Überblick. Anforderungen an die Transportschicht Transmission Control Protocol (TCP) User Datagram Protocol (UDP)

Transkript

1 Transportschicht

2 Überblick Anforderungen an die Transportschicht Transmission Control Protocol (TCP) Eigenschaften TCP Kopf TCP Verbindungen User Datagram Protocol (UDP)

3 Aufgaben der Transportschicht Bereitstellung einheitlicher Dienste für den Anwendungsprozess Transparente Netzwerkübertragung gewährleisten (tieferliegende Protokolle verbergen) Automatische Fehlererholung und Flusskontrolle

4 Anforderungen an die Transportschicht 1. Erweiterung der Endsystemverbindungen zu sicheren Teilnehmerverbindungen 2. Multiplexen von Prozessverbindungen über die gleiche Endsystemverbindung 3. Kontrollierte Datenversendung ggf. mit Priorität periodische zeitgesteuerte Übertragung Füllung von Puffern bestimmte Zeichen in der Datenfolge (<crlf>) 4. Wahlweise Strom- oder Blockdatenübertragung

5 Anforderungen an die Transportschicht 5. Die Übertragung großer Datenblöcke durch Kontrollpunkte sichern 6. Effizienter Verbindungsaufbau mit möglichst geringem Overhead 7. Effiziente, adaptierbare Sicherungsverfahren für unverfälschte Datenübertragung 8. Automatische Fehlererholung

6 Anforderungen an die Transportschicht 9. Effiziente Realisierung spezieller Diensttypen wie Einzelne Nachricht gesichert an einen anderen Prozess senden (Alarm, Notification) Einzelne Nachricht gesichert an mehrere andere Prozesse senden (Broadcast bzw. Multicast) Transaktionsunterstützung (nur Anfrage mit Antwort, z.b. Datenbanken oder HTTP)

7 Anforderungen an die Transportschicht 10. Sicherung gegen Mithören 11. Sicherung gegen absichtliche Verfälschung 12. Anpassbare Blocklängen im Vermittlungsdienst 13. Anpassbare Fehlererkennungswahrscheinlichkeit 14. Managebarkeit 15. Mehrpunktverbindung

8 Anforderungen an die Transportschicht Diese Anforderungen sind nur zum Teil in der Praxis zu finden!

9 Internet Als Transportprotokoll haben sich durch das Internet vor allem TCP und UDP durchgesetzt TCP (Transmission Control Protocol) UDP (User Datagram Protocol)

10 TCP Spezifiziert im RFC 793 Weitere RFCs hierzu 813 Fensterverwaltung 816 Fehlerbehandlung 879 Optimale Segmentgrößen

11 TCP Eigenschaften Verbindungsorientiert Zwischen Stationen wird eine virtuelle Verbindung auf- und wieder abgebaut Duplex-Verbindung Punkt-zu-Punkt TCP überträgt Daten zwischen genau zwei Teilnehmern mit symmetrischen Rechten Zuverlässigkeit Hohes Maß an Schutz gegenüber Verlust und Verfälschung von Daten

12 TCP Eigenschaften Stromorientiert Alle gesendeten Bytes kommen beim Empfänger in der exakt gleichen Reihenfolge an Gepufferte Übertragung Daten werden byteweise an die Kommunikationsinstanz geliefert, welche diese in Paketen sammelt und selbsttätig übermittelt durch einen Push-Mechanismus kann der Sender das System zwingen, alle bisher abgesetzten Daten unverzüglich dem Empfänger abzuliefern

13 TCP Eigenschaften Unstrukturierter Strom Die Anwendungsprozesse müssen die Struktur ihres Datenstroms selbst vereinbaren und überwachen (keine Segmentierung durch TCP) Zuverlässiger Verbindungsauf- und abbau Jede Station kann eigenständig Verbindungen abbauen Kurz nacheinander auf- und wieder abgebaute Verbindungen mit der gleichen Portnummer enthalten keine verfälschten Daten

14 TCP Kopf

15 TCP Kopf Die Portnummern dienen der Adressierung zwischen Quell- und Zielrechner Bsp.: telnet (Verbindungsaufbau zum HTTP Port) Die Folgenummer gibt das erste Byte eines jeweiligen Segments im Datenstrom an Die Quittungsnummer zeigt auf das nächste zu erwartende Byte und bestätigt somit alle Empfangenen

16 TCP Kopf Offset zählt die 32-Bit Worte des Kopfes, damit wird die variable Länge der Optionen berücksichtigt Die 6 Code Bits folgen im Detail Fenster gibt die Größe des Empfangspuffers an, ist dynamisch und dient der Flusskontrolle Die berechnete Prüfsumme wird hier eingetragen Der Vorrangzeiger wird im Zusammenhang mit dem Urgent Bit benötigt (siehe Code Bits)

17 TCP Code Bits

18 TCP Code Bits URG (Urgent) Dient zur Kennzeichnung besonders dringender Daten Ist URG gesetzt, ist der Vorrangzeiger gültig Vorrangzeiger zeigt auf das letzte Byte der dringenden Daten innerhalb des jeweiligen Segments Findet in der Praxis heutzutage jedoch keine Anwendung

19 TCP Code Bits ACK (Acknowledge) Dient der Bestätigung empfangener Daten (meist im Piggyback-Verfahren) PSH (Push) Sender: Daten werden sofort gesendet Empfänger: Daten werden sofort an die höhere Schicht weitergeleitet Anwendung: Interaktionen wie z.b. Telnet

20 TCP Code Bits RST (Reset) Verbindung wird sofort beendet SYN (Synchronize) Dient dem Verbindungsaufbau FIN (Finish) Antrag auf Verbindungsabbau

21 Prüfsumme Die Prüfsumme wird als 1er Komplement über Kopf und die Daten gebildet Es wird jeweils über 16 Bit addiert Ist die Anzahl der Daten ungerade, werden Nulldaten in das Füller-Feld geschrieben Diese Daten werden nicht mit versendet Während der Berechnung wird das Prüfsummen- Feld auf Null gesetzt

22 Prüfsumme Zur Berechnung wird ein Pseudo-Kopf als Prefix mit in die Prüfsumme einberechnet IP Adresse auf TCP Ebene durchbricht Schichtenmodell Vorteil: Fehlgeleitete Pakete können erkannt werden

23 Optionen Aushandeln der Segmentgröße Beide Stationen machen einen Vorschlag, der kleiner Wert wird genommen Als Minimum gilt = 556 Bytes Wird nichts ausgehandelt gilt das Minimum Zeitstempel Dient zur Messung der Umlaufzeiten Instabilitäten können schneller erkannt werden

24 Optionen Fenster Skalierung Kann mit dem initialen SYN Packet eines Verbindungsaufbaus angefragt und ausgehandelt werden Erweitert die maximale Fenstergröße von 2^16 auf 2^32 Bit Besonders sinnvoll in Hochgeschwindigkeitsnetzen Weitere Details sind unter RFC 854 und RFC 1323 zu finden.

25 Fluss- und Überlastkontrolle TCP bietet Flusskontrolle durch Sende- und Empfangsfenster Überlastkontrolle durch dynamische Fenstergröße TCP muss selbst bei Fenstergröße 0 Segmente der Länge 1 akzeptieren Neue Fensterdaten Bestätigungsmitteilung

26 Bestimmung der Fenstergröße Nachteile zu großer Sendefenster Pufferüberlauf beim Empfänger Kann zu exzessiven Wiederholungen führen Nachteile zu kleiner Fenster Overhead ist unnötig groß Kann zu geringeren Übertragungsraten führen

27 Fenstergröße (Flusssteuerung) LetztesByteEmpfangen - LetztesByteGelesen = PufferDaten RCV Fenster = RCV Puffer - PufferDaten PufferDaten stets <= RCV Puffer!

28 Überlaststeuerung Beginn mit kleinem Sendefenster Ist in der Maximum Segment Size (MSS) festgelegt Tritt keine Überlast auf, wird die Größe verdoppelt Ab einem Schwellwert (threshold) nur noch lineares Wachstum (w+1) Dient der Überlastvermeidung (Congestion Avoidance)

29 Überlaststeuerung Bei Überlast (Timeout) erfolgt wird threshold auf halbe aktuelle Fenstergröße gesetz Fenstergröße wird auf MSS zurückgesetzt Prozess beginnt von vorn Wird als Slow Start beszeichnet

30 Timeout Bestimmung Um Verzögerungen durch Timeouts gering zu halten wird Timer stets angepasst Round Trip Time (RTT) wird zunächst mit 2s angenommen Danach wird Retransmission Timeout (RTO) berechnet

31 Timeout Bestimmung SRTT = ( ALPHA * SRTT ) + ((1-ALPHA) * RTT) (Smoothed round trip time) RTO = min[ubound,max[lbound,(beta*srtt)]] mit UBOUND als oberer Grenze (z.b. 1 Minute) und LBOUND als unterer Grenze des Timeouts (z.b. 1s) ALPHA als Glättungsfaktor (z.b. 0,8 bis 0,9) BETA als Verzögerungsvarianz-Faktor (beispielsweise im Bereich 1,3 bis 2,0) Danach gilt also: LBOUND < RTO < UBOUND

32 Timeout Bestimmung

33 Fast Retransmit Implizites NACK TCP stellt eine Lücke im Datenstrom fest DUP-ACK des letzten korrekten Segments 3 gleiche DUP-ACKs entsprechen einem NACK Erneute Sendung des vermissten Segments vor Timerablauf

34 Verbindungsaufbau...

35 ...Ablauf... Nachdem die Sequenznummern ausgehandelt wurden, dienen diese zur Kennzeichnung der Segmente Bsp.: Die MSS (Maxmimum Segment Size) beträgt 1000 Byte Bytes sollen übertragen werden => es werden 50 Segmente übertragen Im Falle einer ISN von 0 wäre die erste Sequenznummer 0, die zweite 1000, dann 2000 usw.

36 ...und Beendigung Client sendet Segment mit gesetztem FIN-Bit ACK vom Server wird erwartet Es können noch Daten vom Server empfangen werden, senden ist hingegen nicht mehr möglich Server sendet FIN-Paket und erwartet ACK vom Client Es wird eine gewisse Zeit gewartet um verzögerte Pakete zu empfangen Danach werden die Ressourcen wieder freigegeben

37 Beispiel einer Übertragung

38 TCP Verbindungen Port Adressen Nachdem der Rechner über die IP Adresse zugeordnet wurde, wird ein Dienst auf diesem Rechner über eine 16 Bit Portadresse angesprochen Konkatenation von IP Adresse und Port Adresse wird als Socket bezeichnet Die Ports sind gruppiert Well-Known Ports Registered Ports Dynamic/Private Ports

39 TCP Verbindungen RFC 1700 Zuordnung der Dienste zu den Portnummern (aktuell unter Unter UNIX/Linux auch in /etc/services zu finden Beispiel Dienst Port FTP-Data 20 FTP Telnet HTTP 80

40 TCP Verbindungen Aktives Öffnen Der Remote Port muss angegeben werden (gewünschter Prozess) Der lokale Port wird meist vom Betriebssystem gewählt Passives Öffnen Prozess ist bereit für eingehenden Ruf Lokaler Port ist bekannt, Remote Port ist unspezifiziert Anfrage auf den lokalen spezifizierten Port führt zum Verbindungsaufbau (häufigste Verwendung: Server)

41 TCP Optimierungen Nagle Algorithmus Anwendung übergibt viele kleine Segmente => unnötiger Overhead Besser: Mehrere kleine Segmente verketten und ein TCP Paket daraus machen Algorithmus betrachtet dafür maximale Haltezeit, Sendepuffer, RTT und Anwendungstyp

42 TCP Optimierungen Silly Window Ein kleiner Teil des erschöpften Empfangsfensters wird frei Sender erhält Mitteilung und sendet nun ein kleines Paket => belastet wieder Empfänger und es werden u.u. nur noch kleine Pakete verschickt Deshalb wird freie Kapazität erst ab einem bestimmten Schwellwert mitgeteilt

43 User/TCP RFC 793 legt Dienste fest, die TCP einem Anwendungsprozess zur Verfügung stellen muss Verbindungsauf und -abbau Statusabfragen (bedingt)

44 Open OPEN (local port, foreign socket, active/passive [, timeout] [, precedence] [, security/compartment] [, options]) -> local connection name Vorgabe für Timeout: 5 Minuten Vorrang- (precedence) und Sicherheitseinstellungen sind von den Nutzrechten abhängig Transmission Control Block (TCB) mit Verbindungsdaten wird angelegt

45 Send SEND (local connection name, buffer address, byte count, PUSH flag, URGENT flag [,timeout]) Bei gesetztem PUSH oder URGENT flag müssen Daten sofort gesendet werden

46 Receive RECEIVE (local connection name, buffer address, byte count) -> byte count, urgent flag, push flag 1. Byte count: Größe des Puffers 2. Byte count: Anzahl der empfangenen Bytes

47 Status STATUS (local connection name) -> status data Optional Status Data enthält (maximal): local socket, foreign socket, local connection name, receive window, send window, connection state, number of buffers awaiting acknowledgment, number of buffers pending receipt, urgent state, precedence, security/compartment, transmission timeout

48 Close CLOSE (local connection name) Veranlasst ein PUSH zur Sendung ausstehender Daten Ausstehende Sendungen werden wie gewohnt zu Ende geführt Anwendungsprozess darf weiterhin Daten empfangen

49 Abort ABORT (local connection name) Alle SEND und RECEIVE Anweisungen werden abgebrochen TCB wird gelöscht Gegenstelle erhält ein RST Je nach Implementierung erhält Anwendung eine ausführliche oder einfache Abbruchmeldung

50 UDP Pakete werden nicht quittiert Scherzhaft auch: Unreliable Datagram Protocol Vorteil: Sehr geringer Overhead Verbindungslos Paketorientiert Spezifiziert in RFC 768

51 UDP Kopf Angabe des Quellports optional, sonst null Zielport gibt den gewünschten Dienst an Länge des gesamten Paketes Maximal also Datenoktette + 8 Kopf Oktette Praktisch aber nur 65507, da nicht mehr Platz im IP Pakete vorhanden ist Prüfsummenfeld

52 UDP Pseudo Kopf Wird dem UDP Paket vorangestellt, um die Prüfsumme zu berechnen (wird nicht mit versendet) Beinhaltet IP Adresse des Senders und des Empfängers Protokollnummer nach RFC 1700 Länge des UDP-Paketes

53 UDP Prüfsumme Berechnung erfolgt in 16 Bit Schritten über den Pseudo-Kopf und das komplette Datagramm Pseudo-Kopf muss auf Empfängerseite neu zusammengestellt werden Addition wird im Einerkomplement durchgeführt Prüfsumme von Null wird mit hex FF eingetragen Ausgeschaltete Prüfsumme wird mit hex 00 gekennzeichnet IP-Adressen im Pseudo-Kopf durchbrechen Protokollstapel

54 TCP und UDP für Anwendungen

55 Zusammenfassung Protokolle der Transportschicht Ausführliche Behandlung von TCP Die wichtigsten Eigenschaften von UDP