit 1 FIN einseitiger Verbindungsabbau, muss quittiert werden Dr. A. Hanemann: Lehrveranstaltung "Rechnernetze", SS 2010, Laborinformationen 17

18 Felder im TCP Header (2) Receive Window (16 Bit) Fenstergröße, Anzahl Bytes, die der Empfänger in seinem Datenpuffer augenblicklich aufnehmen kann Bei 0 würde der Sender die Übertragung anhalten. Sliding Window Mechanismus: Flusskontrolle durch den Empfänger. Der Empfänger steuert den Sender Checksum (16 Bit) Prüfsumme für Protokollkopf, Daten und für Pseudo Protokollkopf (Auszug aus IP Kopf an TCP übergeben): Internet Source und Destination Address, Null, Transport Protocol, Länge des Paketes (dient zur Überwachung) Urgent Data Pointer (16 Bit) Sequenznummer und Zeiger weisen auf ein Datenbyte hin, auf das besonders wichtige Daten folgen Options (variable Länge) z.b. Maximum Segment Size, wird beim Verbindungsaufbau verwendet und dient zum Empfang von Segmenten größer als 536 Byte. Dr. A. Hanemann: Lehrveranstaltung "Rechnernetze", SS 2010, Laborinformationen 18

19 Eigenschaftenvergleich Eigenschaft UDP TCP Segmentierung/Wiederzusammensetzung ja Einbettung ja ja Verbindungskontrolle ja Reihenfolgekontrolle bei Auslieferung ja Flusskontrolle ja Fehlerkontrolle Erkennung von Bitfehlern Multiplexing/Demultiplexing ja ja Erkennung von Bitfehlern und Paketverlusten Zusätzlich in TCP implementiert: Congestion Control (Staukontrolle) passt Sendeleistung der auf dem Link verfügbaren Kapazität an Ziel ist ein faire Nutzung von verfügbaren Ressourcen, d.h. über jede Verbindung soll gleich viel gesendet/empfangen werden können Dr. A. Hanemann: Lehrveranstaltung "Rechnernetze", SS 2010, Laborinformationen 19

20 Exponentialfunktion Definition Zufallsvariable x genügt der Exponentialverteilung Exp(λ) mit positiven reellen Parameter λ, wenn sie die folgende Wahrscheinlichkeitsdichte besitzt Verwendung z.b. Halbwertszeit bei radioaktiven Elementen Modellierung von Kommunikation (Anwendung im Labor Dr. A. Hanemann: Lehrveranstaltung "Rechnernetze", SS 2010, Laborinformationen 20

21 Visualisierung der Exponentialverteilung Dichte und Verteilungsfunktion der Exponentialverteilung Dr. A. Hanemann: Lehrveranstaltung "Rechnernetze", SS 2010, Laborinformationen 21

22 Erzeugung exponentialverteilter Zufallszahlen Verwendung der sog. Inversionsmethode Konvertierung von Standardzufallszahlen in exponentiell verteilte Zufallszahlen mit der Inversen der Verteilungsfunktion x i : exponentiell verteilte Zufallszahlen u i : Standardzufallszahlen aus Bereich [0;1] Dr. A. Hanemann: Lehrveranstaltung "Rechnernetze", SS 2010, Laborinformationen 22

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