Mạng máy tính - Chương 3: Tầng giao vận (transport layer) - Trần Quang Diệu

Chương 3. Tầng giao vận (transport layer) Quang Dieu Tran, PhD Faculty of Information Technology University of Communication and Transport (Branch in Ho Chi Minh City) Email: dieutq@gmail.com Website: sites.google.com/sites/tranlectures Chương 3. Giao thức tầng giao vận (transport layer) 2 Chương 3. Giao thức tầng giao vận (transport layer) 3 Ch3. The Transport Layer 1. Transport Layer Services & Principles. 2. Multiplexing/Demultiplexing. 3. Connectionless Transport (UDP). 4. Principles of Reliable Data Transfer (RDT). 5. Connection-oriented Transport (TCP). 6. Congestion Control. 7. Sử dụng TCP hay UDP Chương 3. Giao thức tầng giao vận (transport layer) 4 Transport Layer Services & Principles  Cung cấp phương tiện truyền thông logic (logical communication) giữa các applications.  PDUs  application: messages.  transport: segments (đoạn).  Các msg từ tầng application gửi xuống được chia nhỏ thành các đoạn (segments).  Transport protocol được thực thi tại các trạm cuối (end system). application transport network data link physical application transport network data link physical network data link physical network data link physical network data link physical network data link physicalnetwork data link physical Chương 3. Giao thức tầng giao vận (transport layer) 5 Transport & Network layers  Network layer:  Truyền thông logic giữa các trạm làm việc (host).  PDUs = packets (gói).  IP (Internet Protocol) là giao thức truyền không tin cậy.  Transport layer:  Tạo phương thức truyền thông logic giữa các ứng dụng (application/process).  Nhận các gói tin từ tầng Network gửi lên. Household analogy: 12 kids sending letters to 12 kids  processes = kids  app messages = letters in envelopes  hosts = houses  transport protocol = Ann and Bill  network-layer protocol = postal service Chương 3. Giao thức tầng giao vận (transport layer) 6 Transport Protocols  TCP (Transmission Control Protocol) Connection-oriented (có liên kết). Flow control (điều khiển luồng). Congestion control (điều khiển chống nghẽn mạng).  reliable transport protocol (tin cậy)  UDP (User Datagram Protocol) Connectionless. Không có kiểm soát luồng và kiểm soát nghẽn mạng.  unreliable transport protocol. Chương 3. Giao thức tầng giao vận (transport layer) 7 Ch3. The Transport Layer 1. Transport Layer Services & Principles. 2. Multiplexing/Demultiplexing. 3. Connectionless Transport (UDP). 4. Principles of Reliable Data Transfer (RDT). 5. Connection-oriented Transport (TCP). 6. Congestion Control. 7. Sử dụng TCP hay UDP Chương 3. Giao thức tầng giao vận (transport layer) 8 Multiplexing/demultiplexing (mux/demux)  Multiplexing (dồn kênh): Các msgs từ các apps (P1, P2) được chia nhỏ và đóng gói thành các segments (thêm header)  dồn kênh diễn ra ở sending hosts  Demultiplexing (phân kênh): Các segments nhận được được gửi tới apps tương ứng (P3, P4)  phân kênh diễn ra ở receiving hosts application transport network M P2 application transport network receiver Ht Hn segment segment M application transport network P1 M M M P3 P4 segment header application-layer data sender sender Chương 3. Giao thức tầng giao vận (transport layer) 9 Dồn và chia kênh thế nào?  source port number: ứng dụng gửi dữ liệu.  destination port number: ứng dụng nhận dữ liệu.  Port number: 0-1023: well-known port number (đã được giữ cho các apps phổ biến). 1024 – 65535. source port # dest port # 32 bits application data (message) other header fields TCP/UDP segment format Chương 3. Giao thức tầng giao vận (transport layer) 10 Mux/demux: Ví dụ host A server B source port: x dest. port: 23 source port:23 dest. port: x port use: simple telnet app Web client host A Web server B Web client host C Source IP: C Dest IP: B source port: x dest. port: 80 Source IP: C Dest IP: B source port: y dest. port: 80 port use: Web server Source IP: A Dest IP: B source port: x dest. port: 80 Chương 3. Giao thức tầng giao vận (transport layer) 11 Ch3. The Transport Layer 1. Transport Layer Services & Principles. 2. Multiplexing/Demultiplexing. 3. Connectionless Transport (UDP). 4. Principles of Reliable Data Transfer (RDT). 5. Connection-oriented Transport (TCP). 6. Congestion Control. 7. Sử dụng TCP hay UDP Chương 3. Giao thức tầng giao vận (transport layer) 12 Connectionless Transport (UDP).  User Datagram Protocol [RFC 768]  “no frill”, “bare bones” Internet transport protocol.  chỉ cần những thủ tục cơ bản nhất.  thông tin điều khiển cũng chỉ cần cơ bản nhất.  “best effort” service: dữ liệu có thể mất mát, sai sót nhưng luôn “cố gắng hết sức” để giảm thiểu.  Connectionless:  Không có cơ chế bắt tay (handshaking): thiết lập  truyền dữ liệu  kết thúc.  Không nắm giữ trạng thái.  Các segments được xử lý độc lập với nhau. Chương 3. Giao thức tầng giao vận (transport layer) 13 UDP: Segment structure  source port.  dest port.  length.  application data.  checksum: mã kiểm tra lỗi (phục vụ cho cơ chế nhận biết lỗi – error detection) source port # dest port # 32 bits Application data (message) UDP segment format length checksum Length, in bytes of UDP segment, including header Chương 3. Giao thức tầng giao vận (transport layer) 14 UDP segment - example Receiver’s MAC address Sender’s MAC address Type of upper layer’s protocol ( 0x0800 = IP ) Chương 3. Giao thức tầng giao vận (transport layer) 15 UDP segment – example (cnt.) IP’s Header Chương 3. Giao thức tầng giao vận (transport layer) 16 UDP segment – example (cnt.) UDP’s header Chương 3. Giao thức tầng giao vận (transport layer) 17 UDP segment – example (cnt.) Data of applicaton layer Chương 3. Giao thức tầng giao vận (transport layer) 18 UDP checksum  Mã kiểm tra phục vụ cho cơ chế nhận biết lỗi.  Sender: Coi segment như chuỗi các số nguyên 16-bit. checksum = số bù một (1’s complement) của tổng các số nguyên đó.  Receiver: Tính toán checksum của segment nhận được. So sánh với checksum chứa trong trường checksum của segment nhận được  nếu sai khác tức là có lỗi. Chương 3. Giao thức tầng giao vận (transport layer) 19 UDP checksum: example  Phép cộng các số 16-bit liên tiếp là phép cộng có nhớ.  Kiểm tra checksum: Lấy tổng các số 16-bit (có nhớ) cộng với checksum: Kết quả là 1111 1111 1111 1111 thì không có lỗi, nếu khác là có lỗi. 1 1 1 1 0 0 1 1 0 0 1 1 0 0 1 1 0 1 1 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 1 1 0 1 1 1 0 1 1 1 0 1 1 1 0 1 1 1 1 0 1 1 1 0 1 1 1 0 1 1 1 1 0 0 1 0 1 0 0 0 1 0 0 0 1 0 0 0 0 1 1 wraparound sum checksum (bù 1) Chương 3. Giao thức tầng giao vận (transport layer) 20 Ch3. The Transport Layer 1. Transport Layer Services & Principles. 2. Multiplexing/Demultiplexing. 3. Connectionless Transport (UDP). 4. Principles of Reliable Data Transfer (RDT). 5. Connection-oriented Transport (TCP). 6. Congestion Control. 7. Sử dụng TCP hay UDP Chương 3. Giao thức tầng giao vận (transport layer) 21 Principles of Reliable Data Transfer (RDT)  Truyền dữ liệu tin cậy là vấn đề vô cùng quan trọng (top 10 list of important networking topics).  Cần thiết đối với app, transport, datalink layer. Chương 3. Giao thức tầng giao vận (transport layer) 22 RDT send side receive side rdt_send(): called from above, (e.g., by app.). Passed data to deliver to receiver upper layer udt_send(): called by rdt, to transfer packet over unreliable channel to receiver rdt_rcv(): called when packet arrives on rcv-side of channel deliver_data(): called by rdt to deliver data to upper Chương 3. Giao thức tầng giao vận (transport layer) 23 Finite State Machine (FSM) state 1 state 2 event causing state transition actions taken on state transition state: when in this “state” next state uniquely determined by next event event actions Chương 3. Giao thức tầng giao vận (transport layer) 24 RDT1.0: reliable data transfer over reliable channel  Tầng dưới: Không có lỗi. Không mất mát dữ liệu (gói tin).  Sender gửi dữ liệu xuống tầng dưới.  Receiver nhận dữ liệu gửi từ tầng dưới lên. Wait for call from above packet = make_pkt(data) udt_send(packet) rdt_send(data) extract (packet,data) deliver_data(data) Wait for call from below rdt_rcv(packet) sender receiver Chương 3. Giao thức tầng giao vận (transport layer) 25 RDT2.0: channel with bit errors  Tầng dưới có thể có lỗi bit (0  1)  UDP checksum có khả năng phát hiện lỗi bit.  Khắc phục lỗi (error recover) thế nào?  acknowledgements (ACKs): receiver thông báo đã nhận gói dữ liệu tốt (không có lỗi).  negative acknowledgements (NAKs): receiver thông báo gói dữ liệu nhận được có lỗi.  Nếu nhận được NAK, sender cần gửi lại gói tin bị lỗi.  human scenarios using ACKs, NAKs? (telephone talking!)  rdt2.0 so với rdt1.0:  error detection  receiver feedback: control msgs (ACK,NAK) rcvr->sender. Chương 3. Giao thức tầng giao vận (transport layer) 26 RDT2.0: FSM specification Wait for call from above snkpkt = make_pkt(data, checksum) udt_send(sndpkt) extract(rcvpkt,data) deliver_data(data) udt_send(ACK) rdt_rcv(rcvpkt) && notcorrupt(rcvpkt) rdt_rcv(rcvpkt) && isACK(rcvpkt) udt_send(sndpkt) rdt_rcv(rcvpkt) && isNAK(rcvpkt) udt_send(NAK) rdt_rcv(rcvpkt) && corrupt(rcvpkt) Wait for ACK or NAK Wait for call from belowsender receiver rdt_send(data) L Chương 3. Giao thức tầng giao vận (transport layer) 27 RDT2.0: operation with no errors Wait for call from above snkpkt = make_pkt(data, checksum) udt_send(sndpkt) extract(rcvpkt,data) deliver_data(data) udt_send(ACK) rdt_rcv(rcvpkt) && notcorrupt(rcvpkt) rdt_rcv(rcvpkt) && isACK(rcvpkt) udt_send(sndpkt) rdt_rcv(rcvpkt) && isNAK(rcvpkt) udt_send(NAK) rdt_rcv(rcvpkt) && corrupt(rcvpkt) Wait for ACK or NAK Wait for call from below rdt_send(data) L Chương 3. Giao thức tầng giao vận (transport layer) 28 RDT2.0: error scenario Wait for call from above snkpkt = make_pkt(data, checksum) udt_send(sndpkt) extract(rcvpkt,data) deliver_data(data) udt_send(ACK) rdt_rcv(rcvpkt) && notcorrupt(rcvpkt) rdt_rcv(rcvpkt) && isACK(rcvpkt) udt_send(sndpkt) rdt_rcv(rcvpkt) && isNAK(rcvpkt) udt_send(NAK) rdt_rcv(rcvpkt) && corrupt(rcvpkt) Wait for ACK or NAK Wait for call from below rdt_send(data) L Chương 3. Giao thức tầng giao vận (transport layer) 29 RDT2.0: problems  Nếu ACK, NAK bị lỗi?  Sender không biết kết quả gửi gói tin thế nào.  Cũng chẳng thể gửi lại gói tin vì có thể gây hiện tượng lặp gói tin.  Giải pháp:  Sender truyền lại nếu như ACK/NAK bị lỗi.  Kiểm soát lặp gói tin (duplicate handling)  Thêm vào gói tin trường số thứ tự (sequence number).  Căn cứ vào số thứ tự gói tin, receiver bỏ qua những gói tin bị lặp.  Sender sẽ không gửi gói tin tiếp theo nếu như chưa chắc chắn receiver nhận được gói trước đó (stop and wait protocol). Chương 3. Giao thức tầng giao vận (transport layer) 30 RDT2.1: sender, handles garbled ACK/NAKs Wait for call 0 from above sndpkt = make_pkt(0, data, checksum) udt_send(sndpkt) rdt_send(data) Wait for ACK or NAK 0 udt_send(sndpkt) rdt_rcv(rcvpkt) && ( corrupt(rcvpkt) || isNAK(rcvpkt) ) sndpkt = make_pkt(1, data, checksum) udt_send(sndpkt) rdt_send(data) rdt_rcv(rcvpkt) && notcorrupt(rcvpkt) && isACK(rcvpkt) udt_send(sndpkt) rdt_rcv(rcvpkt) && ( corrupt(rcvpkt) || isNAK(rcvpkt) ) rdt_rcv(rcvpkt) && notcorrupt(rcvpkt) && isACK(rcvpkt) Wait for call 1 from above Wait for ACK or NAK 1 L L Chương 3. Giao thức tầng giao vận (transport layer) 31 RDT2.1: receiver, handles garbled ACK/NAKs Wait for 0 from below sndpkt = make_pkt(NAK, chksum) udt_send(sndpkt) rdt_rcv(rcvpkt) && not corrupt(rcvpkt) && has_seq0(rcvpkt) rdt_rcv(rcvpkt) && notcorrupt(rcvpkt) && has_seq1(rcvpkt) extract(rcvpkt,data) deliver_data(data) sndpkt = make_pkt(ACK, chksum) udt_send(sndpkt) Wait for 1 from below rdt_rcv(rcvpkt) && notcorrupt(rcvpkt) && has_seq0(rcvpkt) extract(rcvpkt,data) deliver_data(data) sndpkt = make_pkt(ACK, chksum) udt_send(sndpkt) rdt_rcv(rcvpkt) && (corrupt(rcvpkt) sndpkt = make_pkt(ACK, chksum) udt_send(sndpkt) rdt_rcv(rcvpkt) && not corrupt(rcvpkt) && has_seq1(rcvpkt) rdt_rcv(rcvpkt) && (corrupt(rcvpkt) sndpkt = make_pkt(ACK, chksum) udt_send(sndpkt) sndpkt = make_pkt(NAK, chksum) udt_send(sndpkt) Chương 3. Giao thức tầng giao vận (transport layer) 32 RDT2.2: a NAK-free protocol Wait for call 0 from above sndpkt = make_pkt(0, data, checksum) udt_send(sndpkt) rdt_send(data) udt_send(sndpkt) rdt_rcv(rcvpkt) && ( corrupt(rcvpkt) || isACK(rcvpkt,1) ) rdt_rcv(rcvpkt) && notcorrupt(rcvpkt) && isACK(rcvpkt,0) Wait for ACK 0 sender FSM fragment Wait for 0 from below rdt_rcv(rcvpkt) && notcorrupt(rcvpkt) && has_seq1(rcvpkt) extract(rcvpkt,data) deliver_data(data) sndpkt = make_pkt(ACK1, chksum) udt_send(sndpkt) rdt_rcv(rcvpkt) && (corrupt(rcvpkt) || has_seq1(rcvpkt)) udt_send(sndpkt) receiver FSM fragment L Chương 3. Giao thức tầng giao vận (transport layer) 33 RDT3.0: channels with errors and loss  Tầng dưới: Có thể có lỗi. Có thể gây mất mát gói tin.  Giải pháp: Sender truyền lại gói tin nếu như chờ ACK một thời gian nhất định nào đó mà không thấy (cần countdown timer). Nếu ACK hay gói tin chỉ bị chậm thôi?  truyền lại sẽ gây ra hiện tượng lặp gói tin.  cần sequence number. Chương 3. Giao thức tầng giao vận (transport layer) 34 RDT3.0 sender sndpkt = make_pkt(0, data, checksum) udt_send(sndpkt) start_timer rdt_send(data) Wait for ACK0 rdt_rcv(rcvpkt) && ( corrupt(rcvpkt) || isACK(rcvpkt,1) ) Wait for call 1 from above sndpkt = make_pkt(1, data, checksum) udt_send(sndpkt) start_timer rdt_send(data) rdt_rcv(rcvpkt) && notcorrupt(rcvpkt) && isACK(rcvpkt,0) rdt_rcv(rcvpkt) && ( corrupt(rcvpkt) || isACK(rcvpkt,0) ) rdt_rcv(rcvpkt) && notcorrupt(rcvpkt) && isACK(rcvpkt,1) stop_timer stop_timer udt_send(sndpkt) start_timer timeout udt_send(sndpkt) start_timer timeout rdt_rcv(rcvpkt) Wait for call 0from above Wait for ACK1 L rdt_rcv(rcvpkt) L L L Chương 3. Giao thức tầng giao vận (transport layer) 35 RDT3.0 in action Chương 3. Giao thức tầng giao vận (transport layer) 36 RDT3.0 in action (cont) Chương 3. Giao thức tầng giao vận (transport layer) 37 Hiệu suất của RDT3.0  Giả sử có đường truyền giữa 2 host với các thông số sau:  Bandwidth: 1 Gbps (109 bits per second)  Propagation delay: 15 ms  Size of packet: 1KB transmit = 8kb/pkt 109 b/sec = 8 microsec m U sender: utilization – fraction of time sender busy sending m 1KB trong 30msec -> 33KB/sec effective throught put over 1 Gbps link m network protocol limits use of physical resources! U sender = .008 30.008 = 0.00027 microsec L / R RTT + L / R = L (packet length in bits) R (transmission rate, bps) =T Chương 3. Giao thức tầng giao vận (transport layer) 38 RDT3.0 stop-and-wait operation first packet bit transmitted, t = 0 sender receiver RTT first packet bit arrives ACK arrives, send next packet, t = RTT + L / R U sender = .008 30.008 = 0.00027 microsec L / R RTT + L / R = last packet bit transmitted, t = L / R last packet bit arrives, send ACK Chương 3. Giao thức tầng giao vận (transport layer) 39 Tăng hiệu suất đường truyền - Pipelined protocols Pipelining: Gửi liên tục nhiều packets rồi đợi ACK  Số thứ tự gói tin (sequence numbers) tăng đều và duy nhất  Sử dụng bộ nhớ đệm tại Sender và Receiver  Có 2 phương án xử lý khi gặp lỗi:  go-Back-N  Selective repeat Chương 3. Giao thức tầng giao vận (transport layer) 40 Tăng hiệu suất đường truyền - Pipelined protocols first packet bit transmitted, t = 0 sender receiver RTT last bit transmitted, t = L / R first packet bit arrives last packet bit arrives, send ACK ACK arrives, send next packet, t = RTT + L / R last bit of 2nd packet arrives, send ACK last bit of 3rd packet arrives, send ACK U sender = .024 30.008 = 0.0008 microsecon 3 * L / R RTT + L / R = Increase utilization by a factor of 3! Chương 3. Giao thức tầng giao vận (transport layer) 41 Go-Back-N Sender:  Sử dụng k-bit ở header để lưu sequence number  Cửa sổ trượt cho phép chứa N packets chưa được báo ACK. r Nếu nhận ACK(n): Mọi packet có số hiệu tới n-1 đã gửi thành công r Cần giám sát thời gian timeout cho mỗi packet đang gửi đi (in-flight packet) r timeout(n): Gửi lại packet n và các packet có seq # lớn hơn trong window Chương 3. Giao thức tầng giao vận (transport layer) 42 GBN in action Chương 3. Giao thức tầng giao vận (transport layer) 43 Wait start_timer udt_send(sndpkt[base]) udt_send(sndpkt[base+1]) udt_send(sndpkt[nextseqnum-1]) timeout rdt_send(data) 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) base = getacknum(rcvpkt)+1 If (base == nextseqnum) stop_timer else start_timer rdt_rcv(rcvpkt) && notcorrupt(rcvpkt) base=1 nextseqnum=1 rdt_rcv(rcvpkt) && corrupt(rcvpkt) L GBN: sender extended FSM Chương 3. Giao thức tầng giao vận (transport layer) 44 GBN: receiver extended FSM ACK-only: always send ACK for correctly-received pkt with highest in-order seq #  may generate duplicate ACKs  need only remember expectedseqnum  out-of-order pkt:  discard (don’t buffer) -> no receiver buffering!  Re-ACK pkt with highest in-order seq # Wait udt_send(sndpkt) default rdt_rcv(rcvpkt) && notcurrupt(rcvpkt) && hasseqnum(rcvpkt,expectedseqnum) extract(rcvpkt,data) deliver_data(data) sndpkt = make_pkt(expectedseqnum,ACK,chksum) udt_send(sndpkt) expectedseqnum++ expectedseqnum=1 sndpkt = make_pkt(expectedseqnum,ACK,chksum) L Chương 3. Giao thức tầng giao vận (transport layer) 45 Selective Repeat (SR)  Receiver gửi ACK cho từng packet tới đích Lưu trữ packets vào buffers (nếu cần thiết) để chuyển lên layer phía trên  Sender gửi lại những packet không nhận được ACK sau khoảng timeout Cần cơ chế định thời timeout cho từng packet (chưa được ACK)  Sender window N consecutive seq #’s again limits seq #s of sent, unACKed pkts Chương 3. Giao thức tầng giao vận (transport layer) 46 Selective repeat: sender, receiver windows Chương 3. Giao thức tầng giao vận (transport layer) 47 data from above :  Nếu STT tiếp theo nằm trong cửa sổ→gửi gói tin timeout(n):  gửi lại gói n, restart timer ACK(n) in [sendbase,sendbase+N]:  đánh dấu gói n đã nhận được  nếu n là gói chưa ACK nhỏ nhất, tăng cửa sổ lên STT chưa ACK tiếp theo sender pkt n in [rcvbase, rcvbase+N-1]  send ACK(n)  out-of-order: buffer  in-order: deliver (also deliver buffered, in-order pkts), advance window to next not-yet-received pkt pkt n in [rcvbase-N,rcvbase-1]  ACK(n) otherwise:  ignore receiver Selective repeat Chương 3. Giao thức tầng giao vận (transport layer) 48 Selective repeat in action Chương 3. Giao thức tầng giao vận (transport layer) 49Transport Layer 3-49 Selective repeat: rắc rối khi window size quá lớn Example:  seq #’s: 0, 1, 2, 3  window size=3  receiver sees no difference in two scenarios!  incorrectly passes duplicate data as new in (a) Q: what relationship between seq # size and window size? Yes, windows size= (total number /2) 0,1,2,3 => widwowsize=4/2=2 Chương 3. Giao thức tầng giao vận (transport layer) 50 Ch3. The Transport Layer 1. Transport Layer Services & Principles. 2. Multiplexing/Demultiplexing. 3. Connectionless Transport (UDP). 4. Principles of Reliable Data Transfer (RDT). 5. Connection-oriented Transport (TCP). 6. Congestion Control. 7. Sử dụng TCP hay UDP Chương 3. Giao thức tầng giao vận (transport layer) 51 TCP Overview  Transmission Control Protocol [RFCs: 793,1122, 1323, 2018, 2581]  Point-to-point: 1 sender, 1 receiver.  Giao thức tin cậy (reliable).  Kiểm soát luồng (flow control).  Kiểm soát nghẽn mạng (congestion control).  full duplex: Gửi & Nhận trên cùng một liên kết.  send/receive buffers socket door TCP send buffer TCP receive buffer socket door segment application writes data application reads data Chương 3. Giao thức tầng giao vận (transport layer) 52 TCP segment structure source port # dest port # 32 bits application data (variable length) sequence number acknowledgement number rcvr window size ptr urgent datachecksum FSRPAU head len not used Options (variable length) URG: urgent data (generally not used) ACK: ACK # valid PSH: push data to app immediately (generally not used) RST, SYN, FIN: connection estab (setup, teardown commands) # bytes rcvr willing to accept counting by bytes of data (not segments!) Internet checksum (as in UDP) Header length (by 32-bit word) Chương 3. Giao thức tầng giao vận (transport layer) 53 TCP sequence number and ACKs Seq. #’s:  byte stream “number” of first byte in segment’s data ACKs:  seq # of next byte expected from other side  cumulative ACK Q: how receiver handles out- of-order segments  A: TCP spec doesn’t say, - up to implementor Host A Host B User types ‘C’ host ACKs receipt of echoed ‘C’ host ACKs receipt of ‘C’, echoes back ‘C’ time simple telnet scenario Chương 3. Giao thức tầng giao vận (transport layer) 54bangtqh@utc2.edu.vn TCP segment – example (cnt.) Receiver’s MAC address Sender’s MAC address Type of network layer’s protocol ( 0x0800 = IP ) Chương 3. Giao thức tầng giao vận (transport layer) 55 TCP segment – example (cnt.) IP’s Header Chương 3. Giao thức tầng giao vận (transport layer) 56 Flags (00010000) TCP segment – example (cnt.) TCP’s Header Src’s port # (2467) Dst’s port # (80) Sequence number ACK number Header’s length (0xa0 = 40 bytes) Wnd’s size Chương 3. Giao thức tầng giao vận (transport layer) 57 TCP segment – example (cnt.) TCP’s Header Check sum Pointer urgent data Chương 3. Giao thức tầng giao vận (transport layer) 58 TCP segment – example (cnt.) TCP’s Header TCP’s Options (20 bytes) TCP Round Trip Time and Timeout Q: Làm sao thiết lập giá trị TCP timeout?  Lớn hơn RTT  Nhưng RTT thay đổi thì sao?  Nếu đặt Timeout quá nhỏ: → tình trạng ACK đến trễn hơn Timeout  Nếu vậy không nhất thiết phải truyền lại  Nếu đặt quá lớn: Phản hồi với segmet bị rớt chậm Q: Làm sao để đo được RTT?  SampleRTT: đo thời gian từ lúc gói tin gửi đi đến lúc nhận được ACK  Bỏ qua tình huống truyền lại  SampleRTT thay đổi, muốn đo được RTT “mượt hơn”  Lấy trung bình của những lần đo SampleRTT gần nhất (không tính giá trị đo hiện thời) Transport Layer 3-59 TCP RTT và Timeout Transport Layer 3-60 EstimatedRTT = (1- )*EstimatedRTT + *SampleRTT  trung bình động có trọng số hàm mũ  ảnh hưởng của giá trị cũ giảm nhanh theo hàm mũ  Giá trị thông dụng:  = 0.125 Transpo rt Layer3-61 Ví dụ đo RTT: RTT: gaia.cs.umass.edu to fantasia.eurecom.fr 100 150 200 250 300 350 1 8 15 22 29 36 43 50 57 64 71 78 85 92 99 106 time (seconnds) R TT (m ill is ec on ds ) SampleRTT Estimated RTT TCP Round Trip Time and Timeout Thiết lập thời gian Timeout  EstimtedRTT cộng với “biên an toàn”  EstimatedRTT thay đổi với biên độ lớn → biên an toàn lớn  Đầu tiên đo độ biến thiên của EstimatedRTT so với SampleRTT Transport Layer 3-62 TimeoutInterval = EstimatedRTT + 4*DevRTT DevRTT = (1-)*DevRTT + *|SampleRTT-EstimatedRTT| (Thông thường,  = 0.25) Sau đó thiết lập Timeout: TCP: Truyền tải dữ liệu tin cậy  TCP tạo dịch vụ truyền tải dữ liệu tin cậy trên nền dịch vụ không tin cậy IP  Các segment được truyền theo cơ chế đường ống (pipelined)  ACK cộng dồn  TCP chỉ sử dụng một bộ đếm thời gian cho truyền tải lại  Truyền tải lại được kích hoạt bởi:  sự kiện hết thời gian chờ  Trùng lặp ACK  Đầu tiên xem xét ng/gửi TCP đơn giản:  bỏ qua các ack trùng lặp  bỏ qua kiểm tra lưu lượng, kiểm tra tắc nghẽn Chương 3. Giao thức tầng giao vận (transport layer) 63 TCP sender events: data rcvd from app:  Tạo ra segment với STT  STT là stt trên luồng-byte của byte dữ liệu đầu tiên trong segment  khởi động bộ đếm t/g nếu nó chưa chạy (bộ đếm t/g cho segment chưa nhận ACK lâu nhất)  khoảng t/g hết hạn: TimeOutInterval timeout:  gửi lại segment gây nên timeout  đặt lại timer Ack rcvd:  Nếu đó là ACK cho các khúc trước đó chưa được ACK  Cập nhật danh sách các gói đã được ACK  chạy lại timer nếu như còn có các segment chưa ACK Transport Layer 3-64 Transport Layer 3-65 TCP sender (Đơn giản hóa) NextSeqNum = InitialSeqNum SendBase = InitialSeqNum loop (forever) { switch(event) event: Nhận được dữ liệu từ application tầng trên tạo TCP segment có số thứ tự là NextSeqNum if (timer không chạy) khởi chạy timer đẩy segment xuống cho tầng IP NextSeqNum = NextSeqNum + length(data) event: timer timeout Gửi lại segment có stt nhỏ nhất mà chưa được ACK khởi chạy timer event: Nhận ACK, với giá trị trường ACK là y if (y > SendBase) { SendBase = y if (Còn sement chưa ACK) khởi chạy timer } } /* end of loop forever */ Ghi chú: • SendBase-1: byte ACK được cộng dồn cuối cùng Ví dụ: • SendBase-1 = 71; y=73, vậy bên nhận cần 73+ ; y > SendBase, vì vậy có thêm dữ liệu được ACK TCP: retransmission scenarios Transport Layer 3-66 Host A time premature timeout Host B S e q = 9 2 t im e o u t Host A loss ti m e o u t lost ACK scenario Host B X time S e q = 9 2 t im e o u t SendBase= 100 SendBase= 120 SendBase= 120 Sendbase= 100 TCP retransmission scenarios (more) Transport Layer 3-67 Host A loss ti m e o u t Cumulative ACK scenario Host B X time SendBase= 120 Transpo rt Layer3-68 Tạo ACK trong TCP [RFC 1122, RFC 2581] Sự kiện tại Receiver Nhận được segment đúng thứ tự với STT hợp lí. Tất cả dữ liệu từ STT về trước đã được ACK Nhận được segment đúng thứ tự với số STT hợp lý. Một segment khác đang chờ ACK Nhân được segment không đúng thứ tự (STT cao hơn STT mong đợi). Phát hiện thiếu hụt Segment nhận được khỏa lấp 1 phân hoặc toàn bộ phần thiếu hụt Hành vi TCP tại Receiver Trì hoãn chưa ACK vội. chờ segment kế tiếp trong 500ms. nếu không có segment nào được gửi đến, gửi ACK Ngay lập tức gửi 1 segment với ACK cộng dồn xác nhận cả 2 segment đã đượcnhận thành công Ngay lập tức gửi 1 ACK lặp, chỉ rõ byte mong đợi tiếp theo Ngay lập tức gửi ACK Transpo rt Layer3-69 Fast Retransmit  Time-out thường tương đối dài:  trì hoãn lâu trước khi gửi lại gói bị mất  phát hiện mất segments thông qua ACK lặp.  Sender thường gửi nhiều segment liên tục  nếu có 1 segment bị mất thì sẽ có nhiều ACK lặp  Nếu sender nhận được 3 ACK yêu cầu cho cùng 1 segment → nó xác định segment đó đã bị mất:  fast retransmit: gửi lại segment bị mất ngay cả khi chưa tới thời điểm time-out Fast Retransmit (cont.) Chương 3. Giao thức tầng giao vận (transport layer) 70 Host A Host B X time Gửi liền 2 ACK yêu cầu segment có seq# 2 S e q = 2 t im e o u t Transpo rt Layer3-71 event: Nhận ACK, với ACK# là y if (y > SendBase) { SendBase = y if (Nếu còn segment đang đợi ACK) start timer } else { tăng bộ đếm duplicate ACKs nhận được cho y if (nếu bộ đếm lặp của y = 3) { gửi lại segment với sequence # = y } Fast retransmit algorithm: a duplicate ACK for already ACKed segment Truyền lại nhanh Chương 3. Giao thức tầng giao vận (transport layer) 72 TCP flow control  Các apps có thể xử lý dữ liệu chậm, các gói tin nhận về được đưa vào bộ đệm (receiver buffer).  Flow control: kiểm soát không để cho receiver buffer bị tràn vì sender gửi nhiều gói tin quá.  Receiver: Thông báo cho sender biết kích thước của RcvWidow (free buffer): trường rcv window size trong TCP segment headers.  Sender: Luôn nắm được kích thước tối đa của gói tin có thể truyền tiếp. Chương 3. Giao thức tầng giao vận (transport layer) 73 TCP Connection management  TCP: Connection-oriented.  Khởi tạo các giá trị:  sequence number.  buffers, flow control information.  Client:Connection initiator (khởi tạo liên kết: socket).  Server: Chấp nhận kết nối. Three way handshaking:  Bước 1: client gửi TCP SYN control segment tới server.  Bước 2: server nhận SYN segment rồi trả lời bằng SYNACK segment.  Bước 3: client nhận SYNACK segment và trả lời bằng ACK segment (có thể có dữ liệu đi kèm). Chương 3. Giao thức tầng giao vận (transport layer) 74 Chương 3. Giao thức tầng giao vận (transport layer) 75 TCP Connection management: ngắt liên kết  Bước 1: client (phía muốn ngắt liên kết) gửi TCP FIN segment.  Bước 2: server (phía còn lại) nhận được FIN, gửi ACK, ngắt liên kết, gửi tiếp FIN segment.  Bước 3: client nhận FIN, trả lời bằng ACK. timed wait (chờ một lúc nữa cho tới khi liên kết đóng hẳn).  Bước 4: server nhận ACK, đóng liên kết. client server closing closing closed ti m e d w a it closed Chương 3. Giao thức tầng giao vận (transport layer) 76 TCP client lifecycle TCP server lifecycle TCP Connection management (cont.) Chương 3. Giao thức tầng giao vận (transport layer) 77bangtqh@utc2.edu.vn Ch3. The Transport Layer 1. Transport Layer Services & Principles. 2. Multiplexing/Demultiplexing. 3. Connectionless Transport (UDP). 4. Principles of Reliable Data Transfer (RDT). 5. Connection-oriented Transport (TCP). 6. Congestion Control. 7. Sử dụng TCP hay UDP Chương 3. Giao thức tầng giao vận (transport layer) 78 Congestion control  Nghẽn mạng là điều khó tránh khỏi!!!  Khi mạng bị nghẽn, các gói tin có thể bị trễ hay bị mất.  Hai hướng tiếp cận:  End-end congestion control: Thông tin về mức độ nghẽn mạng được suy ra từ lượng tin bị mất mát trong quá trình truyền.  Network-assited congestion control: Routers cung cấp các thông tin phản hồi về tình trạng nghẽn mạng tới end systems.  Bit thông báo nghẽn mạng  đừng gửi nữa hoăc xin chờ một lát.  Tốc độ tối đa cho phép gửi (maximum rate allowed).  TCP sử dụng phương pháp end-end congestion control. Chương 3. Giao thức tầng giao vận (transport layer) 79 Causes/costs of congestion: scenario 1  2 senders, 2 receivers  01 router, buffers vô hạn  no retransmission  large delays when congested  maximum achievable throughput unlimited shared output link buffers Host A lin : original data Host B lout Chương 3. Giao thức tầng giao vận (transport layer) 80 Causes/costs of congestion: scenario 2  one router, buffers có hạn  sender gửi lại các packet bị mất finite shared output link buffers Host A lin : original data Host B lout l'in : original data, plus retransmitted data Chương 3. Giao thức tầng giao vận (transport layer) 81  always: (goodput)  “perfect” retransmission only when loss:  retransmission of delayed (not lost) packet makes larger (than perfect case) for same l in l out = l in l out > l in l out “costs” of congestion: r more work (retrans) for given “goodput” r unneeded retransmissions: link carries multiple copies of pkt Causes/costs of congestion: scenario 2 Chương 3. Giao thức tầng giao vận (transport layer) 82 Causes/costs of congestion: scenario 3  4 senders  multihop paths  timeout/retransmit l in Q: what happens as and increase ?l in finite shared output link buffers Host A lin : original data Host B lout l'in : original data, plus retransmitted data Chương 3. Giao thức tầng giao vận (transport layer) 83 Causes/costs of congestion: scenario 3 Another “cost” of congestion: r Khi thực hiện drop các packet trên đường truyền  dung lượng đường truyền đã sử dụng để gửi tin tới điểm bị drop là vô ích. H o s t A H o s t B l o u t Chương 3. Giao thức tầng giao vận (transport layer) 84 TCP Congestion Control  end-end control (no network assistance)  Sender điều khiển lượng dữ liệu gửi đi theo quy tắc: LastByteSent-LastByteAcked  min {CongWin, ReceiverWnd}  Công thức xấp xỉ:  Giá trị CongWin luôn biến đổi và được tính toán theo khả năng truyền tải của mạng. Làm thế nào sender đánh giá được tình trạng nghẽn?  loss event = timeout or 3 duplicate ACKs  TCP sender reduces rate (CongWin) after loss event Cơ chế đánh giá nghẽn:  AIMD  Slow start  conservative after timeout events rate = CongWin RTT Bytes/sec Chương 3. Giao thức tầng giao vận (transport layer) 85 8 Kbytes 16 Kbytes 24 Kbytes time congestion window multiplicative decrease: cut CongWin in half after loss event additive increase: increase CongWin by 1 MSS every RTT in the absence of loss events: probing Long-lived TCP connection TCP AIMD (additive-increase, multiplicative-decrease) Chương 3. Giao thức tầng giao vận (transport layer) 86 TCP Slow Start  When connection begins, CongWin = 1 MSS  Example: MSS = 500 bytes & RTT = 200 msec  initial rate = 20 kbps  Available bandwidth may be >> MSS/RTT  desirable to quickly ramp up to respectable rate r When connection begins, increase rate exponentially fast until first loss event Chương 3. Giao thức tầng giao vận (transport layer) 87 TCP Slow Start (more)  When connection begins, increase rate exponentially until first loss event:  double CongWin every RTT  done by incrementing CongWin for every ACK received  Summary: initial rate is slow but ramps up exponentially fast Host A R T T Host B time Chương 3. Giao thức tầng giao vận (transport layer) 88 Refinement  After 3 dup ACKs:  CongWin is cut in half  window then grows linearly  But after timeout event:  CongWin instead set to 1 MSS;  window then grows exponentially  to a threshold, then grows linearly • 3 dup ACKs indicates network capable of delivering some segments • timeout before 3 dup ACKs is “more alarming” Philosophy: Chương 3. Giao thức tầng giao vận (transport layer) 89 Q: When should the exponential increase switch to linear? A: When CongWin gets to 1/2 of its value before timeout. Implementation:  Variable Threshold  At loss event, Threshold is set to 1/2 of CongWin just before loss event Refinement (more) Chương 3. Giao thức tầng giao vận (transport layer) 90  When CongWin is below Threshold, sender in slow- start phase, window grows exponentially.  When CongWin is above Threshold, sender is in congestion-avoidance phase, window grows linearly.  When a triple duplicate ACK occurs, Threshold set to CongWin/2 and CongWin set to Threshold.  When timeout occurs, Threshold set to CongWin/2 and CongWin is set to 1 MSS. Summary: TCP Congestion Control Chương 3. Giao thức tầng giao vận (transport layer) 91 TCP throughput (or transmission rate)  Gía trị throughout (số packet gửi đi / giây) của TCP tính theo Window size và RTT là bao nhiêu? Không tính giai đoạn slowstart  Gọi W là giá trị window size khi xuất hiện mất gói. Khi window size = W, throughput = W/RTT Ngay sau khi có nghẽn (lost), window size giảm xuống = W/2  throughput = W/2RTT.  Throughout trung bình là: 0.75 W/RTT Throughout TB = 3W/4RTT Chương 3. Giao thức tầng giao vận (transport layer) 92 TCP Futures  Hỏi: Giả sử MSS = 1500 byte, RTT = 100µs , Cần gửi đi với tốc độ là 10 Gbps (throughput=109 bps). Vậy giá trị Windowsize phải là bao nhiêu ?  Trả lời: window size W = 83,333 in-flight segments  Throughput tính theo loss rate:  Trong đó L = loss rate LRTT MSS22.1 Chương 3. Giao thức tầng giao vận (transport layer) 93 Delay modeling Q: How long does it take to receive an object from a Web server after sending a request? Ignoring congestion, delay is influenced by:  TCP connection establishment  data transmission delay  slow start Notation, assumptions:  Assume one link between client and server of rate R  S: MSS (bits)  O: object size (bits)  no retransmissions (no loss, no corruption) Window size:  First assume: fixed congestion window, W segments  Then dynamic window, modeling slow start Chương 3. Giao thức tầng giao vận (transport layer) 94 Fixed congestion window (1) First case: WS/R > RTT + S/R: ACK for first segment in window returns before window’s worth of data sent delay = 2RTT + O/R Chương 3. Giao thức tầng giao vận (transport layer) 95Transport Layer 3-95 Fixed congestion window (2) Second case:  WS/R < RTT + S/R: wait for ACK after sending window’s worth of data sent delay = 2RTT + O/R + (K-1)[S/R + RTT - WS/R] Chương 3. Giao thức tầng giao vận (transport layer) 96 Ch3. The Transport Layer 1. Transport Layer Services & Principles. 2. Multiplexing/Demultiplexing. 3. Connectionless Transport (UDP). 4. Principles of Reliable Data Transfer (RDT). 5. Connection-oriented Transport (TCP). 6. Congestion Control. 7. Sử dụng TCP hay UDP Chương 3. Giao thức tầng giao vận (transport layer) 97 Một số so sánh TCP/UDP  Có liên kết, lưu trữ trạng thái liên kết (quản lý liên kết).  Điểm-điểm  Có độ trễ (delay): thiết lập, quản lý liên kết, luồng, nghẽn  Segment header lớn (20 bytes)  Bị giới hạn tốc độ truyền (congestion control)  Không liên kết, không lưu trữ trạng thái.  Điểm-điểm, quảng bá.  Độ trễ thấp.  Segment header nhỏ (8 bytes)  Không giới hạn tốc độ truyền. Chương 3. Giao thức tầng giao vận (transport layer) 98 Các app thực tế Application App protocol Transport protocol Electronic mail SMTP TCP Remote terminal access Telnet TCP Web HTTP TCP File transfer FTP TCP Remote file server NFS typically UDP Streaming multimedia proprietary typically UDP Internet telephony proprietary typically UDP Network management SNMP typically UDP Routing protocol RIP typically UDP Name translation DNS typically UDP