Il livello di trasporto

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1 Politecnico di Milano Advanced Network Technologies Laboratory Il livello di trasporto - Il protocollo UDP (User Datagram Protocol) - Il protocollo TCP (Transport Control Protocol)

2 Servizio di trasporto o Il livello di trasporto ha il compito di instaurare un collegamento logico tra le applicazioni residenti su host remoti o Il livello di trasporto rende trasparente il trasporto fisico dei messaggi alle applicazioni Applicativo (7) Processi software HTTP FTP SMTP Trasporto (4) TCP UDP Rete (3) IP Livelli inferiori

3 Servizio di trasporto o Il livello di trasporto è presente solo negli end systems (host) o Esso consente il collegamento logico tra processi applicativi IP prot. appl. TCP o UDP IP Data Link Phisical DL DL Ph Ph connessione logica tra end-system IP IP prot. appl. TCP o UDP IP Data Link Phisical DL DL DL DL DL DL Ph Ph Ph Ph Ph Ph

4 Servizio di trasporto o Più applicazioni possono essere attive su un end system n Il livello di trasporto svolge funzioni di multiplexing/demultiplexing n Ciascun collegamento logico tra applicazioni è indirizzato dal livello di trasporto protocolli applicativi entità di trasporto indirizzo di liv. trasporto (SAP di livello 4) http ftp smtp http ftp smtp protocollo di trasporto entità di trasporto livello rete livello rete

5 Indirizzamento: le porte o In Internet le funzioni di multiplexing/demultiplexing vengono gestite mediante indirizzi contenuti nelle PDU di livello di trasporto o Tali indirizzi sono lunghi 16 bit e prendono il nome di porte o I numeri di porta possono assumere valori compresi tra 0 e o I numeri noti sono assegnati ad applicativi importanti dal lato del server (HTTP, FTP, SMTP, DNS, ecc.) o I numeri dinamici sono assegnati dinamicamente ai processi applicativi lato client numeri noti numeri assegnati numeri dinamici

6 Socket o Il numero di porta e l indirizzo IP identifica in modo univoco un processo applicativo (client o server) in esecuzione su un host o La coppia di indirizzi prende il nome di indirizzo di socket o I socket dei due processi in colloquio sono sempre contenuti negli header di livello IP e trasporto appl. appl. trasporto trasporto livello rete livello rete

7 Socket e connessioni o Un client si connette alla porta di un server SMTP remoto (servizio di posta elettronica) CLIENT Net. Add Port: SERVER Net. Add Port: 25 o Due client accedono alla stessa porta di un server HTTP; non c è comunque ambiguità, perché la coppia di socket è diversa CLIENT CLIENT Net. Add Port Net. Add Port SERVER Net. Add Port 80

8 Servizio di trasporto o Il servizio di trasporto fornito può essere di vari tipi n Trasporto affidabile (garanzia di consegna dei messaggi nel corretto ordine) n Trasporto non affidabile (solo funzionalità di indirizzamento) n Trasporto orientato alla connessione n Trasporto senza connessione o Nella suite IP sono definiti due tipi di trasporto n TCP (Transmission Control Protocol), orientato alla connessione e affidabile n UDP (User Datagram Protocol), senza connessione e non affidabile

9 Applicazioni e trasporto o In base al tipo di applicazione viene scelto il tipo di protocollo di trasporto più adatto Source: Computer Networking, J. Kurose

10 Servizio di Buffering o I protocolli di trasporto sono implementati nei più diffusi sistemi operativi o Quando un processo viene associato ad una porta (lato client o lato server) viene associato dal sistema operativo a due code, una d ingresso e una d uscita o Funzionalità di buffering dei dati processo applicativo client processo applicativo server porta livello di trasporto porta 80

11 User Datagram Protocol (UDP) RFC 768 o E il modo più semplice di usare le funzionalità di IP o Non aggiunge nulla a IP se non: n Indirizzamento delle applicazioni (mux/demux) n Blando controllo d errore sull header (senza correzione) o e quindi n E un protocollo datagram n Non garantisce la consegna n Non esercita nessun controllo (né di flusso, né di errore) 1 32 bit source port length destination port checksum 8 BYTE

12 Il campo Checksum: controllo di integrità o Informazione ridondante inserita nell header del segmento UDP per controllo d errore o Il campo di checksum (16 bit) è calcolato dal trasmettitore ed inserito nell header o Il ricevitore ripete lo stesso calcolo sul segmento ricevuto (comprensivo di checksum) o Se il risultato è soddisfacente accetta il segmento altrimenti lo scarta

13 UDP checksum: pseudo-header o Il checksum si calcola in modo analogo a quello del checksum IP o Ma non viene calcolato solo considerando l header UDP, ma anche uno pseudo-header IP ed i DATI 1 32 bit source IP address destination IP address tutti 0 protocol UDP length N. porta sorgente Lungh. trama N. porta destinazione Checksum pseudo-header UDP-header

14 Transmission Control Protocol (TCP) RFC 793 et al. o Il TCP è un protocollo di trasporto che: n Assicura il trasporto affidabile n In corretta sequenza n Senza errori dei dati o Mediante TCP è possibile costruire applicazioni che si basano sul trasferimento di file senza errori tra host remoti (web, posta elettronica, ecc.) o E alla base della filosofia originaria di Internet: servizio di rete semplice e non affidabile, servizio di trasporto affidabile o Il TCP effettua anche un controllo di congestione end-to-end che limita il traffico in rete e consente agli utenti di condividere in modo equo le risorse

15 TCP: connection oriented o Il TCP è orientato alla connessione (connection oriented): n Prima del trasferimento di un flusso dati occorre instaurare una connessione mediante opportuna segnalazione n Le connessioni TCP si appoggiano su una rete connectionless (datagram) n Le connessioni TCP sono di tipo full-duplex (esiste sempre un flusso di dati in un verso e nel verso opposto, anche se questi possono essere quantitativamente diversi) setup fase dati tear down

16 TCP: controllo di flusso o Il TCP usa un controllo di flusso: n Il flusso dei dati in ingresso in rete è regolato sulla base della capacità del ricevitore di riceverli n Il controllo è basato su una sliding window sorgente destinazione utente

17 Il concetto di finestra scorrevole o La finestra scorrevole definisce in trasmissione i byte che possono essere trasmessi senza dover aspettare alcun ACK

18 Il concetto di finestra scorrevole ACK dei byte 1, 2 e 3 o La finestra scorre a destra di un numero di posizioni pari al numero di byte riscontrati

19 TCP: controllo di congestione o Il flusso dei dati in ingresso in rete è anche regolato dalla situazione di traffico in rete o Se il traffico in rete porta a situazioni di congestione il TCP riduce velocemente il traffico in ingresso o In rete non vi è nessun meccanismo per notificare esplicitamente le situazioni di congestione o Il TCP cerca di scoprire i problemi di congestione sulla base degli eventi di perdita dei pacchetti

20 TCP: controllo di congestione o Il meccanismo si basa ancora sulla sliding window la cui larghezza viene dinamicamente regolata in base alle condizioni in rete (perdita di pacchetti) o Tutti i flussi possono essere ridotti in modo tale che la capacità della rete venga condivisa da tutti in misura se possibile uguale

21 TCP: flusso dati o Il TCP è orientato alla trasmissione di flussi continui di dati (stream di byte) o Il TCP converte il flusso di dati in segmenti che possono essere trasmessi in IP o Le dimensioni dei segmenti sono variabili o L applicazione trasmittente passa i dati (byte) a TCP e TCP li accumula in un buffer. o Periodicamente, o quando avvengono particolari condizioni, il TCP prende una parte dei dati nel buffer e forma un segmento o La dimensione del segmento è critica per le prestazioni, per cui il TCP cerca di attendere fino a che un ammontare ragionevole di dati è presente nel buffer di trasmissione

22 TCP: numerazione byte e riscontri o Per assicurare il trasferimento affidabile del flusso dati su una rete che non garantisce affidabilità il TCP adotta un meccanismo per il controllo delle perdite di pacchetti di tipo Go-Back-N o Sistema di numerazione e di riscontro dei dati inviati n TCP numera ogni byte trasmesso, per cui ogni byte ha un numero di sequenza n Nell header del segmento TCP è trasportato il numero di sequenza del primo byte nel segmento stesso n Il ricevitore deve riscontrare i dati ricevuti inviando il numero di sequenza del prossimo byte che ci si aspetta di ricevere. n Se un riscontro non arriva entro un dato timeout, i dati sono ritrasmessi

23 Segmento TCP Source Port 16 bit Destination Port 16 bit Sequence Number 32 bit 20 byte Acknowledgment Number 32 bit HLEN 4 bit Reserved 6 bit U R G A C K P S H R S T S Y N FI N Window 16 bit Fino a 40 byte Checksum 16 bit Options e Padding lunghezza variabile Urgent Pointer 16 bit Dati lunghezza variabile

24 Header Segmento TCP (1) o o o o o o Source port, Destination port: indirizzi di porta sorgente e porta destinazione di 16 bit Sequence Number: il numero di sequenza del primo byte nel payload Acknowledge Number: numero di sequenza del prossimo byte che si intende ricevere (numero valido solo se ACK valido) HLEN (4 bytes words): contiene la lunghezza complessiva dell header TCP, che DEVE essere un multiplo intero di 32 bit Window: contiene il valore della finestra di ricezione come comunicato dal ricevitore al trasmettitore Checksum: CRC calcolato su un header virtuale ottenuto aggiungendo gli indirizzi IP di sorgente e di destinazione (comprende i dati)

25 Header Segmento TCP (2) o o Flag: n n n n n n URG: vale uno se vi sono dati urgenti; in questo caso urgent pointer punta al primo byte dei dati urgenti all interno dei dati ACK: vale uno se il pacchetto è un ACK valido; in questo caso l acknowledge number contiene un numero valido PSH: vale uno quando il trasmettitore intende usare il comando di PUSH; il ricevitore può anche ignorare il comando (dipende dalle implementazioni) RST: reset, resetta la connessione senza un tear down esplicito SYN: synchronize; usato durante il setup per comunicare i numeri di sequenza iniziale FIN: usato per la chiusura esplicita di una connessione Options and Padding: riempimento (fino a multipli di 32 bit) e campi opzionali come ad esempio durante il setup per comunicare il MSS (il valore di default è 536 byte)

26 Opzioni o Le opzioni sono aggiunte all header TCP o Opzioni di 1 byte: n no operation: (serve come riempimento per avere un header multiplo di 32 bit) n end of option: (byte di riempimento finale) o Opzioni lunghe: n Maximum segment size (MSS) n Fattore di scala della finestra n Timestamp

27 Opzioni: Maximum Segment Size (MSS) o Definisce la dimensione massima del segmento che verrà usata nella connessione TCP o La dimensione è decisa dal mittente durante la fase di setup o Valore di default è 536 byte, il valore massimo byte Code ( ) Length ( ) MSS 16 bit

28 Opzioni: Fattore di scala della finestra o Definisce il fattore di scala della finestra (campo window dell header IP) o Il valore di default è 1 byte o Con l opzione il valore viene modificato di un fattore pari a 2 elevato al valore contenuto nel campo fattore di scala Code ( ) Length ( ) Fattore di scala 8 bit

29 Opzioni: timestamp (poco usata) o Usata per stimare il Round Trip Time (RTT) o La sorgente stampa l istante di trasmissione del pacchetto in Timestamp value o La destinazione stampa in Timestamp echo reply il valore ricevuto in Timestamp value quando invia un ACK per il segmento in questione

30 Servizi e porte o La divisione tra porte note, assegnate e dinamiche è la stessa che per UDP o Alcuni delle applicazioni più diffuse: FTP signalling FTP data telnet SMTP DNS HTTP

31 Setup delle connessioni client application TCP 2. Active Open server application TCP 1. Passive Open o Prima del call setup le applicazioni dal lato client e dal lato server devono comunicare con il software TCP n 1. Il server fa una Passive Open, che comunica al TCP locale che e pronto per accettare nuove connessioni n 2. Il client che desidera comunicare fa una Active Open, che comunica al TCP locale che l applicativo intende effettuare una connessione verso un dato socket

32 Setup delle connessioni client application server application TCP 3. SYN, SN=67803 TCP o 3. Il client TCP estrae a caso un numero di sequenza iniziale (67803) e manda un messaggio di SYNchronize (flag SYN=1) contenente questo numero di sequenza. Eventualmente indica anche i parametri della connessione (MSS, Windows Scale) o L estrazione del numero iniziale serve a evitare problemi nel caso in cui il setup non va a buon fine a causa della perdita di pacchetti e un nuovo setup viene iniziato subito dopo

33 Setup delle connessioni client application TCP 4. SYN / ACK, SN=5608, AN=67804 server application TCP o Quando riceve il SYN, il TCP server estrae a caso un numero di sequenza iniziale (5608) e manda un segmento SYN/ACK (flag SYN=1, flag ACK=1) contenente anche un acknowledgment number uguale a 67804, per riscontrare il numero di sequenza iniziale precedentemente inviato dal TCP client.

34 Setup delle connessioni client application server application TCP 5. ACK, SN=67804, AN=5609 TCP o Il TCP client riceve il messaggio SYN/ACK del server, e invia un ACK per il Nel payload inserisce i primi dati della connessione con numero di sequenza del primo byte pari a Inserisce anche la dimensione della finestra del server.

35 Setup delle connessioni client application TCP 6. Connection Open server application TCP 7. Connection Open o Il TCP client notifica all applicazione che la connessione è aperta o Quando il TCP server riceve l ACK del TCP client, notifica al suo applicativo che la connessione è aperta

36 Setup delle connessioni (sommario) client application server application 2. Active Open 6. Connection Open 1. Passive Open 7. Connection Open TCP TCP 3. SYN, SN= SYN / ACK, SN=5608, AN= ACK, SN=67804, AN=5609

37 Set delle connessioni (summary) Source: TCP/IP Protocol Suite, B. Forouzan.

38 Tear down (chiusura) delle connessioni client application server application TCP 1. FIN, SN= ACK, AN= TCP o 1. Il TCP che chiude la connessione invia un messaggio di FIN (flag FIN=1) con gli ultimi dati o 2. Il TCP dall altra parte invia un ACK per confermare

39 Tear down (chiusura) delle connessioni client application server application SN=8763 TCP TCP SN=9001 o La connessione rimane comunque aperta nell altra direzione e quindi il TCP dall altra parte può continuare ad inviare dati

40 Tear down (chiusura) delle connessioni client application server application TCP 3. FIN, SN= ACK, AN=9025 TCP o 3. Infine, il TCP dall altra parte chiude la connessione invia un messaggio di FIN (flag FIN=1) o 4. Il TCP che aveva già chiuso la connessione in direzione opposta invia un ACK finale per confermare

41 Tear down delle connessioni client application server application TCP TCP 1. FIN, SN= ACK, SN=8763, AN= FIN, SN= ACK, AN=9026

42 Reset della connessione o La connessione può anche essere chiusa senza scambio di messaggi nei due versi o E possibile infatti settare il flag di RESET nel segmento e interrompere la connessione in entrambe le direzioni o Il TCP che riceve un RESET chiude la connessione interrompendo ogni invio di dati

43 Implementazione del controllo di flusso o Il TCP ricevente controlla il flusso di quello trasmittente o Lato ricevitore: n Buffer di ricezione: accumula i byte ricevuti e non ancora assorbiti dall applicazione o Lato trasmettitore: n Buffer di trasmissione: accumula i byte in attesa di essere trasmessi

44 Controllo di flusso: lato ricevitore o Receiver Window (RCVWND): spazio del buffer in ricezione disponibile per ricevere nuovi dati o Il buffer di ricezione può riempirsi, per esempio, a causa di congestione nel sistema operativo del ricevitore o RCWND si estende dall ultimo byte inoltrato all applicazione fino alla fine del buffer o La dimensione di RCWND è segnalata in ogni segmento inviato dal ricevitore al trasmettitore Receive Window Receive Window 1300 Receive Window Receive Window assorbimento dell applicazione 1600

45 Controllo di flusso: lato trasmettitore o Il trasmettitore mantiene un buffer di trasmissione che tiene traccia di n Dati che sono stati trasmessi ma non ancora riscontrati n Dimensione della finestra di ricezione del partner unacked Send Window Send Window o Il buffer di trasmissione si estende dal primo byte non riscontrato all estremo a destra della finestra di ricezione del ricevitore o Sender Window (SNDWND): parte inutilizzata del buffer, rappresenta i byte che possono essere trasmessi senza attendere ulteriori riscontri ACK=1201, Window = unacked ACK=1301, Window = Send Window 1400 Send Window 1600

46 Controllo di flusso: un esempio (W=4) sorgente SN=0 SN=1 SN=2 SN=3 SN=4 SN=5 SN=6 destinazione buffer AN=1 W=3 AN=2 W=3 AN=3 W=3 AN=4 W=2 AN=5 W=1 AN=6 W=0 AN=6 W= applicazione 0 1 2,3,4,5

47 Problemi con la finestra o Silly window syndrome - lato ricevitore: n Il ricevitore svuota lentamente il buffer di ricezione n Invia segmenti con finestra molto piccola n Il trasmettitore invia segmenti corti con molto overhead o Soluzione (algoritmo di Clark) n Il ricevitore mente al trasmettitore indicando una finestra nulla sino a che il suo buffer di ricezione non si è svuotato per metà o per una porzione almeno pari al MSS min (1/2 Receive_Buffer_Size, Maximum_Segment_Size).

48 Problemi con la finestra o Silly window syndrome - lato trasmettitore: n L applicazione genera dati lentamente n Invia segmenti molto piccoli man mano che vengono prodotti o Soluzione (algoritmo di Nagle) n Il TCP sorgente invia la prima porzione di dati anche se corta n Gli altri segmenti vengono generati e inviati solo se o Il buffer d uscita contiene dati sufficienti a riempire un MSS o Oppure, quando si riceve un acknowledgement per il segmento precedente.

49 Push o Il normale funzionamento dell inoltro del flusso di byte può essere alterato esplicitamente quando ci sono dati che richiedono di essere immediatamente consegnati all applicazione ricevente o Per ottenere un inoltro immediato dei dati da parte del TCP ricevente l applicazione può inviare un comando di PUSH o Per ottenere analogo comportamento dall applicazione ricevente viene settato il flag di PUSH nel segmento o E questo il caso di applicazioni come TELNET

50 Dati URGENT o Alternativamente, i dati possono essere marcati come URGENT o In questo caso il meccanismo costituisce un vero e proprio meccanismo di segnalazione in banda o I dati urgenti sono identificati all interno del flusso di dati (e letti per primi) HLEN 4 bit Reserved 6 bit Source Port 16 bit U R G A C K Checksum 16 bit PS H Sequence Number 32 bit Acknowledgment Number 32 bit RS T SY N FI N Options e Padding lunghezza variabile Destination Port 16 bit Window 16 bit Urgent Pointer 16 bit dati

51 Controllo d errore o Detection: n Segmenti corrotti n Segmenti persi n Segmenti duplicati n Segmenti fuori sequenza o Correction n Ritrasmissione n Discarding n Riordino Checksum, Acknowledgements Timer/Time out

52 Controllo d errore o Il meccanismo di controllo d errore del TCP serve a recuperare pacchetti persi in rete o La causa principale della perdita è l overflow di una delle code dei router attraversati a causa della congestione o Il meccanismo di ritrasmissione è di tipo Go-back-N con Timeout o La finestra di trasmissione (valore di N) dipende dal meccanismo di controllo di flusso e di congestione o L orologio per la ritrasmissione di un segmento viene inizializzato al momento della trasmissione e determina la ritrasmissione quando raggiunge il valore del Timeout

53 Controllo d errore esempio 1: senza errori MSS=100 byte ACK=6 byte Window= 4 MSS SN=100 AN=406 SN=200 AN=406 SN=300 AN=406 SN=400 AN=412 SN=500 AN=418 SN=600 AN=424 SN=700 AN=430 SN=406 AN=200 SN=412 AN=300 SN=418 AN=400 SN=424 AN=500 SN=430 AN=600 SN=436 AN=700

54 Controllo d errore esempio 2: errore nei dati MSS=100 byte Window= 4 MSS timeout SN=100 AN=406 SN=200 AN=406 SN=300 AN=406 SN=400 AN=412 SN=500 AN=412 SN=200 AN=424 SN=406 AN=200 SN=412 AN=200 SN=418 AN=200 SN=424 AN=200

55 Controllo d errore esempio 3: errore nell ack MSS=100 byte Window= 4 MSS SN=100 AN=406 SN=200 AN=406 SN=300 AN=406 SN=400 AN=406 SN=500 AN=412 SN=600 AN=412 SN=700 AN=412 SN=406 AN=200 SN=412 AN=300 SN=418 AN=400 SN=424 AN=500 SN=412 AN=600 SN=418 AN=700 timeout

56 Gestione del Time-Out o Uno dei problemi è stabilire il valore ottimo del timeout: n n Timeout troppo breve, il trasmettitore riempirà il canale di ritrasmissioni di segmenti, Timeout troppo lungo impedisce il recupero veloce di reali errori o Il valore ottimale dipende fortemente dal ritardo in rete (rete locale o collegamento satellitare?) o Il TCP calcola dinamicamente un valore opportuno per il timeout stimando il RTT (Round Trip Time)

57 Variabilità RTT

58 Stima del RTT o Il TCP adatta il timeout di trasmissione alle condizioni reali della rete tramite gli algoritmi di Karn e Jacobson o I campioni di round-trip-time {RTT (i) } sono definiti come il tempo che passa tra la trasmissione di un segmento e la ricezione del relativo riscontro Stima del valor medio o Sulla base delle misure il sender TCP calcola lo Smoothed Rount Trip Time (SRTT) tramite l algoritmo di Jacobson SRTT (i) = (1-α ) SRTT (i-1) + α RTT (i). o Con α compreso tra 0 e 1 (tipicamente 1/8)

59 Stima del RTT Stima della deviazione standard o Oltre al valor medio viene anche stimata la deviazione standard dei RTT DEV = RTT (i) - SRTT (i-1) o Anche delle deviazione standard viene calcolato un valore filtrato (smoothed): SDEV (i) = 3/4 SDEV (i-1) +1/4 DEV

60 Calcolo del Time Out o Sulla base dei valori stimati il timeout è calcolato come TIMEOUT = SRTT + 2 SDEV o All inizio SRTT viene posto uguale a zero e SDEV = 1.5 s, e quindi il valore del timeout parte a 3 s o A seguito di una ritrasmissione è meglio passare all algoritmo di Karn: n n n n RTT non viene aggiornato Il timeout è moltiplicato per un fattore fisso (tipicamente 2) Il timeout cresce fino ad un valore massimo Dopo un numero massimo di ritrasmissioni la connessione viene chiusa

61 Qualità della stima RTT

62 Persistenza o Se il destinatario fissa a zero la finestra di ricezione la sorgente TCP interrompe la trasmissione o La trasmissione riprende quando il destinatario invia un ACK con una dimensione della finestra diversa da zero o Nel caso in cui questo ACK andasse perso la connessione rimarrebbe bloccata o Per evitare questa situazione si usa un timer di persistenza che viene attivato quando arriva un segmento con finestra nulla o Se il timer di persistenza scade (valore di timeout uguale a quello di ritrasmissione) viene inviato un piccolo segmento di sonda (probe) o Se viene ricevuto un ACK si esce dallo stato critico altrimenti al nuovo scadere del timeout si invia un altro probe

63 Controllo di congestione o Il controllo di flusso n Dipende solo dalla capacità del ricevitore n Non è sufficiente ad evitare la congestione nella rete o Nella rete INTERNET attuale non ci sono meccanismi sofisticati di controllo di congestione a livello di rete (come ad esempio meccanismi di controllo del traffico in ingresso) o Il controllo di congestione è delegato al TCP!!! o Essendo il TCP implementato solo negli host il controllo di congestione è di tipo end-to-end

64 Controllo di congestione o Il modo più naturale per controllare il ritmo di immissione in rete dei dati per il TCP è quello di regolare la finestra di trasmissione o Il trasmettitore mantiene una Congestion Window (CWND) che varia in base agli eventi che osserva (ricezione ACK, timeout) o Il trasmettitore non può trasmettere più del minimo tra RCVWND e CWND TCP Come regolare la CWND? Come sapere della congestione?

65 Controllo di congestione o L idea base del controllo di congestione del TCP è quella di interpretare la perdita di un segmento, segnalata dallo scadere di un timeout di ritrasmissione, come un evento di congestione o La reazione ad un evento di congestione è quella di ridurre la finestra (CWND) TCP

66 Slow Start & Congestion Avoidance o Il valore della finestra CWND viene aggiornato dal trasmettitore TCP in base ad un algoritmo o Il modo in cui avviene l aggiornamento dipende dalla fase (o stato) in cui si trova il trasmettitore o Esistono due fasi fondamentali: n n Slow Start Congestion Avoidance o La variabile SSTHRESH è mantenuta al trasmettitore per distinguere le due fasi: se CWND < SSTHRESH si è in Slow Start se CWND > SSTHRESH si è in Congestion Avoidance

67 Slow Start o All inizio, il trasmettitore pone la CWND a 1 segmento (MSS) e la SSTHRESH ad un valore di default molto elevato o Essendo CWND < SSTHRESH si parte in Slow Start o In Slow Start: n La CWND viene incrementata di 1 per ogni ACK ricevuto o Si invia un segmento e dopo RTT si riceve l ACK, si pone CWND a 2 e si inviano 2 segmenti, si ricevono 2 ACK, si pone CWND a 4 e si inviano 4 segmenti,... W 2W 4W 8W RTT RTT RTT RTT

68 Slow Start o Al contrario di quanto il nome faccia credere l incremento della finestra avviene in modo esponenziale (raddoppia ogni RTT)

69 Slow Start o L incremento può andare avanti fino n Primo evento di congestione n Fino a che CWND < SSTHRESH n CWND < RCWND o Insieme alla finestra aumenta il ritmo (o rate) di trasmissione che può essere stimato come: R = CWND RTT [bit/s]

70 Evento di Congestione o Un evento di congestione si verifica quando il ritmo di trasmissione porta in congestione un link sul percorso in rete verso la destinazione o Un link è congestionato quando la somma dei ritmi di trasmissione dei flussi che lo attraversano è maggiore della sua capacità R i > C i

71 Evento di congestione o Scade un timeout di ritrasmissione n Il TCP reagisce ponendo SSTHRESH uguale alla metà dei byte in volo (byte trasmessi ma non riscontrati); più precisamente SSTHRESH = max 2MSS, FlightSize 2 n E ponendo CWND a 1MSS o Si noti che di solito i byte in volo sono con buona approssimazione pari a CWND

72 Evento di congestione o Come risultato: n CWND è minore di SSTHRESH e si entra nella fase di Slow Start n Il trasmettitore invia un segmento e la sua CWND è incrementata di 1 ad ogni ACK o Il trasmettitore trasmette tutti i segmenti a partire da quello per cui il timeout è fallito (politica go-back-n) o Il valore a cui è posta la SSTHRESH è una stima della finestra ottimale che eviterebbe futuri eventi di congestione

73 Congestion Avoidance o Lo slow start continua fino a che CWND diventa grande come SSTHRESH e poi parte la fase di Congestion Avoidance o Durante il Congestion Avoidance: n Si incrementa la CWND di 1/CWND ad ogni ACK ricevuto o Se la CWND consente di trasmettere N segmenti, la ricezione degli ACK relativi a tutti gli N segmenti porta la CWND ad aumentare di 1 segmento o In Congestion Avoidance si attua un incremento lineare della finestra di congestione W W+1 W+2 W+3 W+4 RTT RTT RTT RTT

74 Congestion Avoidance o Dopo aver raggiunto SSTHRESH la finestra continua ad aumentare ma molto più lentamente

75 Esempio di funzionamento Slow Start Waiting for timeout Slow Start Congestion Waiting Avoidance for timeout Slow Start Congestion Avoidance Segment loss Timeout Segment loss Timeout CWND Time

76 Fast Retransmit e Fast Recovery o Algoritmi implementati nella versione TCP nota come TCP Reno o ACK duplicati: n Se il TCP ricevente riceve pacchetti fuori sequenza (diversi da quello atteso) invia immediatamente un ACK con il AN contenente il segmento atteso o Gli ACK duplicati possono essere causati da perdite di pacchetti o I meccanismi di fast retransmit e fast recovery cercano di recuperare velocemente queste perdite

77 Fast Retransmit e Fast Recovery o Logica: n n n Se arrivano ACK duplicati un pacchetto sarà andato perso Se arrivano ACK duplicati vuol dire che i pacchetti successivi a quello perso sono arrivati (niente congestione) Se non c è congestione si può incrementare la CWND del numero di pacchetti sicuramente arrivati o Limitazioni: n Se ci sono perdite multiple nella finestra di trasmissione precedente non si riesce a recuperare

78 Fast Retransmit e Fast Recovery 1. Alla ricezione del 3 ACK consecutivo duplicato (con lo stesso AN): Si pone FlightSize SSTHRESH = max, 2MSS 2 2. Viene ritrasmesso il pacchetto indicato dall AN 3. Si pone la CWND = SSTHRESH + 3 MSS 4. Per ogni ulteriore ACK duplicato ricevuto la CWND viene incrementata di 1 5. Vengono trasmessi nuovi segmenti se consentito dai valori di CWND e RWND 6. Appena arriva un ACK che riscontra nuovi dati si esce dalla fase di fast recovery e si pone di nuovo FlightSize CWND = SSTHRESH = max, 2MSS 2

79 Condivisione equa delle risorse o Si può mostrare che in condizioni ideali il meccanismo di controllo del TCP è in grado di n Limitare la congestione in rete n Consentire di dividere in modo equo la capacità dei link tra i diversi flussi o Le condizioni ideali sono alterate tra l altro da n Differenti RTT per i diversi flussi n Buffer nei nodi minori del prodotto banda-ritardo

80 Condivisione equa delle risorse R 1 = 300 kbit/s R 2 = 300 kbit/s C = 900 kbit/s R 3 = 300 kbit/s o I valori dei rate indicati sono solo valori medi e valgono solo in condizioni ideali o Il ritmo di trasmissione in realtà cambia sempre e in condizioni non ideali la condivisione può non essere equa

81 Condivisione equa delle risorse R 4 = 400 kbit/s R 3 = 400 kbit/s C = 1 Mbit/s R 2 = 100 kbit/s R 1 = 100 kbit/s

82 o Algoritmo di calcolo fair share f ij z per ogni flusso z tra i nodi sorgente-destinazione (i,j): 1 Calcolo del fair-share n n Sia noto il numero di flussi n ij tra ogni coppia sorgente-destinazione (i,j) Sia noto l instradamento per ogni flusso relativo alla coppia (i,j) i j n ij percorso ,2, , , , , ,6

83 Calcolo del fair-share 1. Si ponga inizialmente f ijz =0 (i,j,z) 2. Si elimini dall insieme L degli archi quelli aventi il numero di flussi che lo attraversano n k pari a zero 3. Per ogni link k L si calcoli il rapporto F k =C k /n k, dove C k è la capacità del link 4. Sia α F α =min k (F k ) 5. Si assegni f ijz = F α i,j,z : (i,j) L α dove L α è l insieme dei flussi (i,j) che attraversano il link α 6. Si assegni n k = n k n ij, (i, j) (L α L k ) C k = C k (i, j) (L α L k ) 7. Si elimini dall insieme L l arco α e tutti quelli aventi n k pari a zero 8. Se L è vuoto STOP. Altrimenti ripeti da 3. f ij z z

84 Calcolo del fair-share: esempio Flussi i j n ij percors o Capacità lin k C k ,2, , , , , ,6 8 5

85 Calcolo del fair-share: esempio Flussi i j n ij percors o ,2,7 3 Step 1 link C k n k F k i j n ij f k ij link C k n k , , , , ,

86 Calcolo del fair-share: esempio Flussi i j n ij percors o ,2,7 3 Step 1 link C k n k F k i j n ij f z ij link C k n k , , , , ,

87 Calcolo del fair-share: esempio Flussi i j n ij percorso ,2,7 3 Step 1 link C k n k F k i j n ij f z ij link C k n k , , , , ,

88 Versioni di TCP o Tahoe (quella vista) o Reno: fast retransmit/fast recovery o Vegas: tenta di evitare la congestione piuttosto che reagire ad essa o Westwood o TIBET o... Versioni TCP ottimizzate per scenari wireless

89 Un modulo TCP Transmission Control Blocks: traccia lo stato di tutte le connessioni attive Source: TCP/IP Protocol Suite, B. Forouzan.