ELEC-C7241 Tietokoneverkot Kuljetuskerros

Transkriptio

1 ELEC-C7241 Tietokoneverkot Kuljetuskerros Pasi Sarolahti (kalvoja Matti Siekkiseltä)

2 Laskareista Lisävuoro ke U8 Edelleen myös ke ja pe Ke tällä viikolla poikkeuksellisesti TU5:ssä Huoneen kapasiteetti: 40 henkilöä

3 Työjärjestys Palautetta Yleistä kuljetuskerroksesta UDP Luotettavan protokollan ominaisuuksia Tauko Mininet - demo TCP Ruuhkanhallinta

4 Palautteesta Materiaali paremmin onnistunut kuin edellisellä kierroksella Tehtävät kuivia, lisää ohjelmointia Enemmän automaattitehtäviä esseiden sijaan Ajastintehtävä hankala QUIC kiinnostava, tiedonhaku ok

5 Internet-protokollapino Ohjelmistot (software) Sähköposti Facebook Web-selain Käyttöjärjestelmä (operating system, OS) Laiteajurit (drivers) Toteuttaa hajautetun palvelun Sovelluskerros Kuljetuskerros Verkkokerros Linkkikerros Fyysinen kerros Erottaa sovellukset toisistaan yhdessä koneessa ja huolehtii yhteyksistä palvelun osien välillä Erottaa Internetverkon koneet toisistaan ja huolehtii yhteyksistä niiden välillä Sama kuin yllä, mutta lähiverkossa

6 Kuljetuskerroksen tehtävä Kuljetuskerros yhdistää sovelluksia Viestejä päätelaitteen sovelluksesta toiseen (end-to-end) Aktiivisia sovelluksia voi olla monia yhtäaikaa yhdessä päätelaitteessa Kuljetuskerros tarjoaa sovelluksille erilaisia palveluita Luotettava/epäluotettava tiedonsiirto Viestinvälitys (datagrammi) tai tavuvirta Kuljetuskerros toteutetaan eri protokollilla, jotka ovat vaihtoehtoisia TCP tarjoaa luotettavan tavuvirran palveluna sovellukselle UDP tarjoaa epäluotettavan viestinvälityksen palveluna Myös muita, ei käsitellä tällä kurssilla 6

7 Kuljetuskerroksen ominaisuuksia Portti Jokaisella päätelaitteella on osoite (IP) Portti (16-bittinen numero) identifioi sovelluksen päätelaitteessa Monta aktiivista yhtäaikaisesti Well-known port numbers: Varattuja, esim. 80=HTTP, 53=DNS Internet Assigned Numbers Authority: Applications DNS IRC xyz Transport (TCP/UDP) IP 7

8 Kuljetuskerroksen ominaisuuksia Pistokerajapinta Sovelluksen ja kuljetuskerroksen protokollan välissä Porttinumero määräytyy sokettia luodessa Data välitetään segmentteinä UDP viesti, TCP tavuvirran osa Kapseloidaan pakettiin alemmalla kerroksella (IP) 8

9 Kapselointi (encapsulation) Ylemmän kerroksen protokollan viesti kapseloidaan alemman kerroksen viestin sisään Otsake (header) eteen Dekapseloidaan toisessa päässä Sovelluksen lähettämä data kapseloidaan kuljetuskerroksen (TCP tai UDP) segmenttiin otsakkeet HTTP appl. data tietosisältö (payload) TCP/UDP segment IPv4/6 packet Ethernet/ Wi-Fi/ frame CRC

10 UDP

11 UDP User Datagram Protocol Standardi RFC-768 UDP tarjoaa epäluotettavan yhteydettömän kuljetuspalvelun Minimaalinen kuljetuskerroksen protokolla Kevyt, ei tilaa, ei yhteydenmuodostusta, helppo toteuttaa Datagrammien välitys päätelaitteessa Kohdeosoitteen ja kohdeportin avulla 11

12 UDP UDP välittää datagrammeja (viesti) lähettäjän porttinro pituus viestin sisältö vastaanottajan porttinro UDP tarkistesumma otsake Kaikki otsakkeen kentät 16 bittiä pitkiä Tarkistussummaan lasketaan sekä otsake että data Ei ole välttämätön 12

13 Luotettavan tiedonsiirtoprotokollan rakentaminen

14 Putkitus Useita segmenttejä matkalla yhtäaikaisesti Tarvitaan riittävä numeroavaruus sekvenssinumeroille Liukuva ikkuna (sliding window) Suurin vastaanotettu kuittaus Lähettäjä Seuraavaksi lähetettävä Vastaanottaja Seuraavaksi odotettu Suurin hyväksyttävissä Lähettäjän ikkuna Vastaanottajan ikkuna Lähetetty & kuitattu Lähetetty & kuittaamaton Vastaanotettu & kuitattu Hyväksyttävissä Voidaan lähettää Ei käytettävissä Ei käytettävissä 14

15 Putkitus Useita segmenttejä matkalla yhtäaikaisesti Tarvitaan riittävä numeroavaruus sekvenssinumeroille Liukuva ikkuna (sliding window) Suurin vastaanotettu kuittaus Lähettäjä Seuraavaksi lähetettävä Vastaanottaja Seuraavaksi odotettu Suurin hyväksyttävissä Lähettäjän ikkuna Vastaanottajan ikkuna Lähetetty & kuitattu Lähetetty & kuittaamaton Vastaanotettu & kuitattu Hyväksyttävissä Voidaan lähettää Ei käytettävissä Ei käytettävissä 15

16 Go-Back-N 16

17 Selective Repeat 17

18 TCP

19 TCP-yhteyden muodostaminen Asiakas three-way handshake SYN-paketit alustavat sekvenssinumerot satunnaisluvuilla x ja y Mahdolliset vanhat vielä matkalla olevat paketit eivät sotke yhteyttä Kolmas paketti varmistaa ettei palvelin jää turhaan odottelemaan asiakasta SYN+ACK häviää tai asiakas keskeyttää SYN, sekv x SYN, sekv y + ACK x+1 ACK y+1 Voi sisältää jo dataa Palvelin 19

20 TCP:n toiminta Kolme päätehtävää kun yhteys on muodostettu 1. Virheenkorjaus Epäluotettavan verkkokerroksen takia 2. Vuonhallinta Otetaan huomioon hidas vastaanottava sovellus 3. Ruuhkanhallinta Vältetään verkon ylikuormitustilanteita Lähettäjä Vastaanottaja Sovellus puskurit Sovellus TCP Verkko TCP Lisäksi: pidä suorituskyky mahdollisimman hyvänä

21 TCP virheenkorjauksen ajastin Ajastimen sopiva pituus Pidempi kuin kiertoviive Muuten uudelleenlähetetään vielä matkalla olevia paketteja Mahdollisimman lyhyt jotta reagoidaan nopeasti virheisiin Pitää säätää koko ajan koska kiertoviive vaihtelee myös läh. vo ajastimen pituus data 1 ACK 2 21

22 TCP:n uudelleenlähetysajastin 22

23 Fast Retransmit Host A Host B Kuittaus kertoo aina seuraavan puuttuvan paketin sekvenssinron à Duplikaattikuittaukset merkitsee kadonnutta tai virheellistä pakettia! FR: Ei odoteta ajastinta vaan uudelleenlähetetään heti 3 duplikaattikuittauksen jälkeen Miksi odottaa kolme duplikaattia? Joskus verkko uudelleenjärjestää paketteja à vältetään turhia uudelleenlähetyksiä seq # x1 seq # x2 seq # x3 seq # x4 seq # x5 kolme duplikaattikuittausta timeout X ACK x1 ACK x1 ACK x1 ACK x1 time

24 TCP vuonhallinta Eli flow control Vastaanottava sovellus kuluttaa dataa tietyllä nopeudella TCP yhteyden yli voidaan joskus lähettää tätä nopeammin Vuonhallinta varmistaa ettei näin tapahdu Menetelmä perustuu liukuvan ikkunan koon vaihteluun lähettäjä sovellus puskurit vastaanottaja sovellus TCP verkko TCP 24

25 Lähettäjä Sovellus kirjoittaa 2K sokettiin TCP Vuonhallinta 2K SEQ=0 Vastaanottaja 0 4K Tyhjä 2K Lähettävä sovellus lähettää 2K, vastaanottajan puskuri on nyt puolitäynnä. 25

26 Lähettäjä Sovellus kirjoittaa 2K sokettiin TCP Vuonhallinta 2K SEQ=0 ACK=2048 WIN=2048 Vastaanottaja 0 4K Tyhjä 2K Vastaanottaja kuittaa ensimmäiset 2048 tavua ja ilmoittaa lähettäjälle että mahtuu vielä 2048 tavua. 26

27 Lähettäjä Sovellus kirjoittaa 2K sokettiin Sovellus kirjoittaa 2K sokettiin TCP Vuonhallinta 2K SEQ=0 ACK=2048 WIN=2048 2K SEQ=2048 Vastaanottaja 0 4K Tyhjä 2K Täysi Lähettävä sovellus lähettää toiset 2K. Vastaanottajan puskuri on nyt täynnä ja uuden datan lähetys estetään. 27

28 Lähettäjä Sovellus kirjoittaa 2K sokettiin Sovellus kirjoittaa 2K sokettiin Lähetys estetty TCP Vuonhallinta 2K SEQ=0 ACK=2048 WIN=2048 2K SEQ=2048 ACK=4096 WIN=0 Vastaanottaja 0 4K Tyhjä 2K Täysi Vastaanottaja kuittaa seuraavat 2048 (yht. 4096) tavua ja ilmoittaa lähettäjälle ettei mahdu enempää. Uuden datan lähetys on estetty. 28

29 Lähettäjä Sovellus kirjoittaa 2K sokettiin Sovellus kirjoittaa 2K sokettiin { Lähetys estetty TCP Vuonhallinta 2K SEQ=0 ACK=2048 WIN=2048 2K SEQ=2048 ACK=4096 WIN=0 ACK=4096 WIN=2048 Vastaanottaja 0 4K Tyhjä 2K Täysi 2K Voi lähettää 2K Vastaanottava sovellus lukee 2048 tavua soketista ja TCP ilmoittaa lähettäjälle että taas mahtuu. Lähettäjä voi nyt lähettää uudet 2K. 29

30 Lähettäjä Sovellus kirjoittaa 2K sokettiin Sovellus kirjoittaa 2K sokettiin Lähetys estetty { TCP Vuonhallinta 2K SEQ=0 ACK=2048 WIN=2048 2K SEQ=2048 ACK=4096 WIN=0 ACK=4096 WIN=2048 Vastaanottaja 0 4K Tyhjä 2K Täysi 2K Voi lähettää 2K 1K SEQ=4096 1K 2K Sovellus kirjoittaa 1K sokettiin Lähettävä sovellus kirjoittaa 1K sokettiin. Vastaanottavan TCP:n puskurissa on 1K tilaa. 30

31 Ruuhkanhallinta

32 Ruuhkanhallinta: Miksi? Verkkoelementeissä (reitittimet) on puskurit FIFO+drop tail Puskurin täyttyessä paketit joutuvat jonottamaanà viive kasvaa Puskurien ollessa täynnä uudet paketit pudotetaan läpisyöttö viive kuorma Paketteja pudotetaan Congestion collapse : Pudotettujen pakettien uudelleenlähetys Kasvattaa lisää kuormaa Uudelleenlähetetään tarpeettomasti vielä matkalla olevia paketteja Viive kasvaa nopeasti à RTO ei pysy perässä Viive kasvaa yli maksimi RTOn Lisää edelleen kuormaa! Reitittimet tekevät enenevästi turhaa työtä Esim. paketin pudottaa loppusuoralla oleva reititin

33 Slow Start (SS) Aloitetaan hitaasti: lähetetään vain yksi segmentti (cwnd=1) Jokainen uusi kuittaus kasvattaa ruuhkaikkunaa yhdellä RTT Host A Host B Ikkunan koko kasvaa exponentiaalisesti Ideana on uuden yhteyden lähetysnopeuden nopea kasvattaminen SS käytössä: Uuden TCP-yhteyden alussa RTO ajastimen laukeamisen jälkeen à ruuhkatilanne aika

34 Congestion Avoidance (CA) Lähestytään verkon (polun) kapasiteettia varovaisemmin Kasvatetaan ruuhkaikkunaa yhdellä kun vastaanotettu ikkunan verran kuittauksia (eli +1 per RTT) RTT Host A Host B Periaate on välttää pahoja ruuhkatilanteita Verkon vaikea toipua (uudelleenlähetykset) time 34

35 TCP slow start ja timeout 35

36 TCP fast retransmit 36