TCP Sliding Window Protokoll

Transkript

1 TCP Sliding Window Protokoll Sendende Anwendung Empfangende Anwendung LastByteWritten TCP LastByteRead TCP LastByteAcked LastByteSent NextByteExpected LastByteRcvd Sendepuffer Empfangspuffer p MaxSendBuffer = Größe des Sendepuffers MaxRcvBuffer = Größe des Empfangspuffers SS 2012 Grundlagen der Rechnernetze Transportschicht 11

2 Tafelanschrieb SS 2012 Grundlagen der Rechnernetze Transportschicht 12

3 Der Fall AdvertisedWindow = 0 Empfänger Sender Empfänger Sender AdvertisedWindow=0 AdvertisedWindow=0 Empfangspuffer wird idgeleert und Empfänger sendet nichts an den Sender zurück. Annahme: Sender sendet ab hier nicht weiter Empfangspuffer wird idgeleert Segment derlänge 1 und Empfänger sendet nichts an den Sender AdvertisedWindow=0 dwi d zurück. Probing mit Segment der Länge 1 Woher weis der Sender, dass wieder Platz im Empfängerpuffer ist?!? Segment derlänge 1 AdvertisedWindow=1200 SS 2012 Grundlagen der Rechnernetze Transportschicht 13

4 Wann soll ein Segment versendet werden? TCP verwaltet eine Variable Maximum Segment Size (MSS) MSS = MTU des lokalen Netzes minus TCP und IP Headergröße Versende Segment auf jeden Fall sobald mindestens MSS viele neue Bytes vorliegen oder der sendende Prozess explizit darum bittet (push) Was sonst? Warum nicht aggressiv immer sofort senden? SS 2012 Grundlagen der Rechnernetze Transportschicht 14

5 Sofortiges Senden bedeutet unnötiger Overhead Sendepuffer leer 2 Bytes erzeugt Sender Empfänger 7 Bytes erzeugt 3 Bytes erzeugt Segment mit ein paar wenigen Bytes bedeutet unnötiger Overhead. Versendet werden muss: Daten + IP Header + TCP Header. Effekte wie diesen, in denen unnötig kleine Pakete versendet werden, nennt man auch Silly Window Syndrom. Besser wäre es doch zu warten, bis der Puffer wieder gut gefüllt ist. Wie lange sollte man warten? SS 2012 Grundlagen der Rechnernetze Transportschicht 15

6 Nagle s Algorithmus Routine, die von TCP ausgeführt wird, wenn die sendende Applikation neue Daten produziert hat: if verfügbare Daten und Window >= MSS then sende volles Segment else if nicht-acked Data unterwegs then puffere die Daten bis Ack ankommt else sende alle neuen Daten jetzt endif endif (Die Vorgehensweise von Nagle s Lösung nennt man auch selfclocking.) SS 2012 Grundlagen der Rechnernetze Transportschicht 16

7 Reübertragung bei TCP der ersten Stunde TCP Sender TCP Empfänger Segment Wie lange warten, bis das Segment reübertragen wird? * Erste TCP Implementierungen verwenden das zweifache der RTT. Woher kennt man die RTT? SS 2012 Grundlagen der Rechnernetze Transportschicht 17

8 Ermitteln der RTT Wie misst man die RTT (hier bezeichnet als SampleRTT)? Verwendeter RTT ergibt sich als gleitender Mittelwert über die einzelnen Samples: Einfluss von? TCP verwendet zwischen 08und 0,8 09 0,9. SS 2012 Grundlagen der Rechnernetze Transportschicht 18

9 Problem: Zuordnung von ACKs Sender Empfänger Sender Empfänger SampleRTT zu lang SampleRTT zu kurz Karn/Patridge Algorithmus: /Ptid ith Ignoriere einfach hdie Segmente, die reübertragen wurden. Darüber hinaus: wann immer ein Segment reübertragen werden musste: Timeout = 2*Timeout (Exponential Backoff) SS 2012 Grundlagen der Rechnernetze Transportschicht 19

10 Einbeziehen der Varianz Warum eigentlich Timeout für Reübertragung = 2*EstimatedRTT? RTT ist variabel, d.h. man sollte einen Sicherheitsabstand (hier eine zusätzliche RTT) einhalten. Aber wieso ist genau eine zusätzliche RTT gut? Besser: berücksichtige die Varianz der RTT Messungen. Jacobson/Karels Algorithmus: Betrachte te SampleRTT wie vorhin und berechne: ec e ist hierbei zwischen 0 und 1, =1 und = 4 typischerweise SS 2012 Grundlagen der Rechnernetze Transportschicht 20

11 Diskussion Bandbreite T1 (1,5 Mbps) Ethernet (10 Mbps) T3 (45 Mbps) Fast Ethernet (100 Mbps) OC 3 (155 Mbps) OC 12 (622 Mbps) OC 48 (2,5 Gbps) Zeit bis Sequenznummern verbraucht sind 6,4 Stunden 57 Minuten 13 Minuten 6 Minuten 4 Minuten 55 Sekunden 14 Sekunden Bandbreite T1 (1,5 Mbps) Ethernet (10 Mbps) T3 (45 Mbps) Fast Ethernet (100 Mbps) OC 3 (155 Mbps) OC 12 (622 Mbps) OC 48 (2,5 Gbps) Delay Bandbreiten Produkt für beispielsweise 100 ms RTT 18 KB 122 KB 549 KB 1,2 MB 1,8 MB 7,4 MB 29,6 MB Kurze Wraparound Zeit kann problematisch werden, wenn der Delay und Bandbreite groß sind. Alte Segmente interferieren mit aktuellen. Lösungen? TCP Erweiterungen... Das Sendefenster erlaubt mit 16 Bit AdvertisedWindow Werten, Werten dass maximal 64KB Daten unterwegs sind. Somit wird bei großem Delay eine große verfügbare Bandbreite kaum genutzt. SS 2012 Grundlagen der Rechnernetze Transportschicht 21

12 TCP Erweiterungen 32 Bit Timestamp Speichere Sendezeit in Segment Wiederhole die Zeit im ACK Berechne RTT bei ACK Empfang Sender braucht keine Timestamps zu verwalten. Die sind im Netz Nt gespeichert. ih 32 Bit Sequenznummern: Lösung der vorhin beschriebenen kurzen Wraparound Zeiten Verwende oben beschriebenen Timestamp Segmente mit gleichen SequenceNum Werten sind anhand des Timestamp unterscheidbar SrcPort DstPort SequenceNum Acknowledgment HdrLen 0 Flags AdvertisedWindow Checksum UrgPtr Options (variable) Data Erinnerung: TCP Header SS 2012 Grundlagen der Rechnernetze Transportschicht 22

13 TCP Erweiterungen Scaling Factor für das 16 Bit Advertised Window Lösungdervorhin beschriebenen Ineffizienz bei hohem Delay Bandbreitenprodukt AdvertisedWindow Wert dwi d W twird idmit dem Scaling Factor multipliziert SrcPort DstPort SequenceNum Acknowledgment HdrLen 0 Flags AdvertisedWindow Checksum UrgPtr Options (variable) Selective ACK (SACK) Verbesserung des kummulativen ACK Data von TCP. Neben dem gewöhnlichen Acknowledgement speichert das Optionale Feld zusätzliche LastByteRead Acknowledgements für die nicht aufeinander folgenden Segmente Senderbrauchnurnochdie nur noch die Lückenzu reübertragen NextByteExpected LastByteRcvd SS 2012 Grundlagen der Rechnernetze Transportschicht 23

14 TCP Überlastkontrolle SS 2012 Grundlagen der Rechnernetze Transportschicht 24

15 Motivation Bisher haben wir die Flusskontrolle besprochen: Regulieren der Senderate, um eine Überlastung des Empfängers zu vermeiden. Wir interessieren uns nun für die Überlastkontrolle: Regulieren der Senderate, um eine Überlastung des ganzen Netzes zu vermeiden. DieTCP TCP Flusskontrolle verwendet (wieschon gezeigt) das EffectiveWindow: es dürfen nur EffectiveWindow viele weitere Bytes versendet werden. Versenden von weiteren Bytes verkleinert das EffectiveWindow Empfang von Acknowledgements vergrößert das Window wieder Das EffectiveWindow kann auch für die Überlastkontrolle verwendet werden:... SS 2012 Grundlagen der Rechnernetze Transportschicht 25

16 EffectiveWindow für Fluss und Überlastkontrolle Annahme in der Variable CongestionWindow steht, wie viel Bytes das Netz im Transit erlaubt. Setze das EffectiveWindow wie folgt: Aber woher lernt TCP das CongestionWindow? Additive Increase / MultiplicativeDecrease (AIMD): Sender halbiert das Fenster, wenn er Überlast vermutet Sonst vergrößere das Fenster um eine MSS pro RTT Das Fenster darf aber nie kleiner als eine MSS werden Wie kann man Überlast vermuten? Wann immer ein Timeout für ein ausstehendes ACK stattfindet. SS 2012 Grundlagen der Rechnernetze Transportschicht 26

17 Additive Increase Beispiel Source Destination Inkrement pro RTT: RTT Erhöhe um eine MSS Inkrement pro ACK? RTT Erhöhe um eine MSS RTT Erhöhe um eine MSS Sei c die alte Länge des CongestionWindow. Nach einem RTT Durchlauf ist: SS 2012 Grundlagen der Rechnernetze Transportschicht 27

18 Ein typisches AIMD Muster Größe nwindowongestion Co Zeit SS 2012 Grundlagen der Rechnernetze Transportschicht 28

19 Slow Start Starte mit einem CongestionWindow der Länge MSS. Erhöhe CongestionWindow um eine MSS pro ACK. Somit wird das CongestionWindow pro RTT wie weit erhöht? Source Destination RTT RTT RTT Warum heißt das eigentlich Slow Start? Historischer Grund: In TCP Anfängen wurde zum Starten direkt mit einem großen CongestionWindow gestartet. t t SS 2012 Grundlagen der Rechnernetze Transportschicht 29

20 Wann beginnt und endet der Slow Start? Wenn eine Verbindung neu hergestellt wurde. Setze CongestionWindow auf eine MSS Beginne Slow Start Wechsele in AdditiveIncrease sobald ein bestimmter Schwellwert (CongestionThreshold) überschritten wurde Wenn ein Timeout stattgefunden hat CongestionThreshold = CongestionWindow/2 (man merkt sich also den CongestionWindow nach dem durhc den Timeout ausgelösten MultiplicativeDecrease) Setze CongestionWindow auf eine MSS Beginne Slow StartStart Wechsele in AdditiveIncrease sobald der Schwellwert CongestionThreshold überschritten wurde SS 2012 Grundlagen der Rechnernetze Transportschicht 30

21 Ein Beispiel Bildquelle: Andrew S. Tanenbaum, Computer Networks, Fourth Edition, 2003 SS 2012 Grundlagen der Rechnernetze Transportschicht 31

22 Fast Retransmit Erinnerung: ACKS sind kummulativ (d.h. bestätigen die bisher vollständig zusammenhängende Sequenz von Segmenten) Verlorene Sequenz führt zu duplicate ACKs. Fast Recovery: Warte nicht auf Timeout, sondern reübertrage ein Segment, nach drei aufeinander folgenden Duplicate ACKs. Sender Empfänger Paket 1 Paket 2 Paket 3 Paket 4 ACK 1 * ACK 2 Paket 5 Paket 6 Paket 3 (retransmit) ACK 2 ACK 2 ACK 2 ACK 6 SS 2012 Grundlagen der Rechnernetze Transportschicht 32

23 Die TCP Variante mit Fast Recovery Slow Start nur, wenn die TCP Verbindung neu aufgebaut wurde. Bei Timeout lediglich CongestionWindoe wie üblich halbieren. Aber keinen Slow Start, sondern gewöhnlichen AdditiveIncrease. SS 2012 Grundlagen der Rechnernetze Transportschicht 33

24 TCP Überlastvermeidung SS 2012 Grundlagen der Rechnernetze Transportschicht 34

25 Motivation TCP implementiert Überlastkontrolle, d.h. erst wenn Segmente auf den Routern verworfen werden wird an den Quellen die in das Netz gesendete Last reduziert. DieIdee von Überlastvermeidung: reduziere die an den Quellen erzeugte Last schon bevor die ersten Segmente (Pakete) an den Routern wegen voll gelaufener Queues verworfen werden. TCP hat an den Quellknoten keine Mechanismen eingebaut, die eine solche Strategie unmittelbar ermöglicht. Man müsste hierzu TCP durch ein neues Protokoll ersetzen. Idee: Router gaukeln vorzeitig übergelaufene Queues vor, sodass die TCP Quellknoten auch vorzeitig die Last reduzieren und somit keine Überlast an den Routern auftreten kann. SS 2012 Grundlagen der Rechnernetze Transportschicht 35

26 Random Early Detection (RED) Router berechnet regelmäßig die mittlere Queuelänge AvgLen anhand von gemessenen Queuelängensamples SampleLen: Jeder Router hat ein MinThreshold und ein MaxThreshold. Bei Ankunft eines Paketes wird folgender Algorithmus ausgeführt: if AvgLen <= MinThreshold speicher Paket in der Queue e else if AvgLen < MaxThreshold berechne Wahrscheinlichkeit p verwerfe das Paket mit der Wahrscheinlichkeit p else verwerfe das Paket immer SS 2012 Grundlagen der Rechnernetze Transportschicht 36

27 Berechnung der Drop Wahrscheinlichkeit Bestimme die Wahrscheinlichkeit TempP zunächst in Abhängigkeit von AvgLen wie folgt: TempP 1.0 MaxP AvgLen MinThresh MaxThresh D.h. zwischen MinThresh und MaxThresh als Formel: Zähle die Anzahl count der nicht verworfenen Pakete während AvgLen zwischen MinThresh und MaxThresh war und berechne: SS 2012 Grundlagen der Rechnernetze Transportschicht 37

28 TCP Varianten SS 2012 Grundlagen der Rechnernetze Transportschicht 38

29 TCP Varianten TCP existiert/existierte in verschiedenen Varianten TCP Tahoe Ursprüngliche TCP Implementierung des beschriebenen Congestion Control Mechanismus; Control mitausnahme des diskutierten Fast Recovery TCP Reno Unter anderem wurde Fast Recovery hinzugefügt TCP Vegas Beobachtung der RTT auf den sendenden Knoten und proaktive Anpassung des CongestionWindows, um Congestion vorab zu vermeiden SS 2012 Grundlagen der Rechnernetze Transportschicht 39

30 Zusammenfassung und Literatur SS 2012 Grundlagen der Rechnernetze Transportschicht 40

31 Zusammenfassung Die wichtigsten ihi Internet Transportprotokolle kll UDP (keine Aufwertung des IP Best Effort Dienstes) TCP (zuverlässiger Byte StromüberIP) Flusskontrolle und Überlastkontrolle Flusskontrolle findet Ende zu Ende statt Überlastkontrolle betrifft das ganze Netz Design Merkmale Ende zu Ende Argument: realisiere Funktion auf der Schicht, in der diese komplett implementierbar ist TCP funktioniert nach dem Smart Sender/Dumb Receiver Prinzip Eine weitere TCP Stärke: TCP erlaubt Erweiterungen; Hosts müssen sich einigen welche Erweiterungen genutzt werden sollen; Neue TCP Erweiterung erfordert damit nicht im ganzen Internet TCP komplett neu zu installieren Die Unterscheidung zwischen Überlastkontrolle und Überlastvermeidung SS 2012 Grundlagen der Rechnernetze Transportschicht 41

32 Literatur [PetersonDavie2007] Larry L. Peterson and Bruce S. Davie, Computer Networks: A Systems Approach, Edition 4, Si 5.1 Simple Demultiplexer l (UDP) Segment Format Connection Establishement and Termination Sliding Window Revisited Triggering Transmission Adaptive Retransmission Record Boundaries 528TCP Et Extensions Additive Increase/Multiplicative Decrease Slow Start Fast Retransmit and Fast Recovery Random Early Detection (RED) SS 2012 Grundlagen der Rechnernetze Transportschicht 42