Controllo della congestione

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1 Controllo della congestione Parte 3 Domenico Massimo Parrucci Condello isti information science Facoltàand di Scienze technology e Tecnologie institute 1/number 1

2 Congestione Quando troppi pacchetti sono presenti in una porzione della sottorete, le prestazioni degradano Domenico Massimo Parrucci Condello isti information science Facoltàand di Scienze technology e Tecnologie institute 2/number 2

3 Flusso Un flusso di pacchetti che usa lo stesso protocollo ed è diretto da una sorgente ad una destinazione è chiamato Flusso Domenico Massimo Parrucci Condello isti information science Facoltàand di Scienze technology e Tecnologie institute 3/number 3

4 Congestion Quando viene immesso troppo traffico, si crea una congestione e le prestazioni degradano improvvisamente Domenico Massimo Parrucci Condello isti information science Facoltàand di Scienze technology e Tecnologie institute 4/number 4

5 Fattori di congestione Diversi flussi di pacchetti che arrivano da piu sorgenti e tutti necessitano dello stesso output Aggiungere Memoria? Nagle (1987) ha dimostrato che con memoria infinita la congestione peggiora anziché migliorare, perché quando raggiungono la fine della coda i pacchetti saranno scaduti e quindi già ritrasmessi i duplicati Domenico Massimo Parrucci Condello isti information science Facoltàand di Scienze technology e Tecnologie institute 5/number 5

6 Fattori di congestione 2 Processori lenti possono causare congestione Se le CPU esguono lentamente le operazioni Accodamento dei buffer Aggiornamento delle tabelle Le code si formano anche quando la capacità della linea è maggiore del necessario Linee a banda stretta Domenico Massimo Parrucci Condello isti information science Facoltàand di Scienze technology e Tecnologie institute 6/number 6

7 Controllo della congestione e del flusso Controllo della congestione: garantire che la sottorete sia in grado di trasportare il traffico immesso Controllo del flusso: evitare che una sorgente veloce trasmetta più dati di quanti un ricevitore può assorbire Domenico Massimo Parrucci Condello isti information science Facoltàand di Scienze technology e Tecnologie institute 7/number 7

8 Esempio: controllo del flusso Rete in fibra ottica Capacità di 1000gigabit/sec Trasferire un file alla velocità di 1 Gbps Domenico Massimo Parrucci Condello isti information science Facoltàand di Scienze technology e Tecnologie institute 8/number 8

9 Esempio: controllo della congestione Rete composta da linee da 1 Mbps 1000 computer Circa la metà trasmettono a 100Kbps Domenico Massimo Parrucci Condello isti information science Facoltàand di Scienze technology e Tecnologie institute 9/number 9

10 Conclusioni Il controllo della congestione viene confuso con il controllo di flusso perché alcuni algoritmi di controllo della congestione inviano alle sorgenti messaggi che dicono di rallentare la trasmissione Domenico Massimo Parrucci Condello isti information science Facoltàand di Scienze technology e Tecnologie institute 10/number

11 Controllo della congestione Soluzioni a cicli aperto Tentano di risolvere il problema mediante un buon progetto Una volta attivato non viene eseguita nessuna correzione in esecuzione Soluzioni a ciclo chiuso Concetto della retroazione Domenico Massimo Parrucci Condello isti information science Facoltàand di Scienze technology e Tecnologie institute 11/number

12 Ciclo chiuso Controllo del sistema per rilevare quando e dove si presenta la congestione Passaggio di queste informazioni ai punti dove si possono eseguire le azioni di correzione Regolazione del funzionamento del sistema per correggere il problema Domenico Massimo Parrucci Condello isti information science Facoltàand di Scienze technology e Tecnologie institute 12/number

13 Controllo della sottorete Percentuale dei pacchetti scartati a causa di un esaurimento del buffer Lunghezza media della coda Numero dei pacchetti scaduti e ritrasmessi Ritardo medio dei pacchetti Deviazione standard del ritardo del pacchetto Domenico Massimo Parrucci Condello isti information science Facoltàand di Scienze technology e Tecnologie institute 13/number

14 Ciclo di retroazione Le informazioni sono trasferite dal punto dove sono state rilevate a quello dove è possibile fare qualcosa per risolvere il problema Se rimando il pacchetto alla sorgente con la segnalzione del problema non faccio altro che aumentare il traffico di rete nel momneto in cui è congestionata Domenico Massimo Parrucci Condello isti information science Facoltàand di Scienze technology e Tecnologie institute 14/number

15 Altre possibilità Un bit o un campo di ogni pacchetto e ogni volta che rilevo la congestione il router riempe il campo e lo manda ai suoi vicini per avvisarli Host e router spediscono periodicamente pacchetti di segnalazione per chiedere in modo esplicito informazioni sulla congestione (definizione del tempo) Domenico Massimo Parrucci Condello isti information science Facoltàand di Scienze technology e Tecnologie institute 15/number

16 Controllo della congestione Ciclo aperto Soluzioni applicate alla sorgente Soluzioni applicate alla destinazione Ciclo chiuso Soluzioni a retroazione esplicita Soluzioni a retroazione implicita Vengono spediti indietro dal punto della congestione per avvisare la sorgente Yang and Reddy (1995) La sorgente deduce l esistenza della congestione osservando per esenpio il tempo di arrivo dei pacchetti di acknowledgement Domenico Massimo Parrucci Condello isti information science Facoltàand di Scienze technology e Tecnologie institute 16/number

17 Congestion Prevention Policies Policies that affect congestion Domenico Massimo Parrucci Condello isti information science Facoltàand di Scienze technology e Tecnologie institute 17/number

18 Data link Il criterio di ritrasmissione riguarda la velocità con la quale un trasmettitore gestisce la scadenza dei pacchetti e che cosa ritrasmette dopo un timeout Criterio di utilizzo del buffer Generazione degli acknowledgement Domenico Massimo Parrucci Condello isti information science Facoltàand di Scienze technology e Tecnologie institute 18/number

19 Livello network Scelta tra circuiti virtuali e datagrammi Alcuni algoritmi per il controllo della congestione funzionano solo con le sottoreti a circuito virtuale Criterio di servizio e accodamento dei pacchetti riguarda il numero di code presenti sui router Domenico Massimo Parrucci Condello isti information science Facoltàand di Scienze technology e Tecnologie institute 19/number

20 Livello network 2 Criterio di scarto: regola che stabilisce quale pacchetto scartare quando non c è più spazio Algoritmo di routing: sparpargliare il traffico sui router vicini Tempo di vita dei pacchetti Vita lunga i pacchetti possono intasare la rete per molto tempo Domenico Massimo Parrucci Condello isti information science Facoltàand di Scienze technology e Tecnologie institute 20/number

21 Controllo della congestione nelle sottoreti a circuito virtuale Controllo di ammissione: se la congestione è stata segnalata nessun circuito virtuale viene più impostato fino a quando il problema non scompare Oppure.. Creazione di nuovi circuiti virtuali ma servono per aggirare le aree congestionate Domenico Massimo Parrucci Condello isti information science Facoltàand di Scienze technology e Tecnologie institute 21/number

22 Congestion Control in Virtual-Circuit Subnets (a) A congested subnet. (b) A redrawn subnet, eliminates congestion and a virtual circuit from A to B. Domenico Massimo Parrucci Condello isti information science Facoltàand di Scienze technology e Tecnologie institute 22/number

23 Controllo della congestione nelle sottoreti a circuito virtuale Negoziare un accordo tra l host e la sottorete durante l impostazione del circuito virtuale Specifiche dell accordo, per esempio: Volume e forma del traffico QoS richiesta Tutte le risorse necessarie sono garantite e disponibili Domenico Massimo Parrucci Condello isti information science Facoltàand di Scienze technology e Tecnologie institute 23/number

24 Controllo della congestione nelle sottoreti a datagrammi Ogni router può tenere sotto controllo l utilizzo delle linee di output Variabile u:utilizzo recente di quella linea u nuovo = au vecchio + (1-a)f a: velocità con cui il router dimentica la cronologia recente f: utilizzo istantaneo della linea (o 0 o 1) u IR e compreso tra 0.0 e 1.0 Ogni volta che u si sposta sopra la soglia di guardia la linea di output entra in stato allarme; a quel punto il router esegue un azione correttiva Domenico Massimo Parrucci Condello isti information science Facoltàand di Scienze technology e Tecnologie institute 24/number

25 Bit di allarme L architettura DECNET segnalava lo stato di allarme impostando uno speciale bit nell intestazione del pacchetto Quando il pacchetto arriva alla sua destinazione, il trasporto copia il bit nel successivo pacchetto di acknowledgement trasmesso alla sorgente che riduce il traffico Se rimango in stato di allarme il router continua a impostare il bit di allarme e la sorgente continua a ricevere ack con questo valore Fino a che continuano ad arrivare i bit di allarme la sorgente diminuisce la sua velocità di trasmissione fino a quando la loro frequenza si riduce al minimo; poi la sorgente riaumenterà la velocità di trasmissione Domenico Massimo Parrucci Condello isti information science Facoltàand di Scienze technology e Tecnologie institute 25/number

26 Choke packet Il router invia all host sorgente un choke packet dandogli la destinazione trovata nel pacchetto Quando l host sorgente riceve il choke packet deve ridurre dell X per cento il traffico inviato a quella destinazione Domenico Massimo Parrucci Condello isti information science Facoltàand di Scienze technology e Tecnologie institute 26/number

27 Hop-by-Hop Choke Packets (a) A choke packet that affects only the source. (b) A choke packet that affects each hop it passes through. Domenico Massimo Parrucci Condello isti information science Facoltàand di Scienze technology e Tecnologie institute 27/number

28 Load shedding Eliminazione dei pacchetti da parte dei router quando sono inondati Quale criterio? Domenico Massimo Parrucci Condello isti information science Facoltàand di Scienze technology e Tecnologie institute 28/number

29 Load shedding 2 Wine: il vecchio è migliore del nuovo Esempio: trasferimento file Milk: il nuovo è migliore del vecchio Esempio: dati multimediali Domenico Massimo Parrucci Condello isti information science Facoltàand di Scienze technology e Tecnologie institute 29/number

30 Load shedding 3 Per implementare un criterio di eliminazione le applicazioni devono contrassegnare i loro pacchetti in classi di priorità I router scartano i pacchetti partendo da quelli di classe più bassa Domenico Massimo Parrucci Condello isti information science Facoltàand di Scienze technology e Tecnologie institute 30/number

31 Random Early Detection RED Per stabilire quando è il momento giusto per iniziare a scartare i pacchetti i router mantengono una media mobile delle lunghezze delle code Quando la lunghezza media della coda su una linea supera una soglia di guardia la linea è considerata congestionata e vengono riprese azioni correttive Domenico Massimo Parrucci Condello isti information science Facoltàand di Scienze technology e Tecnologie institute 31/number

32 Algoritmo RED Stimare la quantità del buffer Calcolo della probabilità di rilascio del pacchetto Domenico Massimo Parrucci Condello isti information science Facoltàand di Scienze technology e Tecnologie institute 32/number

33 RED Qlen t Qlen t Max t Lunghezza della coda al tempo t Min t Maxt e mint soglie AvQlen t = (1-ω) AvQlen t-1 + ωqlen t EWMA= media mobile esponenziale pesata Domenico Massimo Parrucci Condello isti information science Facoltàand di Scienze technology e Tecnologie institute 33/number

34 Probabilità di perdita del pacchetto 1 Probabilità di perdita Min t Max t Dimensione media della coda p= Max p (AvQlent-Mint)/(Maxt-Mint) Domenico Massimo Parrucci Condello isti information science Facoltàand di Scienze technology e Tecnologie institute 34/number

35 Probabilità di perdita del pacchetto Se AvQlent<Mint Il pacchetto è bufferizzato; non c è congestione Se AvQlent>Maxt Il pacchetto è scartato p=1; alta congestione Se AvQlent è compreso tra Mint e Maxt La probabilità di perdita del pacchetto si incrementa linearmente fino a Maxp come il buffer si avvicina alla soglia massima e come risultato evita l eccessiva congestione Domenico Massimo Parrucci Condello isti information science Facoltàand di Scienze technology e Tecnologie institute 35/number

36 RED Scenario per evitare la congestione I pacchetti sono persi in previsione di accumuli di coda Nei nodi che implementano RED si possono configurare in modo che insieme con la perdita del pacchetto si può anche applicare la marcatura dei pacchetti persi Domenico Massimo Parrucci Condello isti information science Facoltàand di Scienze technology e Tecnologie institute 36/number

37 RED Floyd and Jacobson hanno dimostrato che la perdita dei pacchetti per flusso è proporzionale alla loro condivisione del throughtput In pratica le sorgenti che mandano molti pacchetti sono penalizzate Domenico Massimo Parrucci Condello isti information science Facoltàand di Scienze technology e Tecnologie institute 37/number

38 Controllo del jitter La deviazione standard nel tempo di arrivo di un pacchetto è chiamato jitter Domenico Massimo Parrucci Condello isti information science Facoltàand di Scienze technology e Tecnologie institute 38/number

39 Jitter Control (a) High jitter. (b) Low jitter. Domenico Massimo Parrucci Condello isti information science Facoltàand di Scienze technology e Tecnologie institute 39/number

40 Controllo di congestione nel TCP Vediamo cosa fa TCP per impedire le congestioni Quando viene stabilita una connessione si deve scegliere una dimensione adatta per la finestra Se la dimensione della finestra è uguale al buffer non si verificano problemi al ricevente ma ci può essere una congestione interna alla rete Domenico Massimo Parrucci Condello isti information science Facoltàand di Scienze technology e Tecnologie institute 40/number

41 TCP Congestion Control (a) A fast network feeding a low capacity receiver. (b) A slow network feeding a high-capacity receiver. Domenico Massimo Parrucci Condello isti information science Facoltàand di Scienze technology e Tecnologie institute 41/number

42 Congestione TCP Due distinti problemi Capacità della rete Capacità del ricevente Ogni mittente ha due finestre Quella che il ricevente ha garantito Finestra di congestione Ogni finestra rappresenta il numero di byte che il mittente può trasmettere Domenico Massimo Parrucci Condello isti information science Facoltàand di Scienze technology e Tecnologie institute 42/number

43 Avvio Lento (Finestra di congestione) Il mittente inizializza la finestra di congestione alla dimensione del segmento max Invia un segmento Se riceve ack prima della scadenza del timer aggiungo alla la finestra di congestione la dimensione del segmento max in modo che sia il doppio del segmento Invio due segmenti In pratica ogni gruppo che riceve ack raddoppia la finestra di congestione la finestra di congestione continua a crescere in modo esponenziale fino al timeout o al raggiungimento della finestra del ricevente Domenico Massimo Parrucci Condello isti information science Facoltàand di Scienze technology e Tecnologie institute 43/number

44 Controllo della congestione Internet Soglia inzialmente a 64KB oltre alle due finestre Al verificarsi di un timeout la soglia viene impostata alla metà della finestra di congestione corrente e la finestra di congestione è reimpostata alla dimensione massima di un segmento Domenico Massimo Parrucci Condello isti information science Facoltàand di Scienze technology e Tecnologie institute 44/number

45 TCP Congestion Control Un esempio di algoritmo di congestione Internet Domenico Massimo Parrucci Condello isti information science Facoltàand di Scienze technology e Tecnologie institute 45/number

46 Timer di ritrasmissione Invio un segmento e viene avviato un timer di ritrasmissione Se ricevo ACK prima della scadenza fermo il timer Se scade il timer prima dell arrivo di ACK il segmento viene ritrammesso e il timer riavviato Quanto lungo il timeout? Domenico Massimo Parrucci Condello isti information science Facoltàand di Scienze technology e Tecnologie institute 46/number

47 TCP Timer Management (a) Probability density of ACK arrival times in the data link layer. (b) Probability density of ACK arrival times for TCP. Domenico Massimo Parrucci Condello isti information science Facoltàand di Scienze technology e Tecnologie institute 47/number

48 Stima Per ogni connessione ho una variabile RTT che rappresenta la migliore stima del tempo di round trip M=Se ACK ritorna prima della scadenza del timer, TCP misura il tempo RTT= αrtt + (1-α)Μ Domenico Massimo Parrucci Condello isti information science Facoltàand di Scienze technology e Tecnologie institute 48/number

49 Stima 2 D valore perequato della deviazione Al ricevimento di un ACK è elaborata la differenza tra previsto e osservato RTT-M D= αd + (1-α) RTT-M Timeout= RTT + 4*D Domenico Massimo Parrucci Condello isti information science Facoltàand di Scienze technology e Tecnologie institute 49/number

50 Algoritmo di Karn Evita di riaggiornare RTT per ogni segmento che è stato ritrasmesso Il timeout viene raddoppiato a ogni errore fino a quando giungono a destinazione al primo tentativo Domenico Massimo Parrucci Condello isti information science Facoltàand di Scienze technology e Tecnologie institute 50/number

51 Le slide riprodotte in questa presentazione sono esclusivamente di ausilio alla didattica. Alcune illustrazioni sono estratte da A. S. Tanenbaum Competer network 4 th edition Prentice Hall Domenico Massimo Parrucci Condello isti information science Facoltàand di Scienze technology e Tecnologie institute 51/number