Grundlagen der Rechnernetze. Transportschicht

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1 Grundlagen der Rechnernetze Transportschicht

2 Übersicht Einfacher Demultiplexer (UDP) Transmission Control Protocol (TCP) TCP Überlastkontrolle TCP Überlastvermeidung TCP Varianten SS 2014 Grundlagen der Rechnernetze Transportschicht 2

3 Einfacher Demultiplexer (UDP) SS 2014 Grundlagen der Rechnernetze Transportschicht 3

4 Demultiplexing aber sonst keine weitere Funktionalität über IP Sender Host Prozess Empfänger Host Prozess 1 Prozess 2 Prozess 3 Queues IP Paket Quelle: Ziel: Daten: UDP Paket SrcPort DstPort Length Checksum Data Demultiplexing mittels Portnummern UDP Ankommende Pakete Port Nummern sind 16 Bits lang. Damit gibt es 2 16 = unterschiedliche Ports. Global eindeutige Adresse eines Prozesses: <Port,Host> SS 2014 Grundlagen der Rechnernetze Transportschicht 4

5 Woher erfährt der Sender die Port Nummer des Empfängers? Möglichkeit 1: vorab festgelegte Port Nummern. Zum Beispiel Port 53 für DNS, Port 25 für Mail Server oder Port 517 für Unix Talk Programm Festgelegte Portnummern werden in einem RFC periodisch aktualisiert Unter vielen Unix Systemen findet man die festen Portnummern auch unter /etc/services Möglichkeit 2: Port Mapper Nur ein festgelegter Port über den man den Port Mapper anspricht Client fragt erst den Port Mapper nach dem richtigen Port für einen bestimmten Dienst Der rückgegebene Port wird dann für die Kontaktierung des eigentlichen Services verwendet Bemerkung: häufig werden nach dem ersten Kontakt zwischen Client und Server ein privater Port für deren Session ausgemacht. Port Mapper Host 1 Client Host 2 Server SS 2014 Grundlagen der Rechnernetze Transportschicht 5

6 Transmission Control Protocol (TCP) SS 2014 Grundlagen der Rechnernetze Transportschicht 6

7 Übersicht Anwendungsprozess A Anwendungsprozess B schreibe Bytes lese Bytes lese Bytes schreibe Bytes TCP TCP Sendepuffer Empfangspuffer Empfangspuffer Sendepuffer IP IP Segment Segment Segment Segment Segment Segment SS 2014 Grundlagen der Rechnernetze Transportschicht 7

8 Übersicht schreibe Bytes Anwendungsprozess A Sendepuffer TCP IP lese Bytes Segment lese Bytes Segment Segment Segment Segment Grundfunktion Zuverlässige Anwendungsprozess AuslieferungB eines Full Duplex Byte Streams in korrekter Reihenfolge Segment schreibe Bytes Empfangspuffer Darüber hinaus: Flusskontrolle (vermeidet, dass TCP Sender den Empfänger überlastet) Empfangspuffer (vermeidet, puffer dass Sende Lastkontrolle Sender zu viel Last im Netz IP erzeugt) Wie auch bei UDP: Port Mechanismus SS 2014 Grundlagen der Rechnernetze Transportschicht 8

9 Segmentnummerierung und ACKs Byte Stream Segment 1 Segment 2 Segment 3 Daten (SequenceNum) Bytes: Bytes: Bytes: Sequenznummer: 2000 Sequenznummer: 3024 Sequenznummer: 4028 Sender Empfänger Acknowledgment (SequenceNum+1) Initiale Sequenznummer: 1999 Bestätigt wird immer das nächste erwartete Byte SS 2014 Grundlagen der Rechnernetze Transportschicht 9

10 Sliding Window Sendende Anwendung Empfangende Anwendung LastByteWritten TCP LastByteRead TCP LastByteAcked LastByteSent NextByteExpected LastByteRcvd Sendepuffer Empfangspuffer MaxSendBuffer = Größe des Sendepuffers MaxRcvBuffer = Größe des Empfangspuffers TCP Acknowledgements sind kummulativ (Kummulative ACKs) bestätigt wird die Nummer des ersten noch fehlenden Bytes. Alle vorigen Bytes wurden schon vollständig empfangen. SS 2014 Grundlagen der Rechnernetze Transportschicht 10

11 Flusskontrolle Sender Empfänger l=lastbytewritten TCP x=lastbyteread TCP v=lastbyteacked w=lastbytesent NextByteExpected y=lastbytercvd MSB = MaxSendBuffer Zur Vermeidung eines Empfangspufferüberlaufes muss gelten: Hierzu wird dem Sender das folgende AdvertisedWindow a mitgeteilt: Auf Senderseite muss stets gelten: MRB=MaxRcvBuffer Damit ist das Maximum an Daten, welches der Sender versenden darf (genannt EffectiveWindow e): Anwendung, die z Bytes schreibt wird blockiert, wenn: SS 2014 Grundlagen der Rechnernetze Transportschicht 11

12 Protokollablauf Verbindungsaufbau Datenübertragungsphase Verbindungsabbau Bildquelle: en.wikipedia.org/wiki/transmission_control_protocol SS 2014 Grundlagen der Rechnernetze Transportschicht 12

13 Tafelanschrieb SS 2014 Grundlagen der Rechnernetze Transportschicht 13

14 Segmentstruktur Octet Bit Source Port Destination Port 4 32 Sequence Number 8 64 Acknowledgement Number (if ACK set) Data Offset Rsrved N S C W R E C E U R G A C K P S H R S T S Y N F I N Window Size Checksum Urgent Pointer (if URG set) Options (if data Offset > 5) (Padded at end with 0 Bytes if necessary) Data SS 2014 Grundlagen der Rechnernetze Transportschicht 14

15 Regulärer Duplexbetrieb Gerät 1 Gerät 2 AdvWnd=1024, AckedSeqNr=3463 SS 2014 Grundlagen der Rechnernetze Transportschicht 15

16 AdvertisedWindow = 0 Deadlock? Empfänger Sender Empfänger Sender AdvertisedWindow=0 AdvertisedWindow=0 Empfangspuffer wird geleert und Empfänger sendet nichts an den Sender zurück. Annahme: Sender sendet ab hier nicht weiter Empfangspuffer wird geleert und Empfänger sendet nichts an den Sender zurück. Segment der Länge 1 AdvertisedWindow=0 Probing mit Segment der Länge 1 Woher weis der Sender, dass wieder Platz im Empfängerpuffer ist?!? Segment der Länge 1 AdvertisedWindow=1200 Persist timer SS 2014 Grundlagen der Rechnernetze Transportschicht 16

17 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 2014 Grundlagen der Rechnernetze Transportschicht 17

18 Sofortiges Senden bedeutet unnötiger Overhead Sender Empfänger Sendepuffer leer 2 Bytes erzeugt 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 2014 Grundlagen der Rechnernetze Transportschicht 18

19 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 2014 Grundlagen der Rechnernetze Transportschicht 19

20 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 2014 Grundlagen der Rechnernetze Transportschicht 20

21 Ermitteln der RTT Ein Sample RTT(i) bei gegebener Segment Sendezeit s und Acknowledgement Zeit a für das ite versendete Segment: Ein simpler Ansatz wäre das Stichprobenmittel darüber, also: Die gesamte Summation muss dabei nicht jedes mal neu berechnet werden: SS 2014 Grundlagen der Rechnernetze Transportschicht 21

22 Ermitteln der RTT Nachteil des einfachen Stichprobenmittels: jede Messung auch die in der weiten Vergangenheit haben dasselbe Gewicht Besser wäre es doch den aktuellen Messungen das meiste Gewicht zu geben Lösung exponentiell gewichteter gleitender Mittelwert (so ist es auch in der Original TCP Spezifikation in RFC 793) realisiert: Einfluss von? TCP verwendet zwischen 0,8 und 0,9. SS 2014 Grundlagen der Rechnernetze Transportschicht 22

23 Ermitteln der RTT Warum lautet dieser gleitende Mittelwert eigentlich exponentiell gewichtet? Expandieren liefert: Also z.b. für alpha=0,8: SS 2014 Grundlagen der Rechnernetze Transportschicht 23

24 Problem: Zuordnung von ACKs Sender Empfänger Sender Empfänger SampleRTT zu lang SampleRTT zu kurz Karn/Patridge Algorithmus: Ignoriere einfach die Segmente, die reübertragen wurden. Darüber hinaus: wann immer ein Segment reübertragen werden musste: Timeout = 2*Timeout (Exponential Backoff) SS 2014 Grundlagen der Rechnernetze Transportschicht 24

25 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: schätze die folgende mittlere Abweichung: Hierbei ist E[X] der Erwartungswert von Zufallsvariable X. SS 2014 Grundlagen der Rechnernetze Transportschicht 25

26 Einbeziehen der Varianz Einfache Stichprobenvarianz lässt sich wie folgt berechnen: Analog zur mittleren RTT lassen sich hierbei ebenfalls durch exponentiell gleitenden Mittelwert neuere Varianzwerte höher gewichten als ältere. SS 2014 Grundlagen der Rechnernetze Transportschicht 26