TCP: generalità RFCs: 793, 1122, 1323, 2018, 2581

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1 TCP: generalità FCs: 793, 1122, 1323, 2018, 2581 socket door! Punto-punto: " Un sender, un receiver! Affidabile, stream di byte in ordine (in order): " no message boundaries! Pipelining: " Dim. finestra dipende dal controllo di flusso e congestione di TCP! Buffer invio & ricezione application writes data TCP send buffer segment application reads data TCP receive buffer socket door! Full duplex: " Flusso dati bi-direzionale sulla stessa connessione " MSS: Maximum Segment Size! Connection-oriented: " handshaking (scambio di msg di controllo) inizializza gli stati di mitt. e ricev. prima dello scambio dei dati! Controllo di flusso (flow control): " Il mittente non inonda (flood) il ricevente 3: Transport Layer 3b-1 Struttura dei segmenti TCP UG: dati urgnti (di solito non usato) ACK: # ACK valido PSH: push data now (di solito non usato) ST, SYN, FIN: Controllo conness. (comandi di inst., abbattimento) Internet checksum (come in UDP) 32 bit source port # dest port # head len sequence number acknowledgement number not used UAP S F checksum rcvr window size ptr urgent data Opzioni (lunghezza variabile) Dati (lunghezza variabile) Si contano i byte di dati (non i segmenti!) # byte rcvr disposto ad accettare 3: Transport Layer 3b-2

2 # seq. e ACK in TCP Numeri di sequenza: " Numero del primo byte presente nel segmento ACK: " # seq del prossimo byte atteso dal lato remoto " ACK cumulativi " D.: come il ricevente tratta segmenti fuori ordine ".: TCP non specifica, dipende dall implementazion e L utente digita C host dà ACK di ricezione Host A Host B Seq=42, ACK=79, data = C Seq=79, ACK=43, data = C Seq=43, ACK=80 Semplice scenario telnet host dà ACK di ricezione, trasmette C Tempo 3: Transport Layer 3b-3 TCP: trasferimento affidabile evento: dati da applicazione Crea, invia segmento wait Attesa for evento evento: timeout per il segmento con # seq y itrasmetti il segmento Versione semplificata del sender, assumendo: Trasferimento unidirezionale Nessun controllo di flusso e congestione evento: ricevuto ACK, con # ACK y Processamento ACK 3: Transport Layer 3b-4

3 TCP: T Sender TCP semplificato: nessun controllo di flusso o cong. Attenzione: simile ma non uguale a Go-Back-N 00 sendbase = initial_sequence number 01 nextseqnum = initial_sequence number loop (forever) { 04 switch(event) 05 event: data received from application above 06 create TCP segment with sequence number nextseqnum 07 start timer for segment nextseqnum 08 pass segment to IP 09 nextseqnum = nextseqnum + length(data) 10 event: timer timeout for segment with sequence number y 11 retransmit segment with sequence number y 12 compute new timeout interval for segment y 13 restart timer for sequence number y 14 event: ACK received, with ACK field value of y 15 if (y > sendbase) { /* cumulative ACK of all data up to y */ 16 cancel all timers for segments with sequence numbers < y 17 sendbase = y 18 } 19 else { /* a duplicate ACK for already ACKed segment */ 20 increment number of duplicate ACKs received for y 21 if (number of duplicate ACKS received for y == 3) { 22 /* TCP fast retransmit */ 23 resend segment with sequence number y 24 restart timer for segment y 25 } 26 } /* end of loop forever */ 3: Transport Layer 3b-5 TCP generazione degli ACK [FC 1122, FC 2581] Evento Arrivo segmento in ordine, nessun buco, tutti i segmenti precedeni confermati Arrivo segmento in ordine, nessun buco, un ACK ritardato in attesa Arrivo segmento fuori ordine, # seq maggiore di quello atteso, individuato buco Arrivo segmento che riempie un buco parzialmente o totalmente Azione del ricevente ACK ritardato. Attendi il prossimo segmento per al più 500ms. Se non arriva invia ACK Manda subito un ACK cumulativo Manda ACK duplicato, con numero sequenza del prossimo byte atteso ACK immediato se il segmento inizia all estremità inferiore del buco 3: Transport Layer 3b-6

4 TCP: possibili casi di ritrasmissione Host A Host B Host A Host B timeout Seq=92, 8 bytes data X loss ACK=100 Seq=92, 8 bytes data Seq=100 timeout Seq=92 timeout Seq=92, 8 bytes data Seq=100, 20 bytes data ACK=100 ACK=120 Seq=92, 8 bytes data ACK=100 ACK=120 Tempo Scenario 1: ACK perso Tempo Scenario2: timeout prematuro, ACK cumulativi 3: Transport Layer 3b-7 TCP: Controllo del flusso Controllo di flusso Mitt. non riempie i buffer del ricevente inviando troppi dati troppo velocemente cvbuffer = dim. del buffer di ricezione TCP cvwindow = spazio disponibile (spare) nel Buffer icevente: informa esplicitamente il mitt. circa lo spazio ancora disponibile nei buffer " Campo cvwindow nel segmento TCP Mittente: mantiene la quantità di dati trasmessi e non ancora confermati (unacked), al di sotto del valore cvwindow più recente Buffering in ricezione 3: Transport Layer 3b-8

5 TCP: ound Trip Time e Timeout D: come stabilire il valore di timeout?! Almeno TT " nota: TT può variare! Troppo breve: timeout prematuro " itrasmissioni superflue! Troppo lungo: reazione lenta a perdita di segmenti D: come stimare il TT?! SampleTT: tempo misurato tra invio di un segmento e arrivo dell ACK corrispondente " Si ignorano le ritrasmissioni e i segmenti confermati da ACK cumulativi " SampleTT varia rapidamente, si vuole una stima più costante " Si usa l insieme delle stime più recenti e non solo l ultimo valore di SampleTT (EstimatedTT) 3: Transport Layer 3b-9 TCP: ound Trip Time e Timeout/cont. EstimatedTT = (1-x)*EstimatedTT + x*samplett! Exponential weighted moving average! L influenza di un singolo campione decresce a ritmo esponenziale! Valore tipico per x: 0.1 Calcolo del valore di timeout! EstimtedTT più margine di sicurezza ( safety margin )! Grande variazione di EstimatedTT -> margine di sicurezza più ampio Timeout = EstimatedTT + 4*Deviation (stima valor medio di SampleTT) Deviation = (1-x)*Deviation + x* SampleTT-EstimatedTT (stima varianza di SampleTT) 3: Transport Layer 3b-10

6 TCP Gestione delle connessioni (Connection Management) Sender e receiver TCP creano una connessione prima di scambiarsi segmenti dati! Iniz. variabili TCP : " Numeri di sequenza " Buffer, info per controllo di flusso (es. cvwindow)! client: inizia la connessione Socket clientsocket = new Socket( hostname","port number");! server: contattato dal client Socket connectionsocket = welcomesocket.accept(); Instaurazione in tre passi (three way handshake): Passo 1: client invia segmento di controllo TCP SYN al server " specifica # seq. iniziale Passo 2: server riceve SYN, risponde con segmento di controllo SYNACK " Conferma ricezione SYN " alloca buffer " Specifica # seq. iniziale server-> receiver Passo 3: il client riceve SYNACK, invia segmento con campo SYN = 0 ed eventualmente dati 3: Transport Layer 3b-11 TCP Gestione delle connessioni (cont.) Chiusura di una connessione: Il client chiude il socket: clientsocket.close(); close client FIN server Passo 1: client invia il segmento di controllo TCP FIN al server ACK FIN close Passo 2: server riceve FIN, risponde con ACK. Chiude la connessione, invia FIN. Timed wait ACK closed 3: Transport Layer 3b-12

7 TCP Gestione delle connessioni (cont.) Passo 3: client riceve FIN, risponde con ACK. " Entra Attesa ( timed wait ) - risponde con ACK ai segmenti FIN ricevuti Passo 4: server riceve ACK. Connessione chiusa. closing Timed wait client FIN ACK FIN ACK server closing closed closed 3: Transport Layer 3b-13 TCP Gestione connessioni (cont) Ciclo di vita del server TCP Ciclo di vita del client TCP 3: Transport Layer 3b-14

8 Generalità sul Controllo della Congestione Congestione:! Informalmente: troppe sorgenti mandano dati troppo velocemente perché la rete possa smaltirli! Controllo di congestione diverso dal controllo di flusso!! Sintomi: " Pacchetti persi (overflow nei buffer dei router) " Lunghi ritardi (accodamento nei buffer dei router)! Un problema di primaria importanza! 3: Transport Layer 3b-15 Cause/costi della congestione: scenario 1! Due mittenti, due riceventi! Un router, buffer infiniti! Nessuna ritrasmissione! Grandi ritardi se congestione! Throughput (ritmo di trasm.) massimo ottenibile 3: Transport Layer 3b-16

9 Cause/costi della congestione: scenario 2! Un router, buffer finiti! Il mittente ritrasmette i pacchetti persi 3: Transport Layer 3b-17 Cause/costi della congestione: scenario 2! in! out! Senza perdita: = (goodput)! >! in out! itrasmissione perfetta solo in caso di perdita:! La ritrasmissione dei pacchetti ritardati (non persi) rende! più grande di! in out nel caso perfetto Costi della congestione:! Più lavoro (ritrasmissioni) per un determinato rate effettivo! itrasmissioni superflue: il link trasporta copie multiple del pacchetto 3: Transport Layer 3b-18

10 Cause/costi congestione: scenario 3! Quattro mittenti! Cammini con più hop (salti)! Timeout/ritrasmissione D: che succede se il traffico offerto da B cresce a dismisura? 3: Transport Layer 3b-19 Cause/costi congestione: scenario 3 (cont.) Un altro costo della congestione:! Quando un pacchetto è scartato, tutta la banda usata per consegnarlo è stata sprecata 3: Transport Layer 3b-20

11 Generalità sul controllo della congestione Due alternative di massima: Controllo end-toend:! Nessuna misura esplicita dalla rete! Congestione dedotta da perdita di pacchetti/ritardo! TCP usa questo approccio Controllo assistito dalla rete :! I router raccolgono misure e le inviano agli host " Uso di bit di congestione (SNA, DECbit, TCP/IP ECN, ATM) " Si indica esplicitamente il ritmo al quale il mittente dovrebbe trasmettere 3: Transport Layer 3b-21 Case study: ATM AB congestion control AB: available bit rate:! elastic service! if sender s path underloaded : " sender should use available bandwidth! if sender s path congested: " sender throttled to minimum guaranteed rate M (resource management) cells:! sent by sender, interspersed with data cells! bits in M cell set by switches ( network-assisted ) " NI bit: no increase in rate (mild congestion) " CI bit: congestion indication! M cells returned to sender by receiver, with bits intact 3: Transport Layer 3b-22

12 Case study: ATM AB congestion control! two-byte E (explicit rate) field in M cell " congested switch may lower E value in cell " sender send rate thus minimum supportable rate on path! EFCI bit in data cells: set to 1 in congested switch " if data cell preceding M cell has EFCI set, sender sets CI bit in returned M cell 3: Transport Layer 3b-23 Controllo della congestione in TCP! Controllo end-to-end! itmo di trasmissione limitato da una finestra di congestione, Congwin, sul numero di segmenti: Congwin! w segmenti, ciascuno con MSS byte inviati in un TT: throughput = w * MSS TT Byte/sec 3: Transport Layer 3b-24

13 Controllo della congestione in TCP (2)! Stima della banda disponibile: " Idealmente: trasmissione al massimo ritmo possibile (Congwin max. possibile) senza perdita " Aumenta Congwin fino alla perdita (congestione) " Perdita: decrementa Congwin, poi inizia nuovamente la stima (aumento)! Due fasi " Slow start (avvio lento) " congestion avoidance (evitare la congestione)! Variabili importanti: " Congwin " threshold: definisce la soglia di passaggio da una fase di slow start a quella di controllo di congestione successiva 3: Transport Layer 3b-25 TCP: Slow start Algoritmo Slowstart Iniz.: Congwin = 1 for (each segment ACKed) Congwin=Congwin++ until (loss event O CongWin > threshold) TT Host A Host B Un segmento Due segmenti Quattro segmenti! Aumento esponenziale della dim. finestra (per TT)! Perdita: timeout (Tahoe TCP) e/o tre ACK duplicati (eno TCP) Tempo 3: Transport Layer 3b-26

14 TCP: controllo della congestione Controllo congestione /* slowstart is over */ /* Congwin > threshold */ Until (loss event) { every w segments ACKed: Congwin++ } threshold = Congwin/2 Congwin = 1 1 perform slowstart 1: TCP eno non fa slowstart dopo icezione di tre ACK duplicati 3: Transport Layer 3b-27 AIMD Controllo di congestione TCP :! AIMD: additive increase, multiplicative decrease " Aumento della finestra di 1 per TT " Decremento della finestra di un fattore 2 in caso di perdita TCP Fairness (equità) Obiettivo: se N connessionitcp condividono un collo di bottiglia ciascuna dovrebbe ricevere 1/N della capacità del link Connessione TCP 1 Connessione TCP 2 outer collo di bottiglia Con capacità 3: Transport Layer 3b-28

15 perché TCP è equo? Due sessioni contemporanee:! Aumento additivo dà pendenza 1, quando il throughput cresce! Decremento moltiplicativo diminuisce il throughput in modo proporzionale Suddivisione equa della banda Throughput connessione 2 Throughput connessione 1 Perdita: decr. Finestra di un fattore 2 Controllo congestione: incremento additivo Perdita: decr. Finestra di un fattore 2 Controllo congestione: incremento additivo 3: Transport Layer 3b-29 TCP latency modeling Q: How long does it take to receive an object from a Web server after sending a request?! TCP connection establishment! data transfer delay Notation, assumptions:! Assume one link between client and server of rate! Assume: fixed congestion window, W segments! S: MSS (bits)! O: object size (bits)! no retransmissions (no loss, no corruption) Two cases to consider:! WS/ > TT + S/: ACK for first segment in window returns before window s worth of data sent! WS/ < TT + S/: wait for ACK after sending window s worth of data sent 3: Transport Layer 3b-30

16 TCP latency Modeling K:= O/WS Case 1: latency = 2TT + O/ Case 2: latency = 2TT + O/ + (K-1)[S/ + TT - WS/] 3: Transport Layer 3b-31 TCP Latency Modeling: Slow Start! Now suppose window grows according to slow start.! Will show that the latency of one object of size O is: O ' S $ P Latency = 2 TT + + P TT! (2! 1) % + & " # where P is the number of times TCP stalls at server: P = min { Q, K! 1} S - where Q is the number of times the server would stall if the object were of infinite size. - and K is the number of windows that cover the object. 3: Transport Layer 3b-32

17 TCP Latency Modeling: Slow Start (cont.) Example: O/S = 15 segments K = 4 windows Q = 2 P = min{k-1,q} = 2 initiate TCP connection request object TT first window = S/ second window = 2S/ third window = 4S/ Server stalls P=2 times. fourth window = 8S/ object delivered time at client time at server complete transmission 3: Transport Layer 3b-33 TCP Latency Modeling: Slow Start (cont.) S + TT = time from when server starts to send segment until server receives acknowledgement k! S 2 1 = time to transmit the kth window initiate TCP connection request object first window = S/ + & S k' S 2 1 # $ + TT ' = stall time after the kth window %! " TT second window = 2S/ third window = 4S/ latency = = = O + 2TT + O + 2TT + P " p= 1 P " k= 1 stalltime S [ + TT! 2 k! 1 O S + 2TT + P[ TT + ]! (2 p P S ]! 1) S object delivered time at client time at server fourth window = 8S/ complete transmission 3: Transport Layer 3b-34

18 Chapter 3: Summary! principles behind transport layer services: " multiplexing/demultiplexi ng " reliable data transfer " flow control " congestion control! instantiation and implementation in the Internet " UDP " TCP Next:! leaving the network edge (application transport layer)! into the network core 3: Transport Layer 3b-35