Přehled Úvod Poskytované služby UDP protokol Mechanismy zajištění spolehlivého přenosu TCP protokol 5. Transportní vrstva PB156cv: Počítačové sítě Miloš Liška Podle přednášek z PB156 Fakulta informatiky Masarykovy univerzity jaro 2021 Přehled Úvod Poskytované služby UDP protokol Mechanismy zajištění spolehlivého přenosu TCP protokol Struktura přednášky Přehled Úvod Poskytované služby Adresace na L4 Řízení spojení – spojované vs. nespojované L4 služby UDP protokol Mechanismy zajištění spolehlivého přenosu Stop-and-Wait ARQ Go-Back-N ARQ Selective-Repeat ARQ TCP protokol Poskytované služby Hlavička segmentů Správa spojení Řízení chyb Mechanismy pro řízení množství zasílaných dat Řízení toku (Flow Control) Řízení zahlcení (Congestion Control) Přehled Úvod Poskytované služby UDP protokol Mechanismy zajištění spolehlivého přenosu TCP protokol Struktura přednášky Přehled Úvod Poskytované služby Adresace na L4 Řízení spojení – spojované vs. nespojované L4 služby UDP protokol Mechanismy zajištění spolehlivého přenosu Stop-and-Wait ARQ Go-Back-N ARQ Selective-Repeat ARQ TCP protokol Poskytované služby Hlavička segmentů Správa spojení Řízení chyb Mechanismy pro řízení množství zasílaných dat Řízení toku (Flow Control) Řízení zahlcení (Congestion Control) Přehled Úvod Poskytované služby UDP protokol Mechanismy zajištění spolehlivého přenosu TCP protokol L4. Transportní vrstva – Přehled Proč nestačí L3? • nemožnost identifikovat aplikaci, které jsou data určena • na každém uzlu by tak mohla běžet maximálně jedna aplikace • neřeší defekty sítě (ztrátu/znásobení datagramu, zahlcení sítě, atp.) Co nás nyní čeká. . . • představení L4, poskytované služby • mechanismy zajištění spolehlivého přenosu • protokoly UDP, TCP Přehled Úvod Poskytované služby UDP protokol Mechanismy zajištění spolehlivého přenosu TCP protokol L4 z pohledu sítě – kde se pohybujeme? • komunikace konkrétních aplikací (identifikovány transportní vrstvou) na konkrétních uzlech sítě (identifikovány síťovou vrstvou) • na uzlech tak může běžet více služeb • možnosti zajištění spolehlivého přenosu nad nespolehlivou (best-effort) IP sítí Přehled Úvod Poskytované služby UDP protokol Mechanismy zajištění spolehlivého přenosu TCP protokol Struktura přednášky Přehled Úvod Poskytované služby Adresace na L4 Řízení spojení – spojované vs. nespojované L4 služby UDP protokol Mechanismy zajištění spolehlivého přenosu Stop-and-Wait ARQ Go-Back-N ARQ Selective-Repeat ARQ TCP protokol Poskytované služby Hlavička segmentů Správa spojení Řízení chyb Mechanismy pro řízení množství zasílaných dat Řízení toku (Flow Control) Řízení zahlcení (Congestion Control) Přehled Úvod Poskytované služby UDP protokol Mechanismy zajištění spolehlivého přenosu TCP protokol Úvod I. transportní vrstva: • poskytuje služby pro aplikační vrstvu: • přijímá data odesílací aplikace, které transformuje do segmentů • přijaté segmenty pak předává cílové aplikaci • ve spolupráci se síťovou vrstvou zajišťuje doručení dat (segmentů) mezi komunikujícími aplikacemi/procesy • s případným zajištěním spolehlivosti přenosu • poskytuje jim logický komunikační kanál • iluze fyzického propojení (přímého komunikačního kanálu) • tzv. process-to-process delivery • nejnižší vrstva poskytující tzv. end-to-end služby • hlavičky generované na straně odesílatele jsou interpretovány „jen na straně příjemce • směrovače vidí data transportní vrstvy jako payload přenášených paketů Přehled Úvod Poskytované služby UDP protokol Mechanismy zajištění spolehlivého přenosu TCP protokol Úvod II. Obrázek: Ilustrace end-to-end služeb poskytovaných transportní vrstvou. Přehled Úvod Poskytované služby UDP protokol Mechanismy zajištění spolehlivého přenosu TCP protokol Úvod III. Obrázek: Formy komunikace. Přehled Úvod Poskytované služby UDP protokol Mechanismy zajištění spolehlivého přenosu TCP protokol Struktura přednášky Přehled Úvod Poskytované služby Adresace na L4 Řízení spojení – spojované vs. nespojované L4 služby UDP protokol Mechanismy zajištění spolehlivého přenosu Stop-and-Wait ARQ Go-Back-N ARQ Selective-Repeat ARQ TCP protokol Poskytované služby Hlavička segmentů Správa spojení Řízení chyb Mechanismy pro řízení množství zasílaných dat Řízení toku (Flow Control) Řízení zahlcení (Congestion Control) Přehled Úvod Poskytované služby UDP protokol Mechanismy zajištění spolehlivého přenosu TCP protokol Obrázek: Ilustrace služeb transportní vrstvy. Přehled Úvod Poskytované služby UDP protokol Mechanismy zajištění spolehlivého přenosu TCP protokol Služby • Tvorba paketů (Packetizing) • aplikací zaslaná data transformována na pakety (s přidanou transportní hlavičkou) • Řízení spojení (Connection Control) • spojované (connection-oriented) a nespojované (connectionless) služby • Adresace (Addressing) • adresy entit transportní vrstvy (= síťových aplikací/služeb) – tzv. porty • pakety obsahují zdrojový a cílový port (identifikaci zdrojové a cílové aplikace) • aplikace tak jsou v síti jedinečně identifikovány dvojicí IP adresa:port • Zajištění spolehlivosti přenosu (Reliability) • řízení toku (Flow Control) a řízení chyb (Error Control) • na nižších vrstvách poskytováno node-to-node, zde end-to-end • zajištění spolehlivosti nad best-effort službou (IP) • Řízení zahlcení sítě (Congestion Control) a zajištění kvality služby (Quality of Service, QoS) Přehled Úvod Poskytované služby UDP protokol Mechanismy zajištění spolehlivého přenosu TCP protokol Adresace na L4 I. • adresy na L4 – čísla portů (ports, port numbers) • ≈ adresy služeb • identifikují odesílací aplikaci na zdrojovém uzlu (identifikován IP adresou) • identifikují přijímající aplikaci na cílovém uzlu (identifikován IP adresou) • identifikace portu 16bitovým číslem • rozsah 0 − 65535 Přehled Úvod Poskytované služby UDP protokol Mechanismy zajištění spolehlivého přenosu TCP protokol Adresace na L4 II. Obrázek: Doručení dat cílové aplikaci – IP adresa a port. Přehled Úvod Poskytované služby UDP protokol Mechanismy zajištění spolehlivého přenosu TCP protokol Adresace na L4 III. • porty rozděleny do 3 tříd • rozděleno organizací IANA (Internet Assigned Number Authority) • třídy: • well-known („dobře známé ) porty • rozsah 0 − 1023 • identifikují známou konkrétní službu • přidělovány organizací IANA • registrované porty • rozsah 1024 − 49151 • volně využitelné porty, nejsou přidělovány organizací IANA • lze je však u organizace IANA zaregistrovat (zamezení duplikací) • dynamické porty • rozsah 49152 − 65535 • dynamicky přidělované porty, využity zejména jako zdrojové porty odesílacích aplikací Přehled Úvod Poskytované služby UDP protokol Mechanismy zajištění spolehlivého přenosu TCP protokol Adresace na L4 – Multiplexing vs. Demultiplexing • mechanismus adresace na L4 představuje formu multiplexingu a demultiplexingu • na odesílací straně mnoho aplikací a jeden transportní protokol – multiplexing • odesílací aplikace identifikována zdrojovým portem • na přijímací straně jeden transportní protokol, výběr vhodné aplikace pro doručení – demultiplexing • přijímající aplikace identifikována cílovým portem Přehled Úvod Poskytované služby UDP protokol Mechanismy zajištění spolehlivého přenosu TCP protokol Řízení spojení – spojované vs. nespojované L4 služby Spojované služby • na začátku přenosu ustaveno spojení (udržováno po celou dobu přenosu dat) • pakety jsou číslovány • jejich doručení/nedoručení je explicitně potvrzováno Nespojované služby • pakety zasílány cílové aplikaci bez ustaveného spojení • pakety nejsou číslovány (⇒ nejsou ani potvrzovány) • mohou se ztratit, dorazit se zpožděním, dorazit mimo pořadí, atp. Přehled Úvod Poskytované služby UDP protokol Mechanismy zajištění spolehlivého přenosu TCP protokol Struktura přednášky Přehled Úvod Poskytované služby Adresace na L4 Řízení spojení – spojované vs. nespojované L4 služby UDP protokol Mechanismy zajištění spolehlivého přenosu Stop-and-Wait ARQ Go-Back-N ARQ Selective-Repeat ARQ TCP protokol Poskytované služby Hlavička segmentů Správa spojení Řízení chyb Mechanismy pro řízení množství zasílaných dat Řízení toku (Flow Control) Řízení zahlcení (Congestion Control) Přehled Úvod Poskytované služby UDP protokol Mechanismy zajištění spolehlivého přenosu TCP protokol UDP protokol User Datagram Protocol (UDP) • nejjednodušší transportní protokol poskytující nespojovanou a nespolehlivou (= nezajištěnou) službu • poskytuje best-effort službu • ke službám IP vrstvy přidává pouze process-to-process komunikaci a jednoduchou kontrolu chyb • případné zajištění spolehlivosti přenosu je na aplikaci • hlavní přednosti: jednoduchost, minimální režie • žádná nutnost ustavení spojení (přináší zpoždění na začátku přenosu) • žádná nutnost uchovávání stavových informací na komunikujících stranách • malá hlavička Přehled Úvod Poskytované služby UDP protokol Mechanismy zajištění spolehlivého přenosu TCP protokol UDP protokol – hlavička paketů • zdrojový port (source port) – identifikace odesílací služby/aplikace • cílový port (destination port) – identifikace přijímající služby/aplikace • délka UDP paketu (length) – celková délka UDP paketu • kontrolní součet (checksum) – kontrolní součet UDP paketu (hlavička + data) Přehled Úvod Poskytované služby UDP protokol Mechanismy zajištění spolehlivého přenosu TCP protokol UDP protokol – odesílání dat z pohledu aplikace - vliv MTU • Maximum Transfer Unit (MTU) – maximální velikost dat, které lze přenést využitým L2 protokolem • určuje maximální velikost přenositelného IP datagramu (Total size) • Ethernet: 1500 B • Jumbo frames: na většině HW až 9216 B • Proces → snd buffer → packet payload + hlavičky → IP datagram • všech protokolů použitých na jednotlivých vrstvách ISO/OSI modelu Přehled Úvod Poskytované služby UDP protokol Mechanismy zajištění spolehlivého přenosu TCP protokol UDP protokol – rychlost odesílání paketů • Pipeline: userspace buffer (UDP paket + UDP hlavička) → (socket) kernel buffer → NIC (typicky jediná fronta) → síť • Rychlost odesílání ovlivňuje: • Rychlost CPU/RAM • Zpracování přerušení • MTU • interrupt load balancing • interrupt coalescing • Ethernet flow control (pause frames) • Síťová karta odesílá pakety z fronty jak nejrychleji dovede (1 Gbps, 10 Gbps, 40 Gbps, 100 Gbps apod.) • Pokud odesílání UDP paketů nic nebrzdí, jsou odesílány rychlostí danou wire speed Přehled Úvod Poskytované služby UDP protokol Mechanismy zajištění spolehlivého přenosu TCP protokol Struktura přednášky Přehled Úvod Poskytované služby Adresace na L4 Řízení spojení – spojované vs. nespojované L4 služby UDP protokol Mechanismy zajištění spolehlivého přenosu Stop-and-Wait ARQ Go-Back-N ARQ Selective-Repeat ARQ TCP protokol Poskytované služby Hlavička segmentů Správa spojení Řízení chyb Mechanismy pro řízení množství zasílaných dat Řízení toku (Flow Control) Řízení zahlcení (Congestion Control) Přehled Úvod Poskytované služby UDP protokol Mechanismy zajištění spolehlivého přenosu TCP protokol Mechanismy zajištění spolehlivého přenosu I. • otázka: k čemu je řízení chyb na L4, když je toto poskytováno L2 vrstvou? Přehled Úvod Poskytované služby UDP protokol Mechanismy zajištění spolehlivého přenosu TCP protokol Mechanismy zajištění spolehlivého přenosu I. • otázka: k čemu je řízení chyb na L4, když je toto poskytováno L2 vrstvou? • L2 poskytuje řízení chyb vždy pouze mezi dvěma uzly na cestě, ne mezi koncovými stanicemi Přehled Úvod Poskytované služby UDP protokol Mechanismy zajištění spolehlivého přenosu TCP protokol Mechanismy zajištění spolehlivého přenosu II. • transportní protokoly tak mohou zajišťovat spolehlivý přenos nad nespolehlivou (best-effort) IP službou Přehled Úvod Poskytované služby UDP protokol Mechanismy zajištění spolehlivého přenosu TCP protokol Mechanismy zajištění spolehlivého přenosu III. • spolehlivost přenosu zajištěna mechanismem potvrzování (acknowledgement) • pakety číslovány tzv. sekvenčními čísly (Sequence Numbers, SEQ) • pozitivní potvrzování (positive acknowledgement) • potvrzení úspěšného přijetí paketu • ala „doručeno v pořádku • negativní potvrzování (negative acknowledgement) • informace o neúspěšném přijetí/ztrátě datagramu • ala „prosím, zopakuj • v případě výskytu chyby jsou data opětovně přeposílána • mechanismy ARQ (Automatic Repeat reQuest) • Stop-and-Wait ARQ • Go-Back-N ARQ • Selective-Repeat ARQ • nutnost vypořádat se s duplicitami! Přehled Úvod Poskytované služby UDP protokol Mechanismy zajištění spolehlivého přenosu TCP protokol Stop-and-Wait ARQ I. • nejjednodušší mechanismus řízení toku a řízení chyb • odesílací strana po odeslání paketu vyčkává na jeho potvrzení • aniž by odesílala další • po uplynutí definované doby (timeout) je paket pokládán za ztracený • následuje znovuposlání • pakety číslovány střídavě 0 a 1 • potvrzení paketu = ACK s číslem následujícího (očekávaného) paketu • v případě poškození paketu (vadný kontrolní součet) jej příjemce zahazuje a vyčkává na znovuposlání • nezasílá se žádné negativní potvrzení Přehled Úvod Poskytované služby UDP protokol Mechanismy zajištění spolehlivého přenosu TCP protokol Stop-and-Wait ARQ II. Obrázek: Stop-and-Wait ARQ: bezeztrátový přenos Přehled Úvod Poskytované služby UDP protokol Mechanismy zajištění spolehlivého přenosu TCP protokol Stop-and-Wait ARQ III. Obrázek: Stop-and-Wait ARQ: ztráta paketu Přehled Úvod Poskytované služby UDP protokol Mechanismy zajištění spolehlivého přenosu TCP protokol Stop-and-Wait ARQ IV. Obrázek: Stop-and-Wait ARQ: ztráta potvrzení Přehled Úvod Poskytované služby UDP protokol Mechanismy zajištění spolehlivého přenosu TCP protokol Stop-and-Wait ARQ V. Obrázek: Stop-and-Wait ARQ: opožděné potvrzení Přehled Úvod Poskytované služby UDP protokol Mechanismy zajištění spolehlivého přenosu TCP protokol Stop-and-Wait ARQ VI. V případě obousměrného přenosu lze využít mechanismus Piggybacking • kombinace datového paketu s potvrzením • místo dvou samostatných paketů (potvrzení, data) se tak zasílá právě jeden Přehled Úvod Poskytované služby UDP protokol Mechanismy zajištění spolehlivého přenosu TCP protokol Go-Back-N ARQ I. • problém Stop-and-Wait ARQ: do sítě lze v jakémkoliv okamžiku vyslat pouze jeden paket ⇒ degradace výkonu • vylepšení mechanismu Stop-and-Wait • zasílání více paketů bez vyčkávání na jejich potvrzení • cílem je vyšší efektivita přenosu • pakety číslovány postupně se zvyšujícími sekvenčními čísly • v případě dosažení horní hranice se začíná znovu od začátku • např. 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 0, 1, 2, ... • potvrzení paketu = ACK se sekvenčním číslem následujícího (očekávaného) paketu • využití tzv. kumulativních potvrzení • v případě obousměrné komunikace možno využít piggybacking • informace o odeslaných/přijatých paketech uchovávána za pomoci mechanismu tzv. plovoucího okna (sliding window) • udržováno jak na straně odesílatele, tak na straně příjemce • varianta Go-Back-N ARQ využita v protokolu TCP (viz později) Přehled Úvod Poskytované služby UDP protokol Mechanismy zajištění spolehlivého přenosu TCP protokol Go-Back-N ARQ II. – Sender Window vs. Receiver Window Okno odesílatele (Sender Window) • maximální velikost 2m − 1 (m = počet bitů pro uchování SEQ) • důvody viz dále Okno příjemce (Receiver Window) • velikost v případě Go-Back-N ARQ vždy 1 (vždy se očekává pouze určitý paket) Přehled Úvod Poskytované služby UDP protokol Mechanismy zajištění spolehlivého přenosu TCP protokol Go-Back-N ARQ III. Obrázek: Go-Back-N ARQ: bezeztrátový přenos Přehled Úvod Poskytované služby UDP protokol Mechanismy zajištění spolehlivého přenosu TCP protokol Go-Back-N ARQ IV. Obrázek: Go-Back-N ARQ: ztráta paketu Přehled Úvod Poskytované služby UDP protokol Mechanismy zajištění spolehlivého přenosu TCP protokol Go-Back-N ARQ V. – omezení maximální velikosti okna Okno odesílatele musí být menší než 2m (m je počet bitů pro uchování SEQ) kvůli správné detekci duplicit! Přehled Úvod Poskytované služby UDP protokol Mechanismy zajištění spolehlivého přenosu TCP protokol Selective-Repeat ARQ I. • problém Go-Back-N ARQ: neefektivní pro vysoce ztrátové linky • vyšší ztrátovost ⇒ vyšší procento paketů došlých mimo pořadí (out-of-order) • Go-Back-N ARQ pakety mimo pořadí zahazuje • neefektivní, již došlé pakety musí být znovu zasílány • pakety opět číslovány postupně se zvyšujícími sekvenčními čísly • rozšíření Go-Back-N ARQ v oblasti okna příjemce • místo 1 paketu jich může pojmout více • ⇒ out-of-order pakety na straně příjemce bufferovány • potvrzení paketu = ACK se sekvenčním číslem následujícího (očekávaného) paketu • opět využívá kumulativních potvrzení • v případě obousměrné komunikace možno využít piggybacking • kromě pozitivních potvrzení využívá i negativních potvrzení • Negative Acknowledgements zasílány v případě detekce ztráty/porušení paketu Přehled Úvod Poskytované služby UDP protokol Mechanismy zajištění spolehlivého přenosu TCP protokol Selective-Repeat ARQ II. Obrázek: Selective-Repeat ARQ: ztráta paketu Přehled Úvod Poskytované služby UDP protokol Mechanismy zajištění spolehlivého přenosu TCP protokol Selective-Repeat ARQ III. – omezení maximální velikosti okna Okno odesílatele musí být menší nebo rovno 2m−1 (m je počet bitů pro uchování SEQ) kvůli správné detekci duplicit! Přehled Úvod Poskytované služby UDP protokol Mechanismy zajištění spolehlivého přenosu TCP protokol Struktura přednášky Přehled Úvod Poskytované služby Adresace na L4 Řízení spojení – spojované vs. nespojované L4 služby UDP protokol Mechanismy zajištění spolehlivého přenosu Stop-and-Wait ARQ Go-Back-N ARQ Selective-Repeat ARQ TCP protokol Poskytované služby Hlavička segmentů Správa spojení Řízení chyb Mechanismy pro řízení množství zasílaných dat Řízení toku (Flow Control) Řízení zahlcení (Congestion Control) Přehled Úvod Poskytované služby UDP protokol Mechanismy zajištění spolehlivého přenosu TCP protokol TCP protokol Transmission Control Protocol (TCP) • transportní protokol poskytující spojovanou a plně spolehlivou (= zajištěnou) službu • pokud je to možné, odeslaná data budou přijímající aplikaci doručena kompletní a ve správném pořadí • oproti UDP orientován na přenos proudu bytů (UDP orientováno na přenos bloků dat) • před začátkem přenosu nutnost ustavení spojení mezi odesílací a přijímající stranou • tzv. handshake před začátkem přenosu zahrnuje výměnu všech potřebných parametrů • spojení rozeznatelné jen na koncových uzlech (end-to-end služba) • směrovače tato spojení „nevidí • ustavené spojení možno využít pro plně duplexní komunikaci • řídící data přibalována do dat jdoucích opačným směrem (piggybacking) • spojení může být pouze dvoubodové (point-to-point) • komunikace mezi více partnery (ala multicast) není podporována • multiplexing/demultiplexing a detekce chyb stejné jako v UDP Přehled Úvod Poskytované služby UDP protokol Mechanismy zajištění spolehlivého přenosu TCP protokol TCP protokol – poskytované služby Přenos proudu bytů • přenos dat v rámci UDP: • aplikace předává bloky dat, které UDP opatřuje hlavičkou a předává síťovému protokolu (např. IP) • přenos dat v rámci TCP: • aplikace předává TCP protokolu proud bytů, ktere TCP segmentuje, opatřuje hlavičkou a předává síťovému protokolu • aplikacím poskytuje iluzi roury, která přenáší jejich data Přehled Úvod Poskytované služby UDP protokol Mechanismy zajištění spolehlivého přenosu TCP protokol TCP protokol – poskytované služby Odesílací a přijímající buffery • aplikací předaná data nutno uchovávat v bufferech • nutnost vyrovnání rozdílných rychlostí komunikujících stran • rychlost odesílajícího a přijímajícího procesu nemusí být stejná • buffery navíc využity pro řízení toku a chyb (viz dále) Přehled Úvod Poskytované služby UDP protokol Mechanismy zajištění spolehlivého přenosu TCP protokol TCP protokol – poskytované služby Segmentace dat • aplikace TCP protokolu předává proud bytů • síťová vrstva (IP protokol) očekává bloky dat • ⇒ nutnost tvorby bloků dat (segmentů) • velikost segmentů omezena hodnotou Maximum Segment Size (MSS) • definováno implementací TCP / operačním systémem • identifikuje maximální velikost uživatelských dat v segmentu (ne velikost celého segmentu) • segmenty následně opatřeny TCP hlavičkou a předány síťovému protokolu Přehled Úvod Poskytované služby UDP protokol Mechanismy zajištění spolehlivého přenosu TCP protokol TCP protokol – poskytované služby Segmentace dat – číslování segmentů • číslovány nejsou bloky dat (segmenty), ale jednotlivé přenášené bajty • každý aplikací předaný bajt je opatřen číslem • začátek náhodně zvolený; inkrementováno po 1 • sekvenční číslo přenášeného TCP segmentu je pak číslo prvního bajtu přenášeného daným segmentem Příklad: Přenos souboru o velikosti 6000 bajtů. První bajt očíslován jako 10010. Poslední segment přenáší 2000 bajtů, ostatní 1000 bajtů. Přehled Úvod Poskytované služby UDP protokol Mechanismy zajištění spolehlivého přenosu TCP protokol TCP protokol – hlavička segmentů I. Přehled Úvod Poskytované služby UDP protokol Mechanismy zajištění spolehlivého přenosu TCP protokol TCP protokol – hlavička segmentů II. • zdrojový port (source port) – identifikace odesílací služby/aplikace • cílový port (destination port) – identifikace přijímající služby/aplikace • sekvenční číslo (sequence number) – sekvenční číslo segmentu • číslo potvrzovaného segmentu (acknowledgement number) • číslo bajtu, který přijímající strana očekává jako následující • piggybacking • délka hlavičky (header length) – délka TCP hlavičky ve 4B slovech • rezervovaná pole (reserved) Přehled Úvod Poskytované služby UDP protokol Mechanismy zajištění spolehlivého přenosu TCP protokol TCP protokol – hlavička segmentů III. • řídící data (control) – 6 bitů identifikujících nejrůznější řídící informace • velikost okna (window size) – velikost okna, které musí komunikující strana spravovat • určeno pro účely řízení toku (viz dále) • kontrolní součet (checksum) – kontrolní součet TCP segmentu (hlavička + data) • urgentní data (urgent pointer) – zasílání dat mimo pořadí • volby (options) Přehled Úvod Poskytované služby UDP protokol Mechanismy zajištění spolehlivého přenosu TCP protokol Správa spojení – ustavení spojení • full-duplexní přenos ⇒ obě strany musí iniciovat spojení • mechanismus známý jako třícestný handshake (three-way handshake) Přehled Úvod Poskytované služby UDP protokol Mechanismy zajištění spolehlivého přenosu TCP protokol Správa spojení – ukončení spojení • iniciováno jednou z komunikujících stran • spojení musí být uzavřeno oběma stranami Přehled Úvod Poskytované služby UDP protokol Mechanismy zajištění spolehlivého přenosu TCP protokol Řízení chyb (Error Control) • během přenosu je nutno detekovat poškozené, ztracené, duplikované a out-of-order segmenty • TCP mechanismy pro zajištění spolehlivého přenosu: • kontrolní součty – detekce poškozených segmentů • potvrzování přijatých segmentů (acknowledgements) – detekce ztracených (na straně příjemce), duplikovaných a out-of-order segmentů • zajištěno mechanismem pozitivního potvrzování (positive acknowledgements) • využito kumulativní potvrzování • timeoutů – detekce ztracených segmentů (na straně odesílatele) • mechanismus přeposílání založen na Go-Back-N ARQ • rozdíl: buffer pro out-of-order segmenty na přijímající straně Přehled Úvod Poskytované služby UDP protokol Mechanismy zajištění spolehlivého přenosu TCP protokol Řízení chyb (Error Control) – Ztráta segmentu Přehled Úvod Poskytované služby UDP protokol Mechanismy zajištění spolehlivého přenosu TCP protokol Řízení chyb (Error Control) – Ztráta potvrzení Přehled Úvod Poskytované služby UDP protokol Mechanismy zajištění spolehlivého přenosu TCP protokol Řízení chyb (Error Control) – Timeouty I. timeout – doba, po kterou se čeká na potvrzení odeslaného segmentu • založeno na tzv. Round-Trip Time (RTT) • čas potřebný pro cestu segmentu od odesílatele k příjemci a zpět • typicky: timeout = 2 · RTT Přehled Úvod Poskytované služby UDP protokol Mechanismy zajištění spolehlivého přenosu TCP protokol Řízení chyb (Error Control) – Timeouty II. RTT upravováno s využitím následující formule (vyhlazování abnormalit): RTTnew = α · RTTold + (1 − α) · RTTmeasured kde α = 0.875 (typicky) Přehled Úvod Poskytované služby UDP protokol Mechanismy zajištění spolehlivého přenosu TCP protokol TCP mechanismy pro řízení množství zasílaných dat TCP řídí množství zasílaných dat tak, aby: • zabránilo zahlcení příjemce = řízení toku (Flow Control) • zabránilo zahlcení sítě = řízení zahlcení (Congestion Control) Množství dat, které je možno zaslat do sítě je definováno: • velikostí okna příjemce (řízení toku) • velikostí tzv. okna zahlcení (congestion window) (řízení zahlcení) • na straně odesílatele • množství skutečně vysílaných dat ohraničeno menší hodnotou z obou jmenovaných Přehled Úvod Poskytované služby UDP protokol Mechanismy zajištění spolehlivého přenosu TCP protokol Flow Control vs. Congestion Control Přehled Úvod Poskytované služby UDP protokol Mechanismy zajištění spolehlivého přenosu TCP protokol Řízení toku (Flow Control) • mechanismus pro zábranu zahlcení přijímající strany • explicitní zpětná vazba od příjemce • příjemce informuje odesílatele o stavu svého přijímacího bufferu (receiver window, rwnd) • o zbývajícím volném místě • snižující rwnd indikuje nutnost snížení rychlosti vysílání • rwnd = 0 ⇒ buffer přijímající stanice je plný, vysílač musí pozastavit vysílání • informace zasílána v rámci ACK packetů nebo s využitím piggybackingu (obousměrná komunikace) Přehled Úvod Poskytované služby UDP protokol Mechanismy zajištění spolehlivého přenosu TCP protokol Řízení zahlcení (Congestion Control) I. • snaha o přizpůsobení rychlosti vysílání dostupné kapacitě sítě • nejmenší volné kapacitě na trase • zahlcení (congestion) sítě ⇔ počet paketů zaslaných do sítě > kapacita sítě • mechanismus závislý na dostupnosti informací ze sítě • explicitní zpětná vazba – síť dokáže informovat o (blížícím se) zahlcení • např. ATM sítě • bez zpětné vazby – nutnost odhadovat dostupnou kapacitu • běžné IP sítě • dva možné přístupy k řešení: • proaktivní přístup – snaha zahlcení předcházet (tak, aby k němu nikdy nedošlo) • reaktivní přístup – jakmile dojde k zahlcení, je toto detekováno a řešeno (snížením rychlosti vysílání) Přehled Úvod Poskytované služby UDP protokol Mechanismy zajištění spolehlivého přenosu TCP protokol Řízení zahlcení (Congestion Control) II. kde (a proč) může nastat zahlcení? • směrovače/switche mají fronty (vstupní, výstupní) • příchozí pakety je zapotřebí zpracovat (přeposlat blíže k cílové destinaci) • zahlcení nastává ⇔ když: • rychlost příchodu paketů je větší než rychlost jejich zpracování nebo • rychlost výstupu paketů je menší než rychlost jejich zpracování Přehled Úvod Poskytované služby UDP protokol Mechanismy zajištění spolehlivého přenosu TCP protokol Zahlcení sítě – důsledky • zvýšení zpoždění přenosu a degradace rychlosti přenosu Přehled Úvod Poskytované služby UDP protokol Mechanismy zajištění spolehlivého přenosu TCP protokol Řízení zahlcení v TCP • zahlcení většinou detekováno na základě ztráty paketu • předpoklad: ztráta paketu způsobena přeplněním vstupní/výstupní fronty některého ze síťových zařízení po cestě • = reaktivní přístup • většinou = existují varianty TCP s proaktivním přístupem • v průběhu přenosu odhadována velikost okna zahlcení (congestion window, cwnd) • cwnd určuje množství dat, které lze do sítě zaslat, aniž by došlo k zahlcení • množství skutečně zasílaných dat definováno velikostí tzv. outstanding window, ownd • ownd = min(rwnd, cwnd) Přehled Úvod Poskytované služby UDP protokol Mechanismy zajištění spolehlivého přenosu TCP protokol Řízení zahlcení v TCP – odhad cwnd I. • běžná IP síť nepodává explicitní informace o dostupné přenosové kapacitě či blížícím se zahlcení • ⇒ dostupnou přenosovou kapacitu (tj. velikost cwnd) musí TCP odhadovat • využity tři základní algoritmy pro odhad cwnd (přístup AIMD – Additive Increase, Multiplicative Decrease): • fáze Slow Start • „pomalý start – snaha o rychlé navýšení rychlosti odesílání až do dosažení určité hranice • fáze Additive Increase • zpomalení rychlosti růstu • snaha o udržení vysoké rychlosti přenosu po co možná nejdelší dobu • fáze Multiplicative Decrease • zahlcení sítě (= ztráta paketu) – snížení rychlosti přenosu • mimo jiné umožňuje zajištění férovosti mezi TCP proudy Přehled Úvod Poskytované služby UDP protokol Mechanismy zajištění spolehlivého přenosu TCP protokol Řízení zahlcení v TCP – odhad cwnd II. Obrázek: Ilustrace mechanismu AIMD. Přehled Úvod Poskytované služby UDP protokol Mechanismy zajištění spolehlivého přenosu TCP protokol TCP – zajištění férovosti Obrázek: Zajištění férovosti dvou rovnocenných TCP proudů.