Chapter 3: Transport Layer

Transkriptio

1 Chapter 3: Transport Layer our goals: understand principles behind transport layer services: multiplexing, demultiplexing reliable data transfer flow control congestion control learn about Internet transport layer protocols: UDP: connectionless transport TCP: connection-oriented reliable transport TCP congestion control Transport Layer 3-1

2 Chapter 3: Kuljetuskerros Tavoitteemme: ymmärtää kuljetuskerroksen palveluiden periaatteet: kanavointi, kanavoinnin purku luotettava datan siirto yhteyden hallinta ruuhkanhallinta oppia Internetin kuljetuskerroksen protokollat: UDP: yhteydetön kuljetus TCP: yhteydellinen luotettava kuljetus TCP ruuhkanhallinta Transport Layer 3-2

3 Chapter 3 outline 3.1 transport-layer services 3.2 multiplexing and demultiplexing 3.3 connectionless transport: UDP 3.4 principles of reliable data transfer 3.5 connection-oriented transport: TCP segment structure reliable data transfer flow control connection management 3.6 principles of congestion control 3.7 TCP congestion control Transport Layer 3-3

4 Kappale 3 yleiskatsaus 3.1 kuljetuskerroksen palvelut 3.2 multipleksaus ja demultipleksaus 3.3 yhteydetön kuljetus: UDP 3.4 periaatteet luotettavaan tiedonsiirtoon 3.5 yhteydellinen kuljetus: TCP segmentin rakenne luotettava tiedonsiirto jatkuva ohjaus yhteydenhallinta 3.6 periaatteet ruuhkanhallintaan 3.7 TCP:n ruuhkanhallinta Transport Layer 3-4

5 Transport services and protocols le nd -e nd rt po ns tra ca gi lo provide logical communication between app processes running on different hosts transport protocols run in end systems send side: breaks app messages into segments, passes to network layer rcv side: reassembles segments into messages, passes to app layer more than one transport protocol available to apps Internet: TCP and UDP application transport network data link physical application transport network data link physical Transport Layer 3-5

6 Kuljetuspalvelut ja protokollat en in og lo u pp lo u- pp lo lje ku tu s tarjoaa loogista kommunikaatiota prosessisovellusten välillä, joita suoritetaan eri palvelimilla kuljetusrotokollat suoritetaan loppusysteemeissä lähetyspuoli: jakaa sovelluksen viestit segmenteiksi, siirtää verkkokerrokselle vastaanottajapuoli: kokoaa segmentit viesteiksi, lähettää sovelluskerrokselle useampi kuin yksi siirtoprotokolla saatavilla sovelluksille Internet: TCP ja UDP sovellus kuljetus verkko data linkki fyysinen sovellus kuljetus verkko data linkki fyysinen Transport Layer 3-6

7 Transport vs. network layer network layer: logical communication between hosts transport layer: logical communication between processes relies on, enhances, network layer services household 12 kidsanalogy: in Ann s house sending letters to 12 kids in Bill s house: hosts = houses processes = kids app messages = letters in envelopes transport protocol = Ann and Bill who demux to inhouse siblings network-layer protocol = postal service Transport Layer 3-7

8 Kuljetuskerros vs. verkkokerros verkkokerros: loogista kommunikointia hostien välillä kuljetuskerros: loogista kommunikointia prosessien välillä turvautuu, parantaa, verkkokerroksen palveluita kotitalousanalogia: 12 lasta Annin talossa lähettää kirjeitä 12 lapselle Billin talossa: hostit = talot prosessit = lapset sovellusviestit = kirjeet kirjekuorissa kuljetusprotokolla = Ann ja Bill jotka demultipleksaavat talon sisaruksille verkkokerroksen protokolla = postipalvelu Transport Layer 3-8

9 Internet transport-layer protocols reliable, in-order delivery (TCP) network data link physical network data link physical rt po ns services not available: tra network data link physical d no-frills extension of best-effort IP network data link physical n -e nd unreliable, unordered delivery: UDP network data link physical le network data link physical ca gi lo congestion control flow control connection setup application transport network data link physical network data link physical application transport network data link physical delay guarantees bandwidth guarantees Transport Layer 3-9

10 Internet kuljetuskerroksen protokollat network data link physical network data link physical ca gi lo network data link physical network data link physical network data link physical rt po ns tra network data link physical d n -e nd le luotettava, järjestelmällinen toimitus(tcp) ruuhkanhallinta yhteydenhallinta yhteyden luonti epäluotettava, epäjärjestelmällinen toimitus: UDP yksinkertainen laajennus paras yritys IP:hen Ei saatavilla olevat palvelut: viivetakuut kaistanleveystakuut application transport network data link physical network data link physical application transport network data link physical Transport Layer 3-10

11 Chapter 3 outline 3.1 transport-layer services 3.2 multiplexing and demultiplexing 3.3 connectionless transport: UDP 3.4 principles of reliable data transfer 3.5 connection-oriented transport: TCP segment structure reliable data transfer flow control connection management 3.6 principles of congestion control 3.7 TCP congestion control Transport Layer 3-11

12 Kappale 3 yleiskatsaus 3.1 kuljetuskerroksen palvelut 3.2 multipleksaus ja demultipleksaus 3.3 yhteydetön kuljetus: UDP 3.4 periaatteet luotettavaan tiedonsiirtoon 3.5 yhteydellinen kuljetus: TCP segmentin rakenne luotettava tiedonsiirto jatkuva ohjaus yhteydenhallinta 3.6 periaatteet ruuhkanhallintaan 3.7 TCP:n ruuhkanhallinta Transport Layer 3-12

13 Multiplexing/demultiplexing multiplexing at handle data from multiple sender: sockets, add transport header (later used for demultiplexing) demultiplexing at use header info to deliver receiver: received segments to correct socket application application P1 P2 application P3 transport P4 transport network transport network link network link physical link physical socket process physical Transport Layer 3-13

14 Multipleksaus/demultipleksaus multipleksausta lähettäjällä: käsittelee dataa useista soketeista ja kuljettaa otsikon (käytetään myöhemmin demultipleksaukseen) demultipleksausta vastaanottajallä: application application P1 P2 käyttää otsikkotietoa toimittaakseen vastaanotetut segmentit oikeisiin soketteihin application P3 transport P4 transport network transport network link network link physical link physical soketti prosessi physical Transport Layer 3-14

15 How demultiplexing works host receives IP datagrams each datagram has source IP address, destination IP address each datagram carries one transport-layer segment each segment has source, destination port number host uses IP addresses & port numbers to direct segment to appropriate socket 32 bits source port # dest port # other header fields application data (payload) TCP/UDP segment format Transport Layer 3-15

16 Kuinka demultipleksaus toimii hosti vastaanottaa IP datagrammeja jokaisella datagrammilla on lähde IP-osoite, määränpää IP-osoite jokainen datagrammi kantaa yhtä kuljetuskerroksen segmenttiä jokaisella segmentillä on lähde, määränpääportin numero hosti käyttää IP osoitteita ja porttinumeroita ohjatakseen segmentin sopivaan sokettiin 32 bittiä lähdeportti # kohdeportti # Muu otsake kenttä sovellusdata (tietosisältö) TCP/UDP segmentin tallennusmuoto Transport Layer 3-16

17 Connectionless demultiplexing recall: created socket has host-local port #: DatagramSocket mysocket1 = new DatagramSocket(12534); when host receives UDP segment: checks destination port # in segment directs UDP segment to socket with that port # recall: when creating datagram to send into UDP socket, must specify destination IP address destination port # IP datagrams with same dest. port #, but different source IP addresses and/or source port numbers will be directed to same socket at dest Transport Layer 3-17

18 Yhteydetön demultipleksaus muista: luodulla soketilla on host-lokaali portti #: DatagramSocket mysocket1 = new DatagramSocket(12534); kun hosti vastaanottaa UDP segmentin: tarkistaa kohdeportin numeron # segmentissä ohjaa UDP segmentin sokettiin tällä porttinumerolla # muista: luodessa datagrammia, joka lähetetään UDP sokettiin, täytyy määritellä kohteen IP-osoite kohteen porttinumero # IP datagrammit joilla on sama kohdeportin nro #, mutta eri lähde IPosoitteet ja/tai lähdeporttinumerot ohjataan samaan sokettiin kohteessa Transport Layer 3-18

19 Connectionless demux: example DatagramSocket mysocket2 = new DatagramSocket (9157); DatagramSocket serversocket = new DatagramSocket (6428); application application DatagramSocket mysocket1 = new DatagramSocket (5775); application P1 P3 P4 transport transport transport network network link network link physical link physical physical source port: 6428 dest port: 9157 source port: 9157 dest port: 6428 source port:? dest port:? source port:? dest port:? Transport Layer 3-19

20 Yhteydetön demux: esimerkki DatagramSocket serversocket = new DatagramSocket (6428); DatagramSocket mysocket2 = new DatagramSocket (9157); application application DatagramSocket mysocket1 = new DatagramSocket (5775); application P1 P3 P4 transport transport transport network network link network link physical link physical physical lähdeportti: 6428 kohdeportti: 9157 lähdeportti: 9157 kohdeportti: 6428 lähdeportti:? kohdeportti:? lähdeportti:? kohdeportti:? Transport Layer 3-20

21 Connection-oriented demux TCP socket identified by 4-tuple: source IP address source port number dest IP address dest port number demux: receiver uses all four values to direct segment to appropriate socket server host may support many simultaneous TCP sockets: each socket identified by its own 4-tuple web servers have different sockets for each connecting client non-persistent HTTP will have different socket for each request Transport Layer 3-21

22 Yhteydellinen demux TCP soketti tunnistettu 4-kertaisesti: lähteen IP osoite lähteen portin numero kohteen IP osoite kohteen portin numero demux: vastaanottaja käyttää kaikkia neljää arvoa ohjatessaan segmenttiä sopivaan sokettiin palvelin hosti voi tukea montaa samanaikaista TCP sokettia: jokainen soketti tunnistettu 4-kertaisesti verkkopalvelimilla on eri soketit kaikille yhdistyneille asiakasohjelmille ei-jatkuvalla on eri soketit jokaiselle pyynnölle Transport Layer 3-22

23 Connection-oriented demux: example application application P4 P5 application P6 P3 P3 P2 transport network network link network link physical link physical hosti: IP osoite A transport transport server: IP address B source IP,port: B,80 dest IP,port: A,9157 source IP,port: A,9157 dest IP, port: B,80 three segments, all destined to IP address: B, dest port: 80 are demultiplexed to different sockets physical source IP,port: C,5775 dest IP,port: B,80 host: IP address C source IP,port: C,9157 dest IP,port: B,80 Transport Layer 3-23

24 Yhteydellinen demux: esimerkki application application P4 P5 application P6 P3 P3 P2 transport network network link network link physical link physical host: IP address A transport transport server: IP address B source IP,port: B,80 dest IP,port: A,9157 source IP,port: A,9157 dest IP, port: B,80 kolme segmenttiä, kaikkien kohteena IP-osoite B, kohdeportti: 80 on demultipleksattu eri soketteihin physical source IP,port: C,5775 dest IP,port: B,80 host: IP address C source IP,port: C,9157 dest IP,port: B,80 Transport Layer 3-24

25 Connection-oriented demux: example threaded server application application P3 application P4 P3 P2 transport network network link network link physical link physical host: IP address A transport transport server: IP address B source IP,port: B,80 dest IP,port: A,9157 source IP,port: A,9157 dest IP, port: B,80 physical source IP,port: C,5775 dest IP,port: B,80 host: IP address C source IP,port: C,9157 dest IP,port: B,80 Transport Layer 3-25

26 Yhteydellinen demux: esimerkki säikeistetty palvelin application application P3 application P4 P3 P2 transport network network link network link physical link physical host: IP address A transport transport server: IP address B source IP,port: B,80 dest IP,port: A,9157 source IP,port: A,9157 dest IP, port: B,80 physical source IP,port: C,5775 dest IP,port: B,80 host: IP address C source IP,port: C,9157 dest IP,port: B,80 Transport Layer 3-26

27 Chapter 3 outline 3.1 transport-layer services 3.2 multiplexing and demultiplexing 3.3 connectionless transport: UDP 3.4 principles of reliable data transfer 3.5 connection-oriented transport: TCP segment structure reliable data transfer flow control connection management 3.6 principles of congestion control 3.7 TCP congestion control Transport Layer 3-27

28 Kappale 3 katsaus 3.1 kerrosliikenne palvelut 3.2 multiplexing ja demultiplexing 3.3 yhteydetön siirto: UDP 3.4 luotettavan tiedonsiirron periaatteita 3.5 yhteydellinen siirto: TCP segmentti rakenne luotettava tiedonsiirto virtauksien kontrolli yhteyksien hallinta 3.6 ruuhkanhallinnan periaatteet 3.7 TCP ruuhkanhallinta Transport Layer 3-28

29 UDP: User Datagram Protocol [RFC 768] no frills, bare bones Internet transport protocol best effort service, UDP segments may be: lost delivered out-of-order to app connectionless: no handshaking between UDP sender, receiver each UDP segment handled independently of others UDP use: streaming multimedia apps (loss tolerant, rate sensitive) DNS SNMP reliable transfer over UDP: add reliability at application layer application-specific error recovery! Transport Layer 3-29

30 UDP: User Datagram Protocol [RFC 768] ei tavallinen, paljaat luut Internetin siirto protokolla paras yritys palvelu, UDP segmentit voivat olla: kadonneita toimitettu out-of-order viesti sovelukselle yhteydetön: ei yhteyttä UDP lähettäjän ja vastaanottimen välillä jokainen UDP segmentti käsitellään riippumattomasti UDP käyttää: suoratoistaa multimedia sovellukset (hävikki ymmärtäväinen, herkkä nopeusvaihteluille) DNS SNMP luotettava siirto UDP:n aikana: lisätään luotettavuutta sovelluskerroksilla sovelluskohtainen virheiden ratkaisu Transport Layer 3-30

31 UDP: segment header 32 bits source port # dest port # length checksum length, in bytes of UDP segment, including header why is there a UDP? application data (payload) no connection establishment (which can add delay) simple: no connection state at sender, receiver small header size no congestion control: UDP can blast away as fast as desired UDP segment format Transport Layer 3-31

32 UDP: segmentti header 32 bits source port # dest port # length checksum UDP segmentin pituus biteissä, sisältäen header miksi UDP? application data (payload) ei yhteydenmuodostusta (mikä voi lisätä viivettä) yksinkertaisesti: ei yhteyttä lähettäjän ja vastaanottajan välillä pieni header koko ei ruuhkanhallintaa: UDP voi poistua niin nopeasti kuin halutaan UDP segment format Transport Layer 3-32

33 UDP checksum Goal: detect errors (e.g., flipped bits) in transmitted segment sender: treat segment contents, including header fields, as sequence of 16-bit integers checksum: addition (one s complement sum) of segment contents sender puts checksum value into UDP checksum field receiver: compute checksum of received segment check if computed checksum equals checksum field value: NO - error detected YES - no error detected. But maybe errors nonetheless? More later. Transport Layer 3-33

34 UDP checksum Tavoite: havaita "virheitä" (eli vaihtuneita bittejä) lähetetyssä segmentissä lähettäjä: hoitaa segmentin sisältöä, mukaan lukien header fields, sarjana 16-bittisiä kokonaislukuja checksum: lisäksi (yhden komplementin summa) segmentin sisällöstä lähettäjä asettaa checksum arvon UDP:hen checksum kohtaan vastaanottaja: laskee checksum vastaanotetuista segmenteistä tarkistaa jos laskettu checksum on sama kuin checksum kohdan arvo NO - virhe huomattu YES - virheitä ei huomattu. Ehkäpä sittenkin virheitä? lisää myöhemmin Transport Layer 3-34

35 Internet checksum: example example: add two 16-bit integers wraparound sum checksum Note: when adding numbers, a carryout from the most significant bit needs to be added to the result Transport Layer 3-35

36 Internet checksum: example esimerkki: lisää kaksi 16-bitttistä kokonaislukua wraparound sum checksum huomautus: lisättäessä numeroita, vaikuttavimman bitin suoritus pitää lisätä tulokseen Transport Layer 3-36

37 Chapter 3 outline 3.1 transport-layer services 3.2 multiplexing and demultiplexing 3.3 connectionless transport: UDP 3.4 principles of reliable data transfer 3.5 connection-oriented transport: TCP segment structure reliable data transfer flow control connection management 3.6 principles of congestion control 3.7 TCP congestion control Transport Layer 3-37

38 Chapter 3 outline 3.1 transport-layer services 3.2 multiplexing and demultiplexing 3.3 connectionless transport: UDP 3.4 principles of reliable data transfer 3.5 connection-oriented transport: TCP segment structure reliable data transfer flow control connection management 3.6 principles of congestion control 3.7 TCP congestion control Transport Layer 3-38

39 Principles of reliable data transfer important in application, transport, link layers top-10 list of important networking topics! characteristics of unreliable channel will determine complexity of reliable data transfer protocol (rdt) Transport Layer 3-39

40 Luotettavan tiedonsiirron perusteet tärkeätä sovelluksissa, siirroissa ja kerroslinkeissä top-10 listalla tärkeissä verkkoaiheissa! epäluotettavan kanavan ominaisuudet määrittävät luotettavan tiedonsiirron protokollan (rtd) monimuotoisuuden Transport Layer 3-40

41 Luotettavan tiedonsiirron perusteet tärkeätä sovelluksissa, siirroissa ja kerroslinkeissä top-10 listalla tärkeissä verkkoaiheissa! epäluotettavan kanavan ominaisuudet määrittävät luotettavan tiedonsiirron protokollan (rtd) monimuotoisuuden Transport Layer 3-41

42 Luotettavan tiedonsiirron perusteet tärkeätä sovelluksissa, siirroissa ja kerroslinkeissä top-10 listalla tärkeissä verkkoaiheissa! epäluotettavan kanavan ominaisuudet määrittävät luotettavan tiedonsiirron protokollan (rtd) monimuotoisuuden Transport Layer 3-42

43 Principles of reliable data transfer important in application, transport, link layers top-10 list of important networking topics! characteristics of unreliable channel will determine complexity of reliable data transfer protocol (rdt) Transport Layer 3-43

44 Luotettavan tiedonsiirron perusteet tärkeätä sovelluksissa, siirroissa ja kerroslinkeissä top-10 listalla tärkeissä verkkoaiheissa! epäluotettavan kanavan ominaisuudet määrittävät luotettavan tiedonsiirron protokollan (rtd) monimuotoisuuden Transport Layer 3-44

45 Reliable data transfer: getting started rdt_send(): called from above, (e. g., by app.). Passed data to deliver to receiver upper layer send side udt_send(): called by rdt, to transfer packet over unreliable channel to receiver deliver_data(): called by rdt to deliver data to upper receive side rdt_rcv(): called when packet arrives on rcv-side of channel Transport Layer 3-45

46 Luotettava tiedonsiirto: aloitetaan rdt_send(): kutsutaan yläpuolelta, (esim sovelluksen kautta.). Hyväksytty data toimitetaan vastaanottimen ylemmällekerrokselle lähettävä puoli udt_send(): rdt:n kutsuma, siirtää paketin epäluotettavan kanavan yli vastaanottajalle deliver_data(): rdt:n kutsuma datan toimittamiseen ylöspäin vastaanottava puoli rdt_rcv(): kutsutaan kun paketti saapuu kanavan rcv-puolelle Transport Layer 3-46

47 Reliable data transfer: getting started we ll: incrementally develop sender, receiver sides of reliable data transfer protocol (rdt) consider only unidirectional data transfer but control info will flow on both directions! use finite state machines (FSM) to specify sender, receiver event causing state transition actions taken on state transition state: when in this state next state uniquely determined by next event state 1 event actions state 2 Transport Layer 3-47

48 Luotettava tiedonsiirto: aloitetaan eli: vähitellen kehitetään lähettäjän ja vastaanottajan puolia reliable data transfer protokollassa (rdt) käsittää vain yhdensuuntaisen tiedonsiirron mutta kontrolloi informaation kulkua kumpaankin suuntaan! käyttää rajallisesti tilakoneita(fsm) täsmentääkseen lähettäjän ja vastaanottajan tapahtuma aiheuttaa vaiheen muutokosen toiminnoista otetut vaihemuutokset vaihe: kun tässä vaiheessa seuraava tapahtua määrittää yksiselitteisesti seuraavan vaiheen vaihe 1 tapahtuma toiminnot vaihe 2 Transport Layer 3-48

49 rdt1.0: reliable transfer over a reliable channel underlying channel perfectly reliable no bit errors no loss of packets separate FSMs for sender, receiver: sender sends data into underlying channel receiver reads data from underlying channel Wait for call from above rdt_send(data) packet = make_pkt(data) udt_send(packet) sender Wait for call from below rdt_rcv(packet) extract (packet,data) deliver_data(data) receiver Transport Layer 3-49

50 rdt1.0: luotettava siirto luotettavan kanavan yli taustalla täysin luotettava kanava ei bitti virheitä ei hävitettyjä paketteja erilliset FSM:ssät lähettäjälle ja vastaanottajalle: lähettäjä lähettää dataa taustalla olevaan kanavaan lukija lukee dataa taustalla olevasta kanavasta Wait for call from above rdt_send(data) packet = make_pkt(data) udt_send(packet) lähettäjä Wait for call from below rdt_rcv(packet) extract (packet,data) deliver_data(data) vastaanottaja Transport Layer 3-50

51 rdt2.0: channel with bit errors underlying channel may flip bits in packet checksum to detect bit errors the question: how to recover from errors: acknowledgements (ACKs): receiver explicitly tells sender that pkt received OK negative acknowledgements (NAKs): receiver explicitly tells sender that pkt had errors sender retransmits pkt on receipt of NAK How do humans recover from new mechanisms in rdt2.0 (beyond rdt1.0): errors error detection during conversation? receiver feedback: control msgs (ACK,NAK) rcvr>sender Transport Layer 3-51

52 rdt2.0: channel with bit errors underlying channel may flip bits in packet checksum to detect bit errors the question: how to recover from errors: acknowledgements (ACKs): receiver explicitly tells sender that pkt received OK negative acknowledgements (NAKs): receiver explicitly tells sender that pkt had errors sender retransmits pkt on receipt of NAK How do humans recover from new mechanisms in rdt2.0 (beyond rdt1.0): errors error detection during conversation? receiver feedback: control msgs (ACK,NAK) rcvr>sender Transport Layer 3-52

53 rdt2.0: channel with bit errors underlying channel may flip bits in packet checksum to detect bit errors the question: how to recover from errors: acknowledgements (ACKs): receiver explicitly tells sender that pkt received OK negative acknowledgements (NAKs): receiver explicitly tells sender that pkt had errors sender retransmits pkt on receipt of NAK new mechanisms in rdt2.0 (beyond rdt1.0): error detection feedback: control msgs (ACK,NAK) from receiver to sender Transport Layer 3-53

54 rdt2.0: channel with bit errors underlying channel may flip bits in packet checksum to detect bit errors the question: how to recover from errors: acknowledgements (ACKs): receiver explicitly tells sender that pkt received OK negative acknowledgements (NAKs): receiver explicitly tells sender that pkt had errors sender retransmits pkt on receipt of NAK new mechanisms in rdt2.0 (beyond rdt1.0): error detection feedback: control msgs (ACK,NAK) from receiver to sender Transport Layer 3-54

55 rdt2.0: FSM specification rdt_send(data) sndpkt = make_pkt(data, checksum) udt_send(sndpkt) rdt_rcv(rcvpkt) && isnak(rcvpkt) Wait for Wait for call from ACK or udt_send(sndpkt) above NAK rdt_rcv(rcvpkt) && isack(rcvpkt) Λ sender receiver rdt_rcv(rcvpkt) && corrupt(rcvpkt) udt_send(nak) Wait for call from below rdt_rcv(rcvpkt) && notcorrupt(rcvpkt) extract(rcvpkt,data) deliver_data(data) udt_send(ack) Transport Layer 3-55

56 rdt2.0: FSM specification rdt_send(data) sndpkt = make_pkt(data, checksum) udt_send(sndpkt) rdt_rcv(rcvpkt) && isnak(rcvpkt) Wait for Wait for call from ACK or udt_send(sndpkt) above NAK rdt_rcv(rcvpkt) && isack(rcvpkt) Λ sender receiver rdt_rcv(rcvpkt) && corrupt(rcvpkt) udt_send(nak) Wait for call from below rdt_rcv(rcvpkt) && notcorrupt(rcvpkt) extract(rcvpkt,data) deliver_data(data) udt_send(ack) Transport Layer 3-56

57 rdt2.0: operation with no errors rdt_send(data) snkpkt = make_pkt(data, checksum) udt_send(sndpkt) rdt_rcv(rcvpkt) && isnak(rcvpkt) Wait for Wait for call from ACK or udt_send(sndpkt) above NAK rdt_rcv(rcvpkt) && isack(rcvpkt) Λ rdt_rcv(rcvpkt) && corrupt(rcvpkt) udt_send(nak) Wait for call from below rdt_rcv(rcvpkt) && notcorrupt(rcvpkt) extract(rcvpkt,data) deliver_data(data) udt_send(ack) Transport Layer 3-57

58 rdt2.0: operation with no errors rdt_send(data) snkpkt = make_pkt(data, checksum) udt_send(sndpkt) rdt_rcv(rcvpkt) && isnak(rcvpkt) Wait for Wait for call from ACK or udt_send(sndpkt) above NAK rdt_rcv(rcvpkt) && isack(rcvpkt) Λ rdt_rcv(rcvpkt) && corrupt(rcvpkt) udt_send(nak) Wait for call from below rdt_rcv(rcvpkt) && notcorrupt(rcvpkt) extract(rcvpkt,data) deliver_data(data) udt_send(ack) Transport Layer 3-58

59 rdt2.0: error scenario rdt_send(data) snkpkt = make_pkt(data, checksum) udt_send(sndpkt) rdt_rcv(rcvpkt) && isnak(rcvpkt) Wait for Wait for call from ACK or udt_send(sndpkt) above NAK rdt_rcv(rcvpkt) && isack(rcvpkt) Λ rdt_rcv(rcvpkt) && corrupt(rcvpkt) udt_send(nak) Wait for call from below rdt_rcv(rcvpkt) && notcorrupt(rcvpkt) extract(rcvpkt,data) deliver_data(data) udt_send(ack) Transport Layer 3-59

60 rdt2.0 has a fatal flaw! what happens if ACK/NAK corrupted? sender doesn t know what happened at receiver! can t just retransmit: possible duplicate handling duplicates: sender retransmits current pkt if ACK/NAK corrupted sender adds sequence number to each pkt receiver discards (doesn t deliver up) duplicate pkt stop and sender sends one wait packet, then waits for receiver response Transport Layer 3-60

61 rdt2.0 has a fatal flaw! what happens if ACK/NAK corrupted? sender doesn t know what happened at receiver! can t just retransmit: possible duplicate handling duplicates: sender retransmits current pkt if ACK/NAK corrupted sender adds sequence number to each pkt receiver discards (doesn t deliver up) duplicate pkt stop and sender sends one wait packet, then waits for receiver response Transport Layer 3-61

62 rdt2.1: sender, handles garbled ACK/NAKs rdt_send(data) sndpkt = make_pkt(0, data, checksum) udt_send(sndpkt) rdt_rcv(rcvpkt) && Wait for call 0 from above rdt_rcv(rcvpkt) && notcorrupt(rcvpkt) && isack(rcvpkt) ( corrupt(rcvpkt) isnak(rcvpkt) ) udt_send(sndpkt) Wait for ACK or NAK 0 rdt_rcv(rcvpkt) && notcorrupt(rcvpkt) && isack(rcvpkt) Λ rdt_rcv(rcvpkt) && ( corrupt(rcvpkt) isnak(rcvpkt) ) udt_send(sndpkt) Λ Wait for ACK or NAK 1 Wait for call 1 from above rdt_send(data) sndpkt = make_pkt(1, data, checksum) udt_send(sndpkt) Transport Layer 3-62

63 rdt2.1: sender, handles garbled ACK/NAKs rdt_send(data) sndpkt = make_pkt(0, data, checksum) udt_send(sndpkt) rdt_rcv(rcvpkt) && Wait for call 0 from above rdt_rcv(rcvpkt) && notcorrupt(rcvpkt) && isack(rcvpkt) ( corrupt(rcvpkt) isnak(rcvpkt) ) udt_send(sndpkt) Wait for ACK or NAK 0 rdt_rcv(rcvpkt) && notcorrupt(rcvpkt) && isack(rcvpkt) Λ rdt_rcv(rcvpkt) && ( corrupt(rcvpkt) isnak(rcvpkt) ) udt_send(sndpkt) Λ Wait for ACK or NAK 1 Wait for call 1 from above rdt_send(data) sndpkt = make_pkt(1, data, checksum) udt_send(sndpkt) Transport Layer 3-63

64 rdt2.1: receiver, handles garbled ACK/NAKs rdt_rcv(rcvpkt) && notcorrupt(rcvpkt) && has_seq0(rcvpkt) rdt_rcv(rcvpkt) && (corrupt(rcvpkt) extract(rcvpkt,data) deliver_data(data) sndpkt = make_pkt(ack, chksum) udt_send(sndpkt) rdt_rcv(rcvpkt) && (corrupt(rcvpkt) sndpkt = make_pkt(nak, chksum) udt_send(sndpkt) rdt_rcv(rcvpkt) && not corrupt(rcvpkt) && has_seq1(rcvpkt) sndpkt = make_pkt(ack, chksum) udt_send(sndpkt) sndpkt = make_pkt(nak, chksum) udt_send(sndpkt) Wait for 0 from below Wait for 1 from below rdt_rcv(rcvpkt) && notcorrupt(rcvpkt) && has_seq1(rcvpkt) rdt_rcv(rcvpkt) && not corrupt(rcvpkt) && has_seq0(rcvpkt) sndpkt = make_pkt(ack, chksum) udt_send(sndpkt) extract(rcvpkt,data) deliver_data(data) sndpkt = make_pkt(ack, chksum) udt_send(sndpkt) Transport Layer 3-64

65 rdt2.1: receiver, handles garbled ACK/NAKs rdt_rcv(rcvpkt) && notcorrupt(rcvpkt) && has_seq0(rcvpkt) rdt_rcv(rcvpkt) && (corrupt(rcvpkt) extract(rcvpkt,data) deliver_data(data) sndpkt = make_pkt(ack, chksum) udt_send(sndpkt) rdt_rcv(rcvpkt) && (corrupt(rcvpkt) sndpkt = make_pkt(nak, chksum) udt_send(sndpkt) rdt_rcv(rcvpkt) && not corrupt(rcvpkt) && has_seq1(rcvpkt) sndpkt = make_pkt(ack, chksum) udt_send(sndpkt) sndpkt = make_pkt(nak, chksum) udt_send(sndpkt) Wait for 0 from below Wait for 1 from below rdt_rcv(rcvpkt) && notcorrupt(rcvpkt) && has_seq1(rcvpkt) rdt_rcv(rcvpkt) && not corrupt(rcvpkt) && has_seq0(rcvpkt) sndpkt = make_pkt(ack, chksum) udt_send(sndpkt) extract(rcvpkt,data) deliver_data(data) sndpkt = make_pkt(ack, chksum) udt_send(sndpkt) Transport Layer 3-65

66 rdt2.1: discussion sender: seq # added to pkt two seq. # s (0,1) will suffice. Why? must check if received ACK/NAK corrupted twice as many states state must remember whether expected pkt should have seq # of 0 or 1 receiver: must check if received packet is duplicate state indicates whether 0 or 1 is expected pkt seq # note: receiver can not know if its last ACK/NAK received OK at sender Transport Layer 3-66

67 rdt2.1: discussion sender: seq # added to pkt two seq. # s (0,1) will suffice. Why? must check if received ACK/NAK corrupted twice as many states state must remember whether expected pkt should have seq # of 0 or 1 receiver: must check if received packet is duplicate state indicates whether 0 or 1 is expected pkt seq # note: receiver can not know if its last ACK/NAK received OK at sender Transport Layer 3-67

68 rdt2.2: a NAK-free protocol same functionality as rdt2.1, using ACKs only instead of NAK, receiver sends ACK for last pkt received OK receiver must explicitly include seq # of pkt being ACKed duplicate ACK at sender results in same action as NAK: retransmit current pkt Transport Layer 3-68

69 rdt2.2: a NAK-free protocol same functionality as rdt2.1, using ACKs only instead of NAK, receiver sends ACK for last pkt received OK receiver must explicitly include seq # of pkt being ACKed duplicate ACK at sender results in same action as NAK: retransmit current pkt Transport Layer 3-69

70 rdt2.2: sender, receiver fragments rdt_send(data) sndpkt = make_pkt(0, data, checksum) udt_send(sndpkt) rdt_rcv(rcvpkt) && Wait for call 0 from above rdt_rcv(rcvpkt) && (corrupt(rcvpkt) has_seq1(rcvpkt)) udt_send(sndpkt) Wait for 0 from below ( corrupt(rcvpkt) isack(rcvpkt,1) ) udt_send(sndpkt) Wait for ACK 0 sender FSM fragment rdt_rcv(rcvpkt) && notcorrupt(rcvpkt) && isack(rcvpkt,0) Λ receiver FSM fragment rdt_rcv(rcvpkt) && notcorrupt(rcvpkt) && has_seq1(rcvpkt) extract(rcvpkt,data) deliver_data(data) sndpkt = make_pkt(ack1, chksum) udt_send(sndpkt) Transport Layer 3-70

71 rdt2.2: sender, receiver fragments rdt_send(data) sndpkt = make_pkt(0, data, checksum) udt_send(sndpkt) rdt_rcv(rcvpkt) && Wait for call 0 from above rdt_rcv(rcvpkt) && (corrupt(rcvpkt) has_seq1(rcvpkt)) udt_send(sndpkt) Wait for 0 from below ( corrupt(rcvpkt) isack(rcvpkt,1) ) udt_send(sndpkt) Wait for ACK 0 sender FSM fragment rdt_rcv(rcvpkt) && notcorrupt(rcvpkt) && isack(rcvpkt,0) Λ receiver FSM fragment rdt_rcv(rcvpkt) && notcorrupt(rcvpkt) && has_seq1(rcvpkt) extract(rcvpkt,data) deliver_data(data) sndpkt = make_pkt(ack1, chksum) udt_send(sndpkt) Transport Layer 3-71

72 rdt3.0: channels with errors and loss new assumption: underlying channel can also lose packets (data, ACKs) checksum, seq. #, ACKs, retransmissions will be of help but not enough approach: sender waits reasonable amount of time for ACK retransmits if no ACK received in this time if pkt (or ACK) just delayed (not lost): retransmission will be duplicate, but seq. # s already handles this receiver must specify seq # of pkt being ACKed requires countdown timer Transport Layer 3-72

73 rdt3.0: channels with errors and loss new assumption: underlying channel can also lose packets (data, ACKs) checksum, seq. #, ACKs, retransmissions will be of help but not enough approach: sender waits reasonable amount of time for ACK retransmits if no ACK received in this time if pkt (or ACK) just delayed (not lost): retransmission will be duplicate, but seq. # s already handles this receiver must specify seq # of pkt being ACKed requires countdown timer Transport Layer 3-73

74 rdt3.0 sender rdt_send(data) sndpkt = make_pkt(0, data, checksum) udt_send(sndpkt) start_timer rdt_rcv(rcvpkt) Λ rdt_rcv(rcvpkt) && ( corrupt(rcvpkt) isack(rcvpkt,1) ) Λ Wait for ACK0 Wait for call 0from above rdt_rcv(rcvpkt) && notcorrupt(rcvpkt) && isack(rcvpkt,1) timeout udt_send(sndpkt) start_timer rdt_rcv(rcvpkt) && notcorrupt(rcvpkt) && isack(rcvpkt,0) stop_timer stop_timer timeout udt_send(sndpkt) start_timer rdt_rcv(rcvpkt) && ( corrupt(rcvpkt) isack(rcvpkt,0) ) Λ Wait for ACK1 Wait for call 1 from above rdt_send(data) rdt_rcv(rcvpkt) Λ sndpkt = make_pkt(1, data, checksum) udt_send(sndpkt) start_timer Transport Layer 3-74

75 rdt3.0 lähettäjä rdt_send(data) rdt_rcv(rcvpkt) && sndpkt = make_pkt(0, data, tarkistussumma) ( corrupt(rcvpkt) isack(rcvpkt,1) ) udt_send(sndpkt) start_timer Λ rdt_rcv(rcvpkt) Λ Odottaa ACK0 Odottaa käskyä 0 yläpuolelta rdt_rcv(rcvpkt) && notcorrupt(rcvpkt) && isack(rcvpkt,1) timeout udt_send(sndpkt) start_timer rdt_rcv(rcvpkt) && notcorrupt(rcvpkt) && isack(rcvpkt,0) stop_timer stop_timer timeout udt_send(sndpkt) start_timer rdt_rcv(rcvpkt) && ( corrupt(rcvpkt) isack(rcvpkt,0) ) Λ Odottaa ACK1 Odottaa käskyä 0 yläpuolelta rdt_rcv(rcvpkt) rdt_send(data) Λ sndpkt = make_pkt(1, data, checksum) udt_send(sndpkt) start_timer Transport Layer 3-75

76 rdt3.0 in action receiver sender send pkt0 rcv ack0 send pkt1 rcv ack1 send pkt0 send pkt0 pkt0 ack0 rcv pkt0 send ack0 pkt1 ack1 rcv pkt1 send ack1 receiver sender rcv ack0 send pkt1 pkt0 ack0 rcv pkt0 send ack0 pkt1 X loss pkt0 ack0 rcv pkt0 send ack0 timeout resend pkt1 rcv ack1 send pkt0 (a) no loss pkt1 ack1 rcv pkt1 send ack1 pkt0 ack0 rcv pkt0 send ack0 (b) packet loss Transport Layer 3-76

77 rdt3.0 toiminnassa vastaanottaja lähettäjä lähettää pkt0 vast. ack0 läh. pkt1 vast. ack1 läh. pkt0 läh. pkt0 pkt0 ack0 pkt1 ack1 vastaanottaja lähettäjä vastaanottaa pkt0 lähettää ack0 vast. ack0 läh. pkt1 vast. pkt1 läh. ack1 pkt0 ack0 vast. pkt0 läh. ack0 pkt1 X poistuma pkt0 ack0 vast. pkt0 läh. ack0 aikakatkaisu uudelleenläh. pkt1 vast. ack1 läh. pkt0 (a) ei poistumaa pkt1 ack1 vast. pkt1 läh. ack1 pkt0 ack0 vast. pkt0 läh. ack0 (b) pakettipoistuma Transport Layer 3-77

78 rdt3.0 in action receiver sender send pkt0 send pkt0 pkt0 rcv ack0 send pkt1 ack0 rcv pkt0 send ack0 X rcv pkt1 send ack1 loss rcv ack1 send pkt0 rcv ack0 send pkt1 pkt0 rcv pkt0 send ack0 ack0 pkt1 rcv pkt1 send ack1 pkt1 ack1 timeout resend pkt1 receiver sender pkt1 ack1 rcv pkt1 (detect duplicate) send ack1 pkt0 ack0 (c) ACK loss rcv pkt0 send ack0 ack1 timeout resend pkt1 rcv ack1 send pkt0 rcv ack1 send pkt0 pkt1 rcv pkt1 pkt0 ack1 ack0 pkt0 (detect duplicate) ack0 (detect duplicate) send ack1 rcv pkt0 send ack0 rcv pkt0 send ack0 (d) premature timeout/ delayed ACK Transport Layer 3-78

79 rdt3.0 toiminnassa vastaanottaja lähettäjä send pkt0 rcv ack0 send pkt1 ack0 X rcv pkt1 send ack1 poistuma resend pkt1 rcv ack1 send pkt0 rcv ack0 send pkt1 pkt0 rcv pkt0 send ack0 ack0 pkt1 rcv pkt1 send ack1 pkt1 ack1 aikakatkaisu send pkt0 pkt0 rcv pkt0 send ack0 vastaanottaja lähettäjä ack1 aikakatkaisu pkt0 resend pkt1 rcv ack1 rcv pkt1 send pkt0 (havainto duplikaatista) send ack1 rcv ack1 send pkt0 ack0 rcv pkt0 send ack0 pkt1 ack1 (c) ACK poistuma pkt1 rcv pkt1 pkt0 ack1 ack0 pkt0 ack0 (havainto duplikaatista) send ack1 rcv pkt0 send ack0 rcv pkt0 (havainto duplikaatista) send ack0 (d) ennenaikainen aikakatkaisu / viivästynyt ACK Transport Layer 3-79

80 Performance of rdt3.0 rdt3.0 is correct, but performance stinks e.g.: 1 Gbps link, 15 ms prop. delay, 8000 bit packet: 8000 bits L Dtrans = R = 109 bits/sec = 8 microsecs U sender: utilization fraction of time sender busy sending if RTT=30 msec, 1KB pkt every 30 msec: 33kB/sec thruput over 1 Gbps link network protocol limits use of physical resources! Transport Layer 3-80

81 rdt3.0 suorituskyky rdt3.0 virheetön, mutta suorituskyky on heikko esim. 1 Gbps linkki, 15 ms mahdollinen viive, 8000 bittinen paketti: 8000 bittiä L = 8 mikrosekuntia Dtrans = R = 9 10 bittiä/sek U sender: hyötysuhde ajan jakaminen, kun lähettäjä on kiireinen lähettämään jos RTT=30 msek, 1KB pkt joka 30 msek: 33kB/sec läpisyöttö yli 1 Gbps linkillä verkkoprotokolla rajoittaa fyysisten resurssien käyttöä! Transport Layer 3-81

82 rdt3.0: stop-and-wait operation sender receiver first packet bit transmitted, t = 0 last packet bit transmitted, t = L / R RTT first packet bit arrives last packet bit arrives, send ACK ACK arrives, send next packet, t = RTT + L / R Transport Layer 3-82

83 rdt3.0: stop-and-wait protokolla sender receiver ensimmäinen pakettibitti lähetetään, t = 0 viimeinen pakettibitti lähetetään, t = L / R RTT ensimmäinen pakettibitti saapuu viimeinen pakettibitti saapuu, lähetetään kuittaus (ACK) ACK saapuu, lähetetään seuraava paketti, t = RTT + L / R Transport Layer 3-83

84 Pipelined protocols pipelining: sender allows multiple, in-flight, yetto-be-acknowledged pkts range of sequence numbers must be increased buffering at sender and/or receiver two generic forms of pipelined protocols: go-backn, selective repeat Transport Layer 3-84

85 Putkistoprotokollat Putkistointi: lähettäjä hyväksyy useita valmiita, ei vielä kuitattuja paketteja sekvenssinumeroiden väliä tulee kasvattaa bufferointi lähettäjällä ja/tai vastaanottajalla putkistoprotokollien kaksi geneeristä muotoa: menetakaisin-n, valikoiva toisto Transport Layer 3-85

86 Pipelining: increased utilization sender receiver first packet bit transmitted, t = 0 last bit transmitted, t = L / R RTT first packet bit arrives last packet bit arrives, send ACK last bit of 2nd packet arrives, send ACK last bit of 3rd packet arrives, send ACK ACK arrives, send next packet, t = RTT + L / R 3-packet pipelining increases utilization by a factor of 3! Transport Layer 3-86

87 Putkistot: kasvanut hyötysuhde lähettäjä vastaanottaja ensimmäinen pakettibitti lähetetty, t = 0 viimeinen pakettibitti lähetetty, t = L / R ensimmäinen pakettibitti saapuu RTT viimeinen pakettibitti saapuu, kuittauksen lähetys toisen paketin viimeinen pakettibitti saapuu, kuittauksen lähetys kuittaus saapuu, seuraavan paketin lähetys, t = RTT + L / R kolmannen paketin viimeinen pakettibitti saapuu, kuittauksen lähetys 3 paketin putkisto kasvattaa hyötysuhdetta kolminkertaisesti! Transport Layer 3-87

88 Pipelined protocols: overview Go-back-N: sender can have up to N unacked packets in pipeline receiver only sends cumulative ack doesn t ack packet if there s a gap sender has timer for oldest unacked packet when timer expires, retransmit all unacked packets Selective Repeat: sender can have up to N unack ed packets in pipeline rcvr sends individual ack for each packet sender maintains timer for each unacked packet when timer expires, retransmit only that unacked packet Transport Layer 3-88

89 Putkistoprotokollat: yleiskatsaus Mene-takaisin-N: lähettäjällä voi olla N ei kuitattua pakettia putkistossa vastaanottaja lähettää vain kumulatiivisen kuittauksen ei kuittaa paketteja, jos putkistossa on aukkoja lähettäjällä ajastin vanhimmalle kuittaamattomalle paketille kun ajastin raukeaa, uudelleenlähettää kaikki kuittaamattomat paketit Valikoiva toisto: lähettäjällä voi olla N kuittaamatonta pakettia putkistossa vastaanottaja lähettää itsenäisen kuittauksen jokaiselle paketille lähettäjä pitää ajastinta jokaiselle kuittaamattomalle paketille kun aika raukeaa, uudelleenlähetetään ainoastaan kuittaamaton paketti Transport Layer 3-89

90 Go-Back-N: sender k-bit seq # in pkt header window of up to N, consecutive unack ed pkts allowed ACK(n): ACKs all pkts up to, including seq # n - cumulative ACK may receive duplicate ACKs (see receiver) timer for oldest in-flight pkt timeout(n): retransmit packet n and all higher seq # pkts in window Transport Layer 3-90

91 Mene-Takaisin-N: lähettäjä k-bit sekvenssinumero paketin otsikossa lähetysikkuna N asti, perättäiset kuitatut paketit sallittu Sendbase + N ACK(n): kuitataan kaikki paketit, mukaan lukien sekvenssinumeron n kumulatiivinen ACK saattaa vastaanottaa duplikaattikuittauksia (kts. vastaanottaja) ajastin vanhimmalle valmiille paketille aikakatkaisu(n): uudelleenlähetetään paketti n ja kaikki korkeamman sekvenssinumeron paketit lähetysikkunassa Transport Layer 3-91

92 GBN: sender extended FSM rdt_send(data) Λ base=1 nextseqnum=1 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) Wait rdt_rcv(rcvpkt) && corrupt(rcvpkt) timeout start_timer udt_send(sndpkt[base]) udt_send(sndpkt[base+1]) udt_send(sndpkt[nextseqnum-1]) rdt_rcv(rcvpkt) && notcorrupt(rcvpkt) base = getacknum(rcvpkt)+1 If (base == nextseqnum) stop_timer else start_timer Transport Layer 3-92

93 GBN: lähettäjän pidennetty päättyvä tilakone (FSM) 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) Λ base=1 nextseqnum=1 Wait 4. rdt_rcv(rcvpkt) && corrupt(rcvpkt) 3. 2.timeout start_timer udt_send(sndpkt[base]) udt_send(sndpkt[base+1]) udt_send(sndpkt[nextseqnum-1]) rdt_rcv(rcvpkt) && notcorrupt(rcvpkt) base = getacknum(rcvpkt)+1 If (base == nextseqnum) stop_timer else start_timer Transport Layer 3-93

94 GBN: receiver extended FSM default udt_send(sndpkt) Λ Wait expectedseqnum=1 sndpkt = make_pkt(expectedseqnum,ack,chksum) rdt_rcv(rcvpkt) && notcurrupt(rcvpkt) && hasseqnum(rcvpkt,expectedseqnum) extract(rcvpkt,data) deliver_data(data) sndpkt = make_pkt(expectedseqnum,ack,chksum) udt_send(sndpkt) expectedseqnum++ 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 # Transport Layer 3-94

95 GBN: lähettäjän pidennetty päättyvä tilakone (FSM) default udt_send(sndpkt) Λ Wait expectedseqnum=1 sndpkt = make_pkt(expectedseqnum,ack,chksum) rdt_rcv(rcvpkt) && notcurrupt(rcvpkt) && hasseqnum(rcvpkt,expectedseqnum) extract(rcvpkt,data) deliver_data(data) sndpkt = make_pkt(expectedseqnum,ack,chksum) udt_send(sndpkt) expectedseqnum++ vain kuitatut: lähettää aina kuittauksen oikein vastaanotetuista paketeista korkeimmalla järjestyksessä olevalla sekvenssinumerolla saattaa luoda kopioita kuittauksista täytyy vain muistaa expectedseqnum (odotettu sekv.num) sekaisin olevat paketit: hylätään (ei bufferointia): ei vastaanottajan bufferointia! uudelleenkuitataan paketit korkeimmalla järjestyksessä olevalla sekvenssinumerolla Transport Layer 3-95

96 GBN in action sender window (N=4) sender send pkt0 send pkt1 send pkt2 send pkt3 (wait) rcv ack0, send pkt4 rcv ack1, send pkt5 ignore duplicate ACK pkt 2 timeout send pkt2 send pkt3 send pkt4 send pkt5 receiver Xloss receive pkt0, send ack0 receive pkt1, send ack1 receive pkt3, discard, (re)send ack1 receive pkt4, discard, (re)send ack1 receive pkt5, discard, (re)send ack1 rcv rcv rcv rcv pkt2, pkt3, pkt4, pkt5, deliver, deliver, deliver, deliver, send send send send ack2 ack3 ack4 ack5 Transport Layer 3-96

97 GBN toiminnassa lähettäjän lähetysikkuna send pkt0 send pkt1 send pkt2 send pkt3 (wait) rcv ack0, send pkt4 rcv ack1, send pkt5 sivuutetaan tupla-ack pkt 2 aikakatkaisu vastaanottaja lähettäjä send send send send pkt2 pkt3 pkt4 pkt5 X poistuma receive pkt0, send ack0 receive pkt1, send ack1 receive pkt3, discard, (re)send ack1 receive pkt4, discard, (re)send ack1 receive pkt5, discard, (re)send ack1 rcv rcv rcv rcv pkt2, pkt3, pkt4, pkt5, deliver, deliver, deliver, deliver, send send send send ack2 ack3 ack4 ack5 Transport Layer 3-97

98 Selective repeat receiver individually acknowledges all correctly received pkts buffers pkts, as needed, for eventual in-order delivery to upper layer sender only resends pkts for which ACK not received sender timer for each unacked pkt sender window N consecutive seq # s limits seq #s of sent, unacked pkts Transport Layer 3-98

99 Valikoiva toisto vastaanottaja yksilöllisesti kuittaa kaikki oikein saadut paketit bufferoi paketteja, kuten täytyy, lopulliseen järjestyksessä olevaan toimitukseen ylempään kerrokseen lähettäjä uudelleenlähettää vain paketit joista ei olla saatu kuittausta lähettäjällä ajastin jokaiselle kuittaamattomalle paketille lähettäjän lähetysikkuna N perättäiset sekvenssinumerot rajoittaa lähetettyjen sekvenssinumeroita, kuittaamattomille paketeille Transport Layer 3-99

100 Selective repeat: sender, receiver windows Transport Layer 3-100

101 Valikoiva toisto: lähettäjän ja vastaanottajan ikkuna Alin paketti Transport Layer 3-101

102 Selective repeat sende datar from above: if next available seq # in window, send pkt timeout(n): resend pkt n, restart timer ACK(n) in [sendbase,sendbase+n]: mark pkt n as received if n smallest unacked pkt, advance window base to next unacked seq # receiver 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 Transport Layer 3-102

103 Valikoiva toisto lähettäjä data yläpuolella: jos seuraava vapaa segvenssi numero ikkunassa, lähetä paketti ajastimen laukeaminen: uudelleen lähettää paketin, uusi ajastin ACK(n), kuittauksen vastaanotto [sendbase,sendbase+n]: merkitsee paketin vastaan otetuksi jos pienempiä kuittaamattomia paketteja, edistynyt ikkuna lähettää seuraavan pienimmän kuittamattoman paketin vastaanottaja paketti vastaanotto [rcvbase, rcvbase+n-1] lähettää kuittauksen, ACK(n) epäjärjestyksessä: puskurointi järjestyksessä: välittää (myös välittää puskuroidut, järjestäytyneet paketit), edistynyt ikkuna seuraavan ei vielä vastaanotetun paketin paketin vastaanotto [rcvbase-n, rcvbase-1] ACK(n), kuittaus muuten: ei huomioida Transport Layer 3-103

104 Selective repeat in action sender window (N=4) sender send pkt0 send pkt1 send pkt2 send pkt3 (wait) receiver Xloss rcv ack0, send pkt4 rcv ack1, send pkt5 record ack3 arrived pkt 2 timeout send pkt2 record ack4 arrived record ack5 arrived receive pkt0, send ack0 receive pkt1, send ack1 receive pkt3, buffer, send ack3 receive pkt4, buffer, send ack4 receive pkt5, buffer, send ack5 rcv pkt2; deliver pkt2, pkt3, pkt4, pkt5; send ack2 Q: what happens when ack2 arrives? Transport Layer 3-104

105 Valikoiva toisto toiminnassa lähettäjän ikkuna (N=4) lähettäjä send pkt0 send pkt1 send pkt2 send pkt3 (wait) vastaanottaja Xloss rcv ack0, send pkt4 rcv ack1, send pkt5 record ack3 arrived pkt 2 ajastin laukeaa send pkt2 record ack4 arrived record ack5 arrived receive pkt0, send ack0 receive pkt1, send ack1 receive pkt3, buffer, send ack3 receive pkt4, buffer, send ack4 receive pkt5, buffer, send ack5 rcv pkt2; deliver pkt2, pkt3, pkt4, pkt5; send ack2 Q: what happens when ack2 arrives? Transport Layer 3-105

106 Selective repeat: dilemma example: seq # s: 0, 1, 2, 3 window size=3 receiver sees no difference in two scenarios! duplicate data accepted as new in (b) Q: what relationship between seq # size and window size to avoid problem in (b)? receiver window (after receipt) sender window (after receipt) pkt pkt pkt pkt pkt0 (a) no problem X will accept packet with seq number 0 receiver can t see sender side. receiver behavior identical in both cases! something s (very) wrong! pkt pkt pkt X X timeout retransmit pkt0 X (b) oops! pkt0 will accept packet with seq number 0 Transport Layer 3-106

107 Valikoiva toisto: dilemma esimerkki: sekvenssinumerot: 0, 1, 2, 3 lähetysikkunan koko=3 vastaanottoikkuna (reseptin jälkeen) lähetysikkuna (reseptin jälkeen) pkt pkt pkt pkt pkt0 (a) ei ongelmaa X hyväksyy 0 paketin sekvenssi numerolla 0 vastaanottaja ei näe lähettäjän puolta. vastaanottajan toiminta identtistä molemmissa tapauksissa! joku on todella väärin! vastaanottaja ei näe eroa eri skenaarioiden välillä! kahdentunut data hyväksytään kuin uutena b: ssä Kysymys: miten estetään b kohdan ongelma vaikuttamalla sekvenssinumeron kokoonajastin laukeaa, 0 paketti ja lähetysikkunan kokoon? lähetetään uudestaan (b) oops! pkt0 pkt pkt X X X pkt0 hyväksyy 0 paketin sekvenssi numerolla 0 Transport Layer 3-107

108 Chapter 3 outline 3.1 transport-layer services 3.2 multiplexing and demultiplexing 3.3 connectionless transport: UDP 3.4 principles of reliable data transfer 3.5 connection-oriented transport: TCP segment structure reliable data transfer flow control connection management 3.6 principles of congestion control 3.7 TCP congestion control Transport Layer 3-108

109 Kappale 3 yleiskatsaus 3.1 Kuljetus kerroksen palvelut 3.2 multiplexing ja demultipleksointi 3.3 Yhteydetön kuljetus : UDP 3.4 periaatteet luotettavaan tiedonsiirtoon 3.5 yhteydellinen kuljetus : TCP segmentin rakenne Luotettava tiedonsiirto jatkuva ohjaus yhteydenhallinnassa 3.6 periaatteet ruuhkanhallintaan 3.7 TCP: n ruuhkanhallinta Transport Layer 3-109

110 TCP: Overview RFCs: 793,1122,1323, 2018, 2581 point-to-point: one sender, one receiver bi-directional data flow in same connection MSS: maximum segment size reliable, in-order byte steam: no message boundaries connection-oriented: handshaking (exchange of control msgs) inits sender, receiver state before data exchange pipelined: TCP congestion and flow control set window size full duplex data: flow controlled: sender will not overwhelm receiver Transport Layer 3-110

111 TCP: Yleiskatsaus RFCs: 793,1122,1323, 2018, 2581 piste pisteeltä: yksi lähettäjä, yksi vastaanottaja luotettava, järjestyksellinen bittivirta: ei viesti rajoitteita putkitettu: TCP ruuhkat ja jatkuva valvonta asettaa ikkunalle koon data kokonaisuudessaan kaksinkertaistettua: kaksisuuntainen data virtaus samassa yhteydessä MSS : segmentin maksimikoko yhteydellinen:: kättely ( vaihto valvonta viestejä ) inits lähettäjän ja vastaanottajan tilat ennen tiedonsiirtoa jatkuva valvonta lähettäjä ei ylikuormita vastaanottajaa Transport Layer 3-111

112 TCP segment structure 32 bits URG: urgent data (generally not used) ACK: ACK # valid PSH: push data now (generally not used) RST, SYN, FIN: connection estab (setup, teardown commands) Internet checksum (as in UDP) source port # dest port # sequence number acknowledgement number head not UAP R S F len used checksum counting by bytes of data (not segments!) receive window Urg data pointer options (variable length) # bytes rcvr willing to accept application data (variable length) Transport Layer 3-112

113 TCP segmentin rakenne 32 bits URG: kiireinen data (normaalisti ei käytetty ACK: ACK # voimassaoleva PSH: työntää dataa nyt (normaailsti ei käytetä) RST, SYN, FIN: yhteys todettu (asetus, purkavat käskyt) Internet tarkistussumma ( kuten UDP ) lähdeportti# vastaanott.porti# järjestysnumero kuittausnumero otsik not UAP R S F ko used tarkistussumma lasketaan dataa biiteissä (ei segmenteitä!) vastaanottoikkuna Urg data pointer vaihtoehdot (vaihteleva pituus) # biitit vastaanottaja haluaa vastaanottaa sovelluksen data (vaihteleva pituus) Transport Layer 3-113

114 TCP seq. numbers, ACKs outgoing segment from sender sequence numbers: byte stream number of first byte in segment s data acknowledgements: 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 source port # dest port # sequence number acknowledgement number rwnd checksum urg pointer window size N sender sequence number space sent ACKed sent, not- usable not yet ACKed but not usable ( in-flight ) yet sent incoming segment to sender source port # dest port # sequence number acknowledgement number rwnd A checksum urg pointer Transport Layer 3-114

115 TCP järjestysnumerot, ACKt lähetettävät segmentit vastaanottajalle järjestysnumerot: bitti virta numero ensimmäisestä bitistä segmentistä dataa kuittaus: järjestys # seuraava bittiä odotetaan toiselta puolelta kumulatiivinen kuittaus, ACK K: kuinka vastaanottaja käsittelee epäjärjestyksessä tulevat segmentit V: TCP:n tekniset tiedot eivät kerro toteuttajalle source port # dest port # sequence number acknowledgement number rwnd checksum urg pointer window size N sender sequence number space sent ACKed sent, not- usable not yet ACKed but not usable ( in-flight ) yet sent saapuvat segmentit lähettäjälle source port # dest port # sequence number acknowledgement number rwnd A checksum urg pointer Transport Layer 3-115

116 TCP seq. numbers, ACKs Host B Host A User types C Seq=42, ACK=79, data = C Seq=79, ACK=43, data = C host ACKs receipt of echoed C host ACKs receipt of C, echoes back C Seq=43, ACK=80 simple telnet scenario Transport Layer 3-116

117 TCP järjestysnumerot, kuittaus(acks) Host B Host A User types C Seq=42, ACK=79, data = C Seq=79, ACK=43, data = C host ACKs receipt of echoed C host ACKs receipt of C, echoes back C Seq=43, ACK=80 yksinkertainen telnet skenaario Transport Layer 3-117

118 TCP round trip time, timeout Q: how to set TCP timeout value? Q: how to estimate RTT? longer than RTT but RTT varies too short: premature timeout, unnecessary retransmissions too long: slow reaction to segment loss SampleRTT: measured time from segment transmission until ACK receipt ignore retransmissions SampleRTT will vary, want estimated RTT smoother average several recent measurements, not just current SampleRTT Transport Layer 3-118

119 TCP kierrosaika, ajastin Q: kuinka asetta TCP:n ajastimen arvo? pidempi kuin kierrosaika mutta kierrosajat vaihtelevat liian lyhyt aika: ennenaikainen laukeaminen, tarpeettomat uudelleen lähetykset liian pitkä aika: hidas reaktio segmenttien häviämiseen Q: kuinka arvioida kierrosaikaa? SampleRTT: laskettu aika segmentin siirtämiseen ennen kuittausta jättää huomioimatta uudelleen siiretyt segmentit SampleRTT vaihtelevat, halutaan arvioidut kierrosajat pehmeämmin keskiarvo useasta viimeaikaisesta mittauksesta, ei vain viimeisimmästä SampleRTT Transport Layer 3-119

120 TCP round trip time, timeout EstimatedRTT = (1- α)*estimatedrtt + α*samplertt exponential weighted moving average influence of past sample decreases exponentially fast typical value: α = RTT: gaia.cs.umass.edu to fantasia.eurecom.fr RTT (milliseconds) samplertt EstimatedRTT time (seconds) Transport Layer 3-120

121 TCP kierrosaika, ajastin EstimatedRTT = (1- α)*estimatedrtt + α*samplertt Ekspotentiaalisesti painotettu liikkeen keskiarvo Edellisten näytteiden vaikutus pienenee eksponentiaalisesti tyypillinen arvo: α = RTT (millisekuntia) RTT: gaia.cs.umass.edu to fantasia.eurecom.fr näytertt arvioiturtt time (sekunttia) Transport Layer 3-121

122 TCP round trip time, timeout timeout interval: EstimatedRTT plus safety margin large variation in EstimatedRTT -> larger safety margin estimate deviation DevRTTSampleRTT = (1-β)*DevRTT + from EstimatedRTT: β* SampleRTT-EstimatedRTT (typically, β = 0.25) TimeoutInterval = EstimatedRTT + 4*DevRTT estimated RTT safety margin Transport Layer 3-122

123 TCP kierrosaika, ajastin ajastimen intervalli: EstimatedRTT plus varmuusmarginaali suuri variaatio EstimatedRTT -> suurempi varmuusmarginaali arvioitujen näytertt:n poikkeamat arvioiturtt:stä: DevRTT = (1-β)*DevRTT + β* SampleRTT-EstimatedRTT (typically, β = 0.25) TimeoutInterval = EstimatedRTT + 4*DevRTT arvioitu RTT varmuusmarginaali Transport Layer 3-123

124 Chapter 3 outline 3.1 transport-layer services 3.2 multiplexing and demultiplexing 3.3 connectionless transport: UDP 3.4 principles of reliable data transfer 3.5 connection-oriented transport: TCP segment structure reliable data transfer flow control connection management 3.6 principles of congestion control 3.7 TCP congestion control Transport Layer 3-124

125 Kappale 3 yleiskatsaus 3.1 Kuljetus kerroksen palvelut 3.2 multiplexing ja demultipleksointi 3.3 Yhteydetön kuljetus : UDP 3.4 periaatteet luotettavaan tiedonsiirtoon 3.5 yhteydellinen kuljetus : TCP segmentin rakenne Luotettava tiedonsiirto jatkuva ohjaus yhteydenhallinnassa 3.6 periaatteet ruuhkanhallintaan 3.7 TCP: n ruuhkanhallinta Transport Layer 3-125

126 TCP reliable data transfer TCP creates rdt service on top of IP s unreliable service pipelined segments cumulative acks single retransmission timer retransmissions triggered by: let s initially consider simplified TCP sender: ignore duplicate acks ignore flow control, congestion control timeout events duplicate acks Transport Layer 3-126

127 TCP Luotettava tiedon siirto TCP luo rdt palvelun IP: n epäluotettavan palvelun päälle Johtoinen segmentti Kasaantuva esitys yksin uudelleenlähetys ajastin Uudelleenlähetys laukeaa: Aikakatkaistut tapaukset Kahdennuksen Acts Alunperin harkittiin yksinkertaista TCP lähettäjää: jätä huomioitta Kahdennuksen Acts Jätä huomioitta flow kontrolli, Ruuhka kontrollit Transport Layer 3-127

128 TCP sender events: data rcvd from app: create segment with seq # seq # is byte-stream number of first data byte in segment start timer if not already running think of timer as for oldest unacked segment expiration interval: timeout: retransmit segment that caused timeout restart timer ack rcvd: if ack acknowledges previously unacked segments update what is known to be ACKed start timer if there are still unacked segments TimeOutInterval Transport Layer 3-128

129 TCP lähettäjän tapahtumat: Tiedot rcvd ohjelmasta: luo segmentin seq # seq # on tavu-jono numero ensimmäisestä tavu segmentistä Aika-ajastin jos ei ole jo päällä Ajattelee ajastinta vanhimpana unacked segmenttinä erääntyvä välimatka: TimeOutInterval Aikalisä: uudelleen lähetys segmentti aiheuttaa aikalisän Uudelleen ajastaa esitys rcvd: Jos esitys on hyväksytty aikaisempi unacked segments Päivittää mikä on ACKed Aloittaa ajastimen jos sielä unacked segmenttejä Transport Layer 3-129

130 TCP sender (simplified) data received from application above Λ NextSeqNum = InitialSeqNum SendBase = InitialSeqNum wait for event create segment, seq. #: NextSeqNum pass segment to IP (i.e., send ) NextSeqNum = NextSeqNum + length(data) if (timer currently not running) start timer timeout retransmit not-yet-acked segment with smallest seq. # start timer ACK received, with ACK field value y if (y > SendBase) { SendBase = y /* SendBase 1: last cumulatively ACKed byte */ if (there are currently not-yet-acked segments) start timer else stop timer } Transport Layer 3-130

131 TCP sender (simplified) Tiedon vastaanottaja ohjelmalta ylempää Λ NextSeqNum = InitialSeqNum SendBase = InitialSeqNum Odota tapahtumaa Luo segmentti, seq. #: NextSeqNum pass segment to IP (i.e., send ) NextSeqNum = NextSeqNum + length(data) if (Ajastin ei ole käynnissä) Aloita ajastin Aikalisä ACK vastaanottaja, ACK kenttä arvo Uudelleenlähetys not-yet-acked segment with smallest seq. # Aloita ajastin if (y > SendBase) { SendBase = y /* SendBase 1: last cumulatively ACKed byte */ if (there are currently not-yet-acked segments) Aloita ajastin tai lopeta ajastin } Transport Layer 3-131

132 TCP: retransmission scenarios Host B Host A Host B Host A SendBase=92 ACK=100 X Seq=92, 8 bytes of data timeo ut timeo ut Seq=92, 8 bytes of data Seq=100, 20 bytes of data ACK=100 ACK=120 Seq=92, 8 bytes of data SendBase=100 ACK=100 Seq=92, 8 bytes of data SendBase=120 ACK=120 SendBase=120 lost ACK scenario premature timeout Transport Layer 3-132

133 TCP: Uudelleenlähetys skenaariot Host B Host A Host B Host A SendBase=92 ACK=100 X Seq=92, 8 bytes of data timeo ut timeo ut Seq=92, 8 bytes of data Seq=100, 20 bytes of data ACK=100 ACK=120 Seq=92, 8 bytes of data SendBase=100 ACK=100 Seq=92, 8 bytes of data SendBase=120 ACK=120 SendBase=120 lost ACK scenario hävinnyt kuittaus premature timeout ennenaikainen Transport Layer laukeaminen

134 TCP: retransmission scenarios Host B Host A Seq=92, 8 bytes of data timeo ut Seq=100, 20 bytes of data ACK=100 X ACK=120 Seq=120, 15 bytes of data cumulative ACK Transport Layer 3-134

135 TCP: Uudelleenlähetys skenaariot Host B Host A Seq=92, 8 bytes of data timeo ut Seq=100, 20 bytes of data ACK=100 X ACK=120 Seq=120, 15 bytes of data cumulative ACK Transport Layer 3-135

136 TCP ACK generation [RFC 1122, RFC 2581] event at receiver TCP receiver action arrival of in-order segment with expected seq #. All data up to expected seq # already ACKed delayed ACK. Wait up to 500ms for next segment. If no next segment, send ACK arrival of in-order segment with expected seq #. One other segment has ACK pending immediately send single cumulative ACK, ACKing both in-order segments arrival of out-of-order segment higher-than-expect seq. #. Gap detected immediately send duplicate ACK, indicating seq. # of next expected byte arrival of segment that partially or completely fills gap immediate send ACK, provided that segment starts at lower end of gap Transport Layer 3-136

137 TCP ACK generaatio [RFC 1122, RFC 2581] tapahtuman vastaanottaja TCP vastaanottaja toiminnassa saapuva in-order segmentti jonka seq #. Kaikki tiedot on odotetulle seq # kaikenaikaa ACKed viivästetty ACK. Odottaa 500ms seuraavaan segmenttiin. Jos ei ole segmenttiä,lähetä ACK saapuminen in-order segmentti jonka odotettu seq #. yhdellä toisella segmentillä on ACK vireillä välittömästi lähettää yksin kumulatiivisen ACK, ACKing molemmat järjestykseen saapuva out-of-order segmentti korkeampi- kuin- odotettu seq. #. välittömästi lähettää kahdeistaa ACK, indicating seq. # of next expected byte Kolo havaittu Välittömästi lähettää ACK, valtuutettu segmentti aloittaa alemmantransport lopunlayer 3-137

138 TCP fast retransmit time-out period often relatively long: long delay before resending lost packet detect lost segments via duplicate ACKs. sender often sends many segments backto-back if segment is lost, there will likely be many duplicate ACKs. TCP fast retransmit if sender receives 3 ACKs for same data ( triple ( triple duplicate duplicate ACKs ), ACKs ), resend unacked segment with smallest seq # likely that unacked segment lost, so don t wait for timeout Transport Layer 3-138

139 TCP nopea uudelleenlähetys Aikalisä periodi usein tavallista pidempi: Pitkä viime ennen uudelleen lähetystä kadonneelle paketille havaittu kadotettu segmentti via kahdeistettu ACKs. Lähettäjä usein lähettää useita segmenttejä takaisin Jos segmentti katoaa sille useita kaksinkertaisettuja TCP nopea uudelleenlähetys Jos lähettäjä vastaanottaa 3 ACKs samaa tietoa ( triple duplicate ACKs ), uudelleenlähettää unacked segmentin pienimmällä seq # todennäköisesti unacked segmentti katoaa, joten älä odota turhaan aikalisää Transport Layer 3-139

140 TCP fast retransmit Host B Host A Seq=92, 8 bytes of data Seq=100, 20 bytes of data X timeo ut ACK=100 ACK=100 ACK=100 ACK=100 Seq=100, 20 bytes of data fast retransmit after sender receipt of triple duplicate ACK Transport Layer 3-140

141 TCP fast retransmit nopea uudelleen lähetys Host B Host A Seq=92, 8 bytes of data Seq=100, 20 bytes of data X Kuitataan aina 100 koska välistä puuttuu 120 kuittaus. timeo ut ACK=100 ACK=100 ACK=100 ACK=100 Seq=100, 20 bytes of data Nopea uudelleenlähetyksen jälkeen lähettäjä kuitti kolmesta kaksinkertaisestusta ACK Transport Layer 3-141

142 Chapter 3 outline 3.1 transport-layer services 3.2 multiplexing and demultiplexing 3.3 connectionless transport: UDP 3.4 principles of reliable data transfer 3.5 connection-oriented transport: TCP segment structure reliable data transfer flow control connection management 3.6 principles of congestion control 3.7 TCP congestion control Transport Layer 3-142

143 Chapter 3 Hahmottelua 3.1 kuljetus-kerroksen palvelut 3.2 multiplexing ja demultiplexisointi 3.3 Yhteydetön kuljetus: UDP 3.4 periaatteet luotettavaan tiedonsiirtoon 3.5 Yhteydellinen kuljetus : TCP segmentin rakenne Luotettava tiedonsiirto flow kontrolli yhteyshallinta 3.6 periaatteet ruuhkan hallintaan 3.7 TCP: ruuhkanhallinta Transport Layer 3-143

144 TCP flow control application may remove data from TCP socket buffers. slower than TCP receiver is delivering (sender is sending) applicati on process application TCP code IP code flow receiver controls sender, so control sender won t overflow receiver s buffer by transmitting too much, too fast OS TCP socket receiver buffers from sender receiver protocol stack Transport Layer 3-144

145 TCP flow kontrolli Ohjelma saattaa poistaa tietoa TCP socket puskurista flow kontrolli hitaampi kuin TCP vastaanottaja on viemässä (Lähettäjä lähettää) Vastaanottaja kontroiloi lähettäjää, joten lähettäjä ei ylivirtaa vastaanottajan puskuriin lähettämällä liikaa, liian nopeasti applicati on process Ohjelma OS TCP socket receiver buffers TCP code IP code from sender vastaanottajan protokolla pino Transport Layer 3-145

146 TCP flow control receiver advertises free buffer space by including rwnd value in TCP header of receiver-to-sender segments RcvBuffer size set via socket options (typical default is 4096 bytes) many operating systems autoadjust RcvBuffer sender limits amount of unacked ( in-flight ) data to receiver s rwnd value guarantees receive buffer will not overflow to application process RcvBuffer rwnd buffered data free buffer space TCP segment payloads receiver-side buffering Transport Layer 3-146

147 TCP flow kontrolli vastaanottaja mainostaa ilmaisella puskuri tilalla mukaanlukien rwnd arvon TCP ylätunniste vastaanottajasta-lähettäjän segmentteihin RcvBuffer koko set via socket vaihtoehto (tyypillinen normaali 4096 tavua) Moni operoiva systeemi automaattisesti sopeuttaa RcvBuffer Lähettäjän rajat nousee unacked ( lennossa )tieto vastaanottajalle rwnd arvo guarantees receive buffer will not overflow to application process RcvBuffer rwnd buffered data free buffer space TCP segment payloads Vastaan ottajan puskuri Transport Layer 3-147

148 Chapter 3 outline 3.1 transport-layer services 3.2 multiplexing and demultiplexing 3.3 connectionless transport: UDP 3.4 principles of reliable data transfer 3.5 connection-oriented transport: TCP segment structure reliable data transfer flow control connection management 3.6 principles of congestion control 3.7 TCP congestion control Transport Layer 3-148

149 Chapter 3 outline 3.1 kuljetus-kerroksen palvelut 3.2 multiplexing ja demultiplexisointi 3.3 Yhteydetön kuljetus: UDP 3.4 periaatteet luotettavaan tiedonsiirtoon 3.5 Yhteydellinen kuljetus : TCP segmentin rakenne Luotettava tiedonsiirto flow kontrolli yhteyshallinta 3.6 periaatteet ruuhkan hallintaan 3.7 TCP: ruuhkanhallinta Transport Layer 3-149

150 Connection Management before exchanging data, sender/receiver handshake : agree to establish connection (each knowing the other willing to establish connection) agree on connection parameters application application connection state: ESTAB connection variables: seq # client-to-server server-to-client rcvbuffer size at server,client connection state: ESTAB connection Variables: seq # client-to-server server-to-client rcvbuffer size at server,client network network Socket clientsocket = newsocket("hostname","port number"); Socket connectionsocket = welcomesocket.accept(); Transport Layer 3-150

151 Yhteyshallinta Ennen datan vaihtamista, Lähettäjä/vastaanottaja kättelevät : suostuvat luomaan yhteyden (molemmat tietävät että toinen suostuu luomaan yhteyden) hyväksyvät yhteyden parametrit application application yhteyden tila: ESTAB yhteyden muuttujat: seq # client-palvelimelle palvelin-clientille rcvbuffer koko serverillä, client yhteyden tila: ESTAB yhteyden muuttujat: seq # client-palvelimelle palvelin-clientille rcvbuffer koko serverillä, client network network Socket clientsocket = newsocket("hostname","port number"); Socket connectionsocket = welcomesocket.accept(); Transport Layer 3-151

152 Agreeing to establish a connection 2-way handshake: Q: will 2-way handshake always work in network? Let s talk ESTAB OK ESTAB choose x ESTAB req_conn(x) acc_conn(x) variable delays retransmitted messages (e. g. req_conn(x)) due to message loss message reordering can t see other side ESTAB Transport Layer 3-152

153 Yhteyden luomisen hyväksyminen Kaksisuuntainen kättely: Q: Toimiiko kaksisuuntainen kättely aina verkossa? Puhutaan! ESTAB OK ESTAB valitse x ESTAB req_conn(x) acc_conn(x) vaihtelevat viiveet uudelleenlähetetyt viestit (e.g. req_conn(x)) viestihäviön takia viestin uudelleenjärjestely ei voi nähdä toista puolta ESTAB Transport Layer 3-153

154 Agreeing to establish a connection 2-way handshake failure scenarios: choose x choose x req_conn(x) req_conn(x) ESTAB ESTAB retransmit req_conn(x) retransmit req_conn(x) acc_conn(x) ESTAB ESTAB req_conn(x) client terminates connection x completes acc_conn(x) data(x+1) retransmit data(x+1) server forgets x ESTAB half open connection! (no client!) client terminates accept data(x+1) connection x completes server req_conn(x) forgets x data(x+1) ESTAB accept data(x+1) Transport Layer 3-154

155 Yhteyden luomisen hyväksyminen 2-suunta kättelyn epäonnistumisen mahdollisuudet: valitse x valitse x req_conn(x) req_conn(x) ESTAB ESTAB uudellenlähetä req_conn(x) uudellenlähetä req_conn(x) acc_conn(x) ESTAB ESTAB req_conn(x) client katkaisee yhteys x onnistuu acc_conn(x) data(x+1) uudellenlähetä data(x+1) serveri unohtaa x ESTAB puoliksi avoin yhteys! (ei clientiä!) client katkaisee hyväksy data(x+1) yhteys x onnistuu serveri req_conn(x) unohtaa x data(x+1) ESTAB hyväksy data(x+1) Transport Layer 3-155

156 TCP 3-way handshake client state server state LISTEN LISTEN choose init seq num, x send TCP SYN msg SYNSENT SYNbit=1, Seq=x choose init seq num, y send TCP SYNACK SYN RCVD msg, acking SYN SYNbit=1, Seq=y ACKbit=1; ACKnum=x+1 received SYNACK(x) indicates server is live; ESTAB send ACK for SYNACK; this segment may contain client-to-server data ACKbit=1, ACKnum=y+1 received ACK(y) indicates client is live ESTAB Transport Layer 3-156

157 TCP 3-suuntainen kättely clientin tila palvelimen tila Kuuntelu Kuuntelu valitse alustava seq num, x lähetä TCP SYN viesti SYNSENT SYNbit=1, Seq=x SYNbit=1, Seq=y ACKbit=1; ACKnum=x+1 vastaanotettu SYNACK(x) kertoo palvelimen olevan live; ESTAB lähetä ACK SYNACK varten; tämä segmentti voi sisältää client-to-server dataa valitse alustava seq num, y lähetä TCP SYNACK viesti, acking SYN SYN RCVD ACKbit=1, ACKnum=y+1 vastaanotettu ACK(y) kertoo että client on live ESTAB Transport Layer 3-157

158 TCP 3-way handshake: FSM closed Socket connectionsocket = welcomesocket.accept(); Λ SYN(x) SYNACK(seq=y,ACKnum=x+1) create new socket for communication back to client listen Socket clientsocket = newsocket("hostname","port number"); SYN(seq=x) SYN sent SYN rcvd SYNACK(seq=y,ACKnum=x+1) ACK(ACKnum=y+1) ESTAB ACK(ACKnum=y+1) Λ Transport Layer 3-158

159 TCP 3-suuntainen kättely: FSM suljettu Socket connectionsocket = welcomesocket.accept(); Λ SYN(x) SYNACK(seq=y,ACKnum=x+1) create new socket for communication back to client kuuntelu Socket clientsocket = newsocket("hostname","port number"); SYN(seq=x) SYN sent SYN rcvd SYNACK(seq=y,ACKnum=x+1) ACK(ACKnum=y+1) ESTAB ACK(ACKnum=y+1) Λ Transport Layer 3-159

160 TCP: closing a connection client, server each close their side of connection send TCP segment with FIN bit = 1 respond to received FIN with ACK on receiving FIN, ACK can be combined with own FIN simultaneous FIN exchanges can be handled Transport Layer 3-160

161 TCP: yhteyden sulkeminen client, palvelin molemmat sulkevat yhteyden puoleltaan lähettävät TCP segmentin jossa FIN bit = 1 vastaavat vastaanotettuihin FIN:iin ACK:illa vastaanotossa FIN, ACK voidaan yhdistää omaan FIN yhtäaikainen FIN vaihto voidaan käsitellä Transport Layer 3-161

162 TCP: closing a connection client state server state ESTAB ESTAB clientsocket. close() FIN_WAIT_1 can no longer send but can receive data FIN_WAIT_2 FINbit=1, seq=x CLOSE_WAIT ACKbit=1; ACKnum=x+1 wait for server close can still send data LAST_ACK FINbit=1, seq=y can no longer send data TIMED_WAIT ACKbit=1; ACKnum=y+1 timed wait for 2*max segment lifetime CLOSED CLOSED Transport Layer 3-162

163 TCP: yhteyden sulkeminen client state server state ESTAB ESTAB clientsocket. close() FIN_WAIT_1 ei voi lähettää, mutta voi vastaanottaa dataa FIN_WAIT_2 FINbit=1, seq=x CLOSE_WAIT ACKbit=1; ACKnum=x+1 odottaa palvelimen lopettavan voi vielä lähettää dataa LAST_ACK FINbit=1, seq=y TIMED_WAIT ACKbit=1; ACKnum=y+1 ajastettu odotus 2 kertaa segmentin maksimi elinikä ei voi enää lähettää dataa CLOSED CLOSED Transport Layer 3-163

164 Chapter 3 outline 3.1 transport-layer services 3.2 multiplexing and demultiplexing 3.3 connectionless transport: UDP 3.4 principles of reliable data transfer 3.5 connection-oriented transport: TCP segment structure reliable data transfer flow control connection management 3.6 principles of congestion control 3.7 TCP congestion control Transport Layer 3-164

165 Chapter 3 outline 3.1 kuljetus-kerroksen palvelut 3.2 multiplexing ja demultiplexisointi 3.3 Yhteydetön kuljetus: UDP 3.4 periaatteet luotettavaan tiedonsiirtoon 3.5 Yhteydellinen kuljetus : TCP segmentin rakenne Luotettava tiedonsiirto flow kontrolli yhteyshallinta 3.6 Periaatteet ruuhkan hallintaan 3.7 TCP: ruuhkanhallinta Transport Layer 3-165

166 Principles of congestion control congestion: informally: too many sources sending too much data too fast for network to handle different from flow control! manifestations: lost packets (buffer overflow at routers) long delays (queueing in router buffers) a top-10 problem! Transport Layer 3-166

167 Periaatteet ruuhkanhallintaan Ruuhka: Epämuodollisesti: liian moni lähde lähettämässä liikaa dataa liian nopeasti verkon käsitteleväksi eri asia kuin virran hallinta! Julistukset: Hävitetyt packetit (ylivuodon suoja reitittimissä) pitkät viiveet (jonotus reitittimien suojissa) Top-10 ongelma! Transport Layer 3-167

168 Causes/costs of congestion: scenario 1 original data: λ λout Host A unlimited shared output link buffers Host B R/2 delay two senders, two receivers one router, infinite buffers output link capacity: R no retransmission λout throughput: in λin R/2 maximum perconnection throughput: R/2 λin R/2 large delays as arrival rate, λin, approaches capacity Transport Layer 3-168

169 Ruuhkan syyt/kustannukset: tapaus 1 alkuperäinen data: λ λout Host A loputon jaettujen linkkien puskuri R/2 delay kaksi lähettäjää, kaksi vastaanottajaa yksi reititin, loputtomasti puskureita linkkien tuottokapasiteetti: R ei uudelleenlähetyksiä Host B λout läpäisy: in λin R/2 maksimi / yhteys läpäisy: R/2 λin R/2 suuret viiveet saapumisen yhtälönä, λin, lähestyy kapasiteettia Transport Layer 3-169

170 Causes/costs of congestion: scenario 2 one router, finite buffers sender retransmission of timed-out packet application-layer input = application-layer output: λin = λout transport-layer input includes retransmissions : λin λin λin : original data λ'in: original data, plus λout retransmitted data Host A Host B finite shared output link buffers Transport Layer 3-170

171 Ruuhkan syyt/kustannukset: tapaus 2 Yksi reititin, määrätty joukko puskureita lähettäjän uudelleenlähettämä (aika loppu) packet sovellustason syöttö = sovellustason tulostus: λin = λout siirto-tason syöttö sisältää uudelleenlähetykset : λin λin λin : alkuperäinen data λ'in: alkuperäinen data λout ja uudelleenlähetetty data Host A Host B rajattu jaettujen linkkien puskuri Transport Layer 3-171

172 Causes/costs of congestion: scenario 2 λout idealization: perfect knowledge sender sends only when router buffers available R/2 λin : original data λ'in: original data, plus copy λin R/2 λout retransmitted data A Host B free buffer space! finite shared output link buffers Transport Layer 3-172

173 Ruuhkan vaikutukset: skenaario 2 λout ideaali: täydellistä tietoa lähettäjä lähettää vain kun reitittimen puskurit saatavilla R/2 λin : alkuperäinen data λ'in: alkuperäinen data, plus kopio λin R/2 λout uudestaanlähetetty data A Isäntä B vapaata puskuri tilaa! rajallinen jaettu yhteyspuskuri Transport Layer 3-173

174 Causes/costs of congestion: scenario 2 Idealization: known loss packets can be lost, dropped at router due to full buffers sender only resends if packet known to be lost λin : original data λ'in: original data, plus copy λout retransmitted data A no buffer space! Host B Transport Layer 3-174

175 Ruuhkan vaikutukset: skenaario 2 Ideaali: tunnettu menetys paketteja voi hävitä, pudota reitittimeltä täysien puskureiden takia lähettäjä lähettää uudestaan vain jos paketin tiedetään kadonneen λin : original data λ'in: original data, plus copy λout retransmitted data A no buffer space! Isäntä B Transport Layer 3-175

176 Causes/costs of congestion: scenario 2 R/2 lost, dropped at router due to full buffers sender only resends if packet known to be lost when sending at R/2, some packets are retransmissions but asymptotic goodput is still R/2 (why?) λout Idealization: known loss packets can be λin : original data λ'in: original data, plus λin R/2 λout retransmitted data A free buffer space! Host B Transport Layer 3-176

177 Ruuhkan vaikutukset: skenaario 2 paketteja voi hävitä, pudota reitittimeltä täysien puskureiden takia lähettäjä lähettää uudestaan vain jos paketin tiedetään kadonneen R/2 λout Ideaali: tunnettu menetys λin λin : alkuperäinen data λ'in: alkuperäinen data, plus R/2 lähettäessä R/2 jotkut paketit ovat uudelleenlähetyksiä mutta asymptoottinen ulostulo on edelleen R/2, miksi? λout uudelleenlähetetty data A vapaata puskuritilaa! Isäntä B Transport Layer 3-177

178 Causes/costs of congestion: scenario 2 packets can be lost, dropped at router due to full buffers sender times out prematurely, sending two copies, both of which are delivered R/2 λin λ'in copy timeout A when sending at R/2, some packets are retransmissions including duplicated that are delivered! λout Realistic: duplicates λin R/2 λout free buffer space! Host B Transport Layer 3-178

179 Ruuhkan vaikutukset: skenaario 2 Realistinen: kaksoiskappaleet paketteja voi hävitä, pudota täysien puskureiden takia lähettäjä lähettää kaksi kopiota, jotka molemmat toimiitetaan R/2 λout λin λin λ'in copy aikakatkais u A R/2 Lähettäessä R/2 jotkut paketit ovat päällekkäisiä uudelleenlähetyksiä, mutta ne silti lähetetään λout vapaa reititin tila! Isäntä B Transport Layer 3-179