Capitolo 3 - parte 2. Corso Reti ed Applicazioni Mauro Campanella

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1 Capitolo 3 - parte 2 Corso Reti ed Applicazioni Mauro Campanella

2 Principi di un trasferimento dati affidabile strato di trasporto strato di applicazione (a) Servizio fornito (b) la realizzazione del Servizio Le caratteristiche incognite del canale inaffidabile, determineranno la complessità del protocollo per il trasporto affidabile (rdt) M. Campanella Corso Reti ed Applicazioni - Como 2004 Cap 3-2 pag. 2

3 Trasporto affidabile: inizio del modello rdt_send(): chiamata dalla strato superiore, (p.e. dall applicazione) per inviare i dati al destinatario. deliver_data(): chiamata da rdt per consegnare i dati allo strato superiore lato mittente lato ricevente udt_send(): chiamata da rdt, per trasferire un segmento sul canale inaffidabile al ricevente rdt_rcv(): chiamata quando il segmento arriva al ricevente M. Campanella Corso Reti ed Applicazioni - Como 2004 Cap 3-2 pag. 3

4 Sviluppo del protocollo affidabile Svilupperemo progressivamente sia la parte mittente che quella ricevente del protocotto per il trasporto affidabile (rdt) Considereremo per semplicità traffico dati unidirezionale, ma informazioni di controllo bidirezionali! Creremo una macchina a stati finiti (FSM) per specificare il comportamento del mittente e del ricevente. evento che causa la transizione di stato azioni eseguite nella transizione di stato stato 1: quando in questo stato lo stato successivo è univocamente determinato dall evento successivo stato 1 evento azioni stato 2 M. Campanella Corso Reti ed Applicazioni - Como 2004 Cap 3-2 pag. 4

5 Rdt versione 1.0: trasferimento su canale affidabile Ipotesi: canale sottostante perfettamente affidabile: nessun bit error nessuna perdita di pacchetti Due FSM separate per mittente e ricevente mittente invia dati nel canale sottostante ricevente riceve dati dal canale sottostante In attesa chiamata da sopra rdt_send(data) packet = make_pkt(data) udt_send(packet) In attesa chiamata da sopra rdt_rcv(packet) extract (packet,data) deliver_data(data) mittente ricevente M. Campanella Corso Reti ed Applicazioni - Como 2004 Cap 3-2 pag. 5

6 Rdt versione 2.0: canale con bit error Supponiamo che il canale introduca errori e che l errore sia rivelabile dal protocollo (attraverso il checksum per esempio) Si può recuperare l errore introducendo: acknowledgement (ACK): il ricevente conferma al mittente la ricezione del dato negative acknowledgement (NAK): il ricevente avverte dell errore il mittente Nel caso di un NAK il mittente reinvia il segmento. rdt2.0 introduce rivelazione errore messaggi di controllo dal ricevente (ACK,NAK) M. Campanella Corso Reti ed Applicazioni - Como 2004 Cap 3-2 pag. 6

7 rdt versione 2.0: FSM rdt_send(data) snkpkt = make_pkt(data, checksum) chiamata da sopra In attesa ACK o NACK rdt_rcv(rcvpkt) && isnak(rcvpkt) ricevente rdt_rcv(rcvpkt) && corrupt(rcvpkt) udt_send(nak) rdt_rcv(rcvpkt) && isack(rcvpkt) mittente chiamata dal basso rdt_rcv(rcvpkt) && notcorrupt(rcvpkt) extract(rcvpkt,data) deliver_data(data) udt_send(ack) M. Campanella Corso Reti ed Applicazioni - Como 2004 Cap 3-2 pag. 7

8 rdt v2.0: funzionamento senza errori rdt_send(data) snkpkt = make_pkt(data, checksum) chiamata da sopra In attesa ACK o NACK rdt_rcv(rcvpkt) && isack(rcvpkt) rdt_rcv(rcvpkt) && isnak(rcvpkt) rdt_rcv(rcvpkt) && corrupt(rcvpkt) udt_send(nak) chiamata dal basso rdt_rcv(rcvpkt) && notcorrupt(rcvpkt) extract(rcvpkt,data) deliver_data(data) udt_send(ack) M. Campanella Corso Reti ed Applicazioni - Como 2004 Cap 3-2 pag. 8

9 rdt v2.0: in caso di errore rdt_send(data) snkpkt = make_pkt(data, checksum) chiamata da sopra In attesa ACK o NACK rdt_rcv(rcvpkt) && isack(rcvpkt) rdt_rcv(rcvpkt) && isnak(rcvpkt) rdt_rcv(rcvpkt) && corrupt(rcvpkt) udt_send(nak) chiamata dal basso rdt_rcv(rcvpkt) && notcorrupt(rcvpkt) extract(rcvpkt,data) deliver_data(data) udt_send(ack) M. Campanella Corso Reti ed Applicazioni - Como 2004 Cap 3-2 pag. 9

10 rdt v2.0 ha una svista grave Cosa accade nel caso di errore in un ACK od un NACK? Il mittente non riceve informazioni sull utima spedizione non può rispedire per evitare di duplicare una parte dei dati Cosa fare? Mandare un ACK/NACK di ogni ACK/NACK? ritrasmettere? Soluzione: il mittente aggiunge un numero di sequenza in ogni pacchetto il mittente ritrasmette il pacchetto se riceve un ACK/NAK con errore il ricevente scarta (e non passa allo strato superiore) i dati del pacchetto duplicato stop and wait Il mittente invia un pacchetto e aspetta la risposta per il seguente M. Campanella Corso Reti ed Applicazioni - Como 2004 Cap 3-2 pag. 10

11 rdt v2.1: mittente gestisce errori ACK/NACK rdt_rcv(rcvpkt) && notcorrupt(rcvpkt) && isack(rcvpkt) rdt_rcv(rcvpkt) && ( corrupt(rcvpkt) isnak(rcvpkt) ) rdt_send(data) sndpkt = make_pkt(0, data, checksum) chiamata 0 da sopra ACK/NACK per 1 rdt_send(data) ACK/NACK per 0 chiamata 1 da sopra sndpkt = make_pkt(1, data, checksum) rdt_rcv(rcvpkt) && ( corrupt(rcvpkt) isnak(rcvpkt) ) rdt_rcv(rcvpkt) && notcorrupt(rcvpkt) && isack(rcvpkt) M. Campanella Corso Reti ed Applicazioni - Como 2004 Cap 3-2 pag. 11

12 rdt v2.1: ricevente gestisce ACK/NAK con errore rdt_rcv(rcvpkt) && (corrupt(rcvpkt) sndpkt = make_pkt(nak, chksum) rdt_rcv(rcvpkt) && not corrupt(rcvpkt) && has_seq1(rcvpkt) sndpkt = make_pkt(ack, chksum) rdt_rcv(rcvpkt) && notcorrupt(rcvpkt) && has_seq0(rcvpkt) extract(rcvpkt,data) deliver_data(data) sndpkt = make_pkt(ack, chksum) per 0 da sotto per 1 da sotto rdt_rcv(rcvpkt) && notcorrupt(rcvpkt) && has_seq1(rcvpkt) extract(rcvpkt,data) deliver_data(data) sndpkt = make_pkt(ack, chksum) rdt_rcv(rcvpkt) && (corrupt(rcvpkt) sndpkt = make_pkt(nak, chksum) rdt_rcv(rcvpkt) && not corrupt(rcvpkt) && has_seq0(rcvpkt) sndpkt = make_pkt(ack, chksum) M. Campanella Corso Reti ed Applicazioni - Como 2004 Cap 3-2 pag. 12

13 rdt v2.1: discussione Mittente: - aggiunge un numero di sequenza al pacchetto (serve solo un bit) - deve controllare la correttezza anche dei messaggi ACK/NACK - raddoppia il numero degli stati perché è necessario ricordarsi il numero di sequenza del pacchetto inviato Ricevente: - deve controllare se il pacchetto è un duplicato utilizzando il numero di sequenza - doppio numero di stati Non c e modo per il ricevente di sapere se il suo ultimo ACK/NACK è stato ricevuto correttamente dal mittente M. Campanella Corso Reti ed Applicazioni - Como 2004 Cap 3-2 pag. 13

14 rdt v2.2: solo ACK Si può semplificare il protocollo, mantenendone la funzionalità, eliminando uno dei due codici di controllo: al posto di NAK, il ricevente reinvia ACK per l ultimo pacchetto ricevuto correttamente e quindi il ricevente deve includere il numero di sequenza nell ACK stesso. La ricezione di un ACK duplicato da parte del mittente, ha lo stesso effetto della ricezione di un ACK e causa la ritrasmissione dell ultimo pacchetto. M. Campanella Corso Reti ed Applicazioni - Como 2004 Cap 3-2 pag. 14

15 rdt v2.2: le modifiche alla FSM rdt_rcv(rcvpkt) && (corrupt(rcvpkt) has_seq1(rcvpkt)) rdt_send(data) sndpkt = make_pkt(0, data, checksum) per chiamata 0 da sopra per 0 da sotto per ACK 0 frammento FSM mittente frammento FSM ricevente rdt_rcv(rcvpkt) && notcorrupt(rcvpkt) && has_seq1(rcvpkt) extract(rcvpkt,data) deliver_data(data) sndpkt = make_pkt(ack1, chksum) rdt_rcv(rcvpkt) && ( corrupt(rcvpkt) isack(rcvpkt,1) ) rdt_rcv(rcvpkt) && notcorrupt(rcvpkt) && isack(rcvpkt,0) M. Campanella Corso Reti ed Applicazioni - Como 2004 Cap 3-2 pag. 15

16 Rdt v3.0: canale con errori e perdita Fatto ulteriore: il canale trasmissivo può anche perdere pacchetti (dati o ACK). checksum, numeri di sequenza, ACKs e ritrasmissioni non bastano Il mittente aspetta un certo periodo di tempo e poi ritrasmette Base: il mittente aspetta per un tempo ragionevole l ACK Ritrasmette se non riceve lack Se il pacchetto o l ACK non erano perduti viene ritrasmesso un duplicato, i numeri di sequenza evitano problemi Il ricevente deve specificare il numero di sequenza nell ACK Viene aggiunto un timer M. Campanella Corso Reti ed Applicazioni - Como 2004 Cap 3-2 pag. 16

17 rdt_rcv(rcvpkt) rdt_rcv(rcvpkt) && notcorrupt(rcvpkt) && isack(rcvpkt,1) stop_timer timeout start_timer rdt_rcv(rcvpkt) && ( corrupt(rcvpkt) isack(rcvpkt,0) ) per chiamata 0 da sopra rdt_send(data) sndpkt = make_pkt(0, data, checksum) start_timer per ACK 1 rdt v3.0 mittente per ACK 0 per chiamata 1 da sopra rdt_send(data) sndpkt = make_pkt(1, data, checksum) start_timer rdt_rcv(rcvpkt) && ( corrupt(rcvpkt) isack(rcvpkt,1) ) timeout start_timer rdt_rcv(rcvpkt) && notcorrupt(rcvpkt) && isack(rcvpkt,0) stop_timer rdt_rcv(rcvpkt) M. Campanella Corso Reti ed Applicazioni - Como 2004 Cap 3-2 pag. 17

18 Rdt v3.0 in azione mittente ricevente mittente ricevente (perdita) (a) Operazione senza perdite (b) Perdita di un pacchetto M. Campanella Corso Reti ed Applicazioni - Como 2004 Cap 3-2 pag. 18

19 Rdt v3.0 in azione mittente ricevente mittente ricevente Perso X (c) Perdita di un ACK (d) Timeout anticipato M. Campanella Corso Reti ed Applicazioni - Como 2004 Cap 3-2 pag. 19

20 Prestazioni di rdt v3.0 Rdt v3.0 funziona, ma le prestazioni sono pessime Esempio: linea ad 1 Gb/s, 15 ms ritardo e2e, pacchetto 1KB : T trasmis = L (lungh. Pacchetto in bit) R (velocità di trasm. B/s) = b 10 9 b/sec = 8 microsec U mittente = L / R RTT + L / R = = microsec onds U mittente : utilizzazione frazione del tempo totale in cui il mittente è occupato a inviare 1KB ogni 30 msec -> 33kB/sec su un link ad 1 Gb/s il protocollo limita l uso delle risorse di rete! M. Campanella Corso Reti ed Applicazioni - Como 2004 Cap 3-2 pag. 20

21 Rdt v3.0: operazioni stop-and-wait Primo bit del pacchetto trasmesso, t = 0 t = L / R Ultimo bit trasmesso RTT mittente ricevente Arriva il primo bit Arriva l ultimo bit, invio ACK Arriva l ACK, invio pacchetto successivo, t = RTT + L / R U mittente = L / R RTT + L / R = = microsec onds M. Campanella Corso Reti ed Applicazioni - Como 2004 Cap 3-2 pag. 21

22 Protocolli con pipelining Pipelining: il mittente fa sì che vi siano più pacchetti in volo per cui deve essere ancora dato l ACK L intervallo dei numeri di sequenza deve aumentare Vi deve essere buffering nel mittente e ricevente (a) Un protocollo stop and wait in operazione (b) Un protocollo con pipelining in operazione Due approcci al pipelining: go-back-n, ripetizione selettiva M. Campanella Corso Reti ed Applicazioni - Como 2004 Cap 3-2 pag. 22

23 Pipelining: aumento utilizzazione Primo bit del pacchetto trasmesso, t = 0 t = L / R Ultimo bit trasmesso Arriva l ACK, invio pacchetto successivo, t = RTT + L / R RTT mittente ricevente Primo bit primo pacchetto Ultimo bit 1 o pacchetto, invio ACK Ultimo bit 2 o pacchetto, invio ACK Ultimo bit 3 o pacchetto, invio ACK Aumento utilizzazione di un fattore 3 U mittente = 3 * L / R RTT + L / R = = microsecondi M. Campanella Corso Reti ed Applicazioni - Como 2004 Cap 3-2 pag. 23

24 Prestazioni Quanti pacchetti devono essere in volo per usare tutta la capacità disponibile? La linea deve essere piena ad ogni istante di bit quindi i bit in volo devono essere almeno: bit = velocità linea * ritardo e2e per una linea ad un Gb/s coast to coast in USA equivale a bit = 10 9 b/sec * sec = bit = 12,5 MB MA devo anche ricevere l ACK dei pacchetti continuando a trasmettere e quindi i dati sono almeno: bit = velocità linea * RTT che deve essere almeno pari ai buffer del mittente (il ricevente può usarne uno di dimensione inferiore). M. Campanella Corso Reti ed Applicazioni - Como 2004 Cap 3-2 pag. 24

25 Go-Back-N Il mittente: - usa un numero di sequenza di k-bit nell header di ogni pacchetto - mantiene una finestra (window) di N pacchetti non riscontrati già riscontrati inviati, non ancora riscontrati da inviare al di fuori della finestra non utilizzabili La finestra scorre (sliding window) verso numeri di sequenza più grandi mano a mano che i pacchetti vengono riscontrati ) attraverso la ricezione di ACK. Normalmente la finestra coincide con il buffer a disposizione M. Campanella Corso Reti ed Applicazioni - Como 2004 Cap 3-2 pag. 25

26 Go-Back-N già riscontrati inviati, non ancora riscontrati da inviare al di fuori della finestra non utilizzabili ACK(n): ACKs riscontra tutti i pacchetti fino alla sequenza n. E un ACK cumulativo timeout(n): l azione è ritrasmettere il pacchetto n e quelli successivi nella finestra, anche se già trasmessi (il ricevente li elimina in questo modello) Il mittente deve mantenere un timer per ogni pacchetto in volo. M. Campanella Corso Reti ed Applicazioni - Como 2004 Cap 3-2 pag. 26

27 GB-N: FSM estesa del mittente rdt_send(data) (inizializzazione) base=1 nextseqnum=1 rdt_rcv(rcvpkt) && corrupt(rcvpkt) if (nextseqnum < base+n) { sndpkt[nextseqnum] = make_pkt(nextseqnum,data,chksum) udt_send(sndpkt[nextseqnum]) if (base == nextseqnum) start_timer nextseqnum++ } else refuse_data(data) timeout start_timer udt_send(sndpkt[base]) udt_send(sndpkt[base+1]) udt_send(sndpkt[nextseqnum-1]) rdt_rcv(rcvpkt) && notcorrupt(rcvpkt) base = getacknum(rcvpkt)+1 If (base == nextseqnum) stop_timer else start_timer M. Campanella Corso Reti ed Applicazioni - Como 2004 Cap 3-2 pag. 27

28 GB-N: FSM estesa del ricevente default expectedseqnum=1 sndpkt = make_pkt(expectedseqnum,ack,chksum) rdt_rcv(rcvpkt) && notcurrupt(rcvpkt) && hasseqnum(rcvpkt,expectedseqnum) extract(rcvpkt,data) deliver_data(data) sndpkt = make_pkt(expectedseqnum,ack,chksum) expectedseqnum++ ACK (non NACK): invia sempre un ACK per il pacchetto ricevuto correttamente con il numero di sequenza più grande. Può generare ACK duplicati deve solo rmantenere expectedseqnum come stato I pacchetti ricevuti fuori ordine o duplicati: scarto minori richieste al buffer! ACK duplicati con il numero di sequenza maggiore M. Campanella Corso Reti ed Applicazioni - Como 2004 Cap 3-2 pag. 28

29 GB-N in azione perdita M. Campanella Corso Reti ed Applicazioni - Como 2004 Cap 3-2 pag. 29

30 Ripetizione Selettiva Il ricevente riscontra individualmente ogni pacchetto correttamente ricevuto bufferizza pacchetti per un loro inoltro ordinati allo strato superiore il mittente reinvia solo i pacchetti per cui non è stato ricevuto ACK un timer nel mittente per ogni pacchetto non ancora riscontrato Nella finestra del mittente vi sono N numeri di sequenza consecutivi limitata dal numero di pacchetti non ancora riscontrati M. Campanella Corso Reti ed Applicazioni - Como 2004 Cap 3-2 pag. 30

31 Ripetizione Selettiva: finestre mittente e ricevente già riscontrati inviati, non ancora riscontrati da inviare al di fuori della finestra non utilizzabili (a) la finestra dei numeri di sequenza vista dal mittente fuori sequenza riscontrati attesi, non ancora ricevuti spazio disponibile al di fuori della finestra non utilizzabili (b) la finestra dei numeri di sequenza vista dal ricevente M. Campanella Corso Reti ed Applicazioni - Como 2004 Cap 3-2 pag. 31

32 Ripetizione Selettiva mittente Dati dall applicazione : se vi è spazio nella finestra accetta ed invia timeout(n): reinvia n, riparte il timer ACK(n) in[sendbase,sendbase+n]: - segna ricevuto il pacchetto n - se n è la sequenza minore, avanza la base della finestra alla prima sequenza non riscontrata ricevente n in [rcvbase, rcvbase+n-1] - manda (n) se fuori sequenza : buffer se in sequenza: consegna in ordine all applicazione, avanza la finestra alla prima sequenza non riscontrata n in [rcvbase-n,rcvbase-1] ACK(n) altro: ignora M. Campanella Corso Reti ed Applicazioni - Como 2004 Cap 3-2 pag. 32

33 Ripetizione Selettiva in Azione M. Campanella Corso Reti ed Applicazioni - Como 2004 Cap 3-2 pag. 33

34 Ripetizione selettiva: limiti finestra Esempio: numeri di sequenza: 0, 1, 2, 3 window size=3 Il ricevente non ha modo si distringuere i due casi. Smista, sbagliando, il duplicato come nuovi dati nel caso (a) M. Campanella Corso Reti ed Applicazioni - Como 2004 Cap 3-2 pag. 34