Übung 5: Transport. Rechnernetze. Wintersemester 2014/ Allgemeine TCP Verständnisfragen

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1 Wintersemester 2014/2015 Rechnernetze Universität Paderborn Fachgebiet Rechnernetze Übung 5: Transport 1. Allgemeine TCP Verständnisfragen (a) TCP ermöglicht einem Empfänger, die maximum segment size (MSS), die der Empfänger akzeptieren möchte, an den Sender zu übermitteln. Warum? Wie verhält sich das zum advertised receiver window? Lösung: MSS dient der Vermeidung von Fragmentierung. Hat mit advertized receiver window nichts zu tun. (b) Führt ein verloren gegangenes TCP ACK stets zu einer Übertragungswiederholung? Lösung: Nein. Da cumulative ACK benutzt, können folgende ACKs rechtzeitig vor einem timeout eintreffen und die Wiederholung unnötig machen. (c) Kann ein TCP-Zustandsautomat beliebig lange im Zustand FIN WAIT 2 verbleiben? Lösung: Ja. Partner sendet FIN und stürzt dann ab. (d) Das Dateiübertragungsprotokoll FTP benutzt für Daten und für Kommandos separate TCP- Verbindungen. Warum? Lösung: Dadurch können Kommandos, z.b. Abbruch, sofort übermittelt werden, ohne erst auf vorausgehende Daten im Puffer zu warten. 2. Token bucket Eine Möglichkeit der Flußkontrolle ist die Senderatenkontrolle mittels eines so genannten token bucket. In diesen Eimer werden regelmäßig mit der Rate ρ Tokens gelegt, die jeweils die Erlaubnis zum Senden einer bestimmten Datenmenge d repräsentieren. Der Eimer hat nur eine endliche Kapazität von σ Bytes; überschüssige Byte-Sende-Erlaubnisse verfallen. Ein Datenpaket kann nur gesendet werden, wenn mindestens so viele Byte-Sende-Erlaubnisse im Eimer vorhanden sind, wie der Größe des Pakets entsprechen. (a) Was ist die maximale Datenmenge, die ein mit einem solchen token bucket Algorithmus regulierter Sender innerhalb einer Zeitspanne t maximal senden kann? Lösung: σ + ρtd (b) Nehmen Sie an, dass ρ = 1 s 1, d = 200 Bytes, σ = 1000 Bytes. Wie lange muss dieses eine Paket der Größe 800 Bytes mindestens und höchstens warten, wenn bei seinem Eintreffen an der Flußkontrolle Byte-Sende-Erlaubnisse für 100 Bytes vorhanden sind und keine anderen Pakete zur Übertragung anstehen? Hinweis: Zeitpunkt des Eintreffens relevant. Lösung: Minimal drei, maximal 4 Sekunden. Überlegen Sie sich die genauen Szenarien! Das Paket braucht in beiden Fällen 4 zusätzliche tokens (= 800byte). Szenario 1: Direkt nachdem das Paket zum Versenden ankommt, kommt das nächste Token an. Danach brauchen die weiteren drei Tokens weitere 3 Sekunden. Szenario 2: Nachdem das Paket zum Versenden angekommen ist dauert es noch eine Sekunde, bis das nächste Token ankommt. Danach dauert es noch weitere drei Sekunden für die nächsten drei Token. (c) Stellen Sie sich vor, Sie möchten über einen solchen Kanal ein komprimiertes Video abspielen. Da Sie für höhere Werte von ρ und σ bezahlen müssen, sind Sie an möglichst kleinen Werten hierfür interessiert. Wenn Sie die durchschnittliche Senderate A des Videos sowie die Spitzenrate P kennen, wie wählen Sie dann (qualitativ!) die Werte ρ und σ sinnvollerweise? Rechnernetze WS 2014/15 Übung 5 1

2 Lösung: Um eine Verkehrsquelle mit durchschnittlicher Rate A und Spitzenrate P durch eine token bucket-kontrollinstanz zu beschreiben, kann man unendlich viele geeignete Werte von σ und ρ finden. Klar ist dabei, dass ρd > A gelten muss und ρd > P nicht weiter hilfreich ist. Für ein gegebenes ρ kann man dann jeweils ein kleinstes σ finden, so dass der Verkehr bewältigt werden kann. 3. TCP-Fairness: Bekanntermaßen stellt additive increase multiplicative decrease (AIMD) Fairness zwischen TCP-Flüssen her. Nehmen Sie nun an, zwei Benutzer A und B teilen sich dieselbe Leitung mit einer Kapazität von 6 Mbit/s. Beide wollen jeweils eine große Datei von 36 GBit Größe über TCP herunterladen. Benutzer A benutzt einen herkömmlichen Download-Client, der einen TCP-Fluss benutzt. Benutzer B benutzt einen anderen Download-Client, der die Datei in fünf gleichgroße Teile aufteilt und gleichzeitig fünf TCP-Flüsse benutzt. Vereinfachungen: Nehmen Sie an, der Server wäre schnell genug, um die Leitung zu sättigen. Nehmen Sie an, TCP könnte hellsehen und bräuchte keine Einschwingzeiten für Fairness, Schätzung der verfügbaren Datenrate und Fenstergröße, sodass konstant 6 MBit/s auf der Leitung fließen, solange mindestens ein TCP-Fluss besteht. Wie viele Sekunden dauert der Download für Benutzer A, wie lange für Benutzer B? Lösung: Anfangsphase: A hat 1 MBit/s + B 5 MBit/s. B: 36 GBit/5 MBit/s = 7200 s = 120 min = 2 h 2. Phase: A hat schon 1 MBit/s * 7200 s = 7,2 GBit bekommen, fehlen noch 28,8 GBit. 28,8 GBit / 6 MBit/s = 4800 s Gesamtzeit s. 4. Gegeben sei ein Netz aus zwei Quellknoten A und B, die über einen Router R eine TCP-Verbindung mit dem Endknoten C haben. Nehmen Sie nun folgendes an: Die Quellknoten senden mehrere Pakete bis zum Zeitpunkt t = 13. Der Router kann nur ein Paket speichern oder auslesen. Ein ankommendes Paket wird nicht gespeichert, selbst wenn der Speicher des Routers nur teilweise gefüllt ist. Die Übertragungsdauer eines einzelnen Paketes zwischen A R bzw. B R bzw. R C dauert jeweils eine Zeiteinheit; vernachlässigen Sie die Ausbreitungsverzögerung (delay). Quellknoten A und B haben jeweils einen Timeout von 4 Zeiteinheiten, gerechnet vom Beginn einer Paketübertragung an. Bestätigungen vom Zielknoten C werden immer erfolgreich empfangen (ohne Speicherbelegung im Router) und dauern genauso lange wie eine Paketübertragung. Der Zielknoten C verwendet das Go-Back-N Verfahren. Der Quellknoten A sendet zum Zeitpunkt t = 0 und Quellknoten B zum Zeitpunkt t = 1. Tragen Sie die Sequenznummer und Quelle bzw. Ziel für Pakete und Bestätigungen sowie die Größe der jeweiligen Staufenster (CWND) in die folgende Tabelle ein. Markieren Sie auch auftretende Paketverluste mit dem Zeichen x. Vervollständigen Sie die Tabelle bis zum Zeitpunkt t = 13. Rechnernetze WS 2014/15 Übung 5 2

3 t A R B R R C C R R A R B CWND A CWND B 0 1 A B, x 1 A Ist dieses Netz in der Lage, Fairness zwischen Quellknoten A und B herzustellen? Lösung: Lösung zur Tabelle: t A R B R R C C R R A R B CWND A CWND B 0 1 A B, x 1 A A 3 1 A 4 2 A A, x 1 B, x 2 A A 7 2 A 8 4 A A, x 1 B, x 4 A A, x 1 B, x 1 1 Fairness bedeutet, dass beide Knoten sich die Kapazität des Netzes teilen, d.h. beide nutzen jeweils die Hälfte. Dies ist hier nicht der Fall für Knoten B, da dieser kein Paket erfolgreich übertragen kann im Gegensatz zu Knoten A. Eine simple Maßnahme ist die Vergrößerung des Router- Speichers (Pufferlänge). 5. Zusatzaufgabe (aber bei dieser lernen Sie am meisten): Benutzen Sie tcpdump, um eine TCP- Verbindung anzeigen zu lassen (z.b. tcpdump host (Schauen Sie auch Option -S an!) Benutzen Sie beispielsweise wget, um kontrolliert Datenübertragungen zu initiieren. Stellen Sie die Folge von Sequenznummern für Daten und ACKs als Funktion der Zeit da (z.b. mittels gnuplot o.ä.). Was können Sie aus dem Plot ablesen? Können Sie z.b. Rückschlüsse auf Ihre TCP-Version ziehen? Lösung: TCP Uni intern mit Netz >= 1 GBit/s Rechnernetze WS 2014/15 Übung 5 3

4 e e TCP kommt nie aus der Slowstartphase raus Sende/Ack Rate limitiert durch Netzwerkkarte/Server nicht durch Bandbreite Rechnernetze WS 2014/15 Übung 5 4

5 Gleicher Download Leitung künstlich auf 1 MBit/s symmetrisch mit jeweils 250 ms delay (also RTT >= 500ms) gedrosselt (ipfw+dummynet) e e Slowstart, Ack-Clocking (Versatz/Verzögerung mit der Acks ankommen) Fast Retransmit, weitere Packet werden gesendet, dann verlorene Packete und cw wird verkleinert. Und weiter Packete verloren und neugesendet. Rechnernetze WS 2014/15 Übung 5 5