Computerarchitectuur en netwerken. TCP congestion control Netwerklaag

Transcriptie

1 Computerarchitectuur en netwerken 10 TCP congestion control Netwerklaag Lennart Herlaar 6 oktober 2015

2 Inhoud Congestiebeheer TCP congestiebeheer Netwerk laag principes van de netwerklaag IP adressen IP (protocol) IP adressen krijgen Network Address Translation (NAT) Lennart Herlaar Computerarchitectuur en netwerken 10 1

3 Congestiebeheer Congestiebeheer = zorgen dat er geen files in het netwerk ontstaan Congestiebeheer Flow control Flow Control = tussen zender en ontvanger Congestiebeheer = in het netwerk Lennart Herlaar Computerarchitectuur en netwerken 10 2

4 Congestiebeheer 1 Lennart Herlaar Computerarchitectuur en netwerken 10 3

5 Congestiebeheer 1 Lennart Herlaar Computerarchitectuur en netwerken 10 4

6 Congestiebeheer 2 Lennart Herlaar Computerarchitectuur en netwerken 10 5

7 Congestiebeheer 2 a Theoretische doorvoer b Hertransmissie wegens router vol c Timeout te kort (getallen zijn voorbeelden) Lennart Herlaar Computerarchitectuur en netwerken 10 6

8 Congestiebeheer 3 Lennart Herlaar Computerarchitectuur en netwerken 10 7

9 Congestiebeheer 3 Lennart Herlaar Computerarchitectuur en netwerken 10 8

10 Vormen van congestiebeheer End-to-end Geen informatie van het netwerk over congestie Verzender moet er zelf achter zien te komen Bij timeout/packetverlies: neem aan dat congestie de oorzaak is Kijk naar RTT (Round Trip Time) Aanpak bij TCP Lennart Herlaar Computerarchitectuur en netwerken 10 9

11 Vormen van congestiebeheer End-to-end Geen informatie van het netwerk over congestie Verzender moet er zelf achter zien te komen Bij timeout/packetverlies: neem aan dat congestie de oorzaak is Kijk naar RTT (Round Trip Time) Aanpak bij TCP Netwerkondersteund Netwerk stuurt informatie naar verzender Voorbeeld: een bit dat netwerk te belast is (SNA/ATM) Of choke pakket met info Lennart Herlaar Computerarchitectuur en netwerken 10 9

12 TCP congestion control TCP houdt Congestion Window bij (naast RcvWindow) we hadden al: LastByteSent LastByteAcked RcvWindow we voegen nu toe: LastByteSent LastByteAcked CongWindow LastByteSent LastByteAcked min(rcvwindow, CongWindow) CongWindow wordt voortdurend aangepast (congestion avoidance): Bij hertransmissie: kleiner maken (snel) Bij een correcte ACK: groter maken (langzaam) Lennart Herlaar Computerarchitectuur en netwerken 10 10

13 TCP congestion control (Congestion Avoidance) Concreet: Additive Increase, Multiplicative Decrease Bij hertransmissie: halveer CongWindow Anders voeg er een constante hoeveelheid aan toe: 1 MSS/RTT (MSS = Maximal Segment Size) Nooit lager dan 1 MSS Nadeel: in het begin duurt het lang voor je een redelijke waarde hebt opgebouwd Lennart Herlaar Computerarchitectuur en netwerken 10 11

14 Verfijningen Slow-start: Begin met een lage CongWindow (= 1 MSS) CongWindow telkens verdubbelen Indien hertransmissie, dan Treshold = CongWindow/2 en CongWindow = 1 MSS Indien Treshold bereikt, dan Congestion Avoidance Lennart Herlaar Computerarchitectuur en netwerken 10 12

15 Verfijningen Slow-start: Begin met een lage CongWindow (= 1 MSS) CongWindow telkens verdubbelen Indien hertransmissie, dan Treshold = CongWindow/2 en CongWindow = 1 MSS Indien Treshold bereikt, dan Congestion Avoidance Congestion Avoidance: Laat CongWindow lineair groeien Indien loss event, dan Threshold = CongWindow/2 en over op Slow-start Lennart Herlaar Computerarchitectuur en netwerken 10 12

16 Verfijningen Slow-start: Begin met een lage CongWindow (= 1 MSS) CongWindow telkens verdubbelen Indien hertransmissie, dan Treshold = CongWindow/2 en CongWindow = 1 MSS Indien Treshold bereikt, dan Congestion Avoidance Congestion Avoidance: Laat CongWindow lineair groeien Indien loss event, dan Threshold = CongWindow/2 en over op Slow-start Triple dup. ACK (TCP Reno): Threshold = CongWindow/2; CongWindow = Threshold Schakel over op Congestion Avoidance (AIMD) Dit heet Fast Recovery Idee: vanwege de 3 ACKs zijn er kennelijk segmenten goed aangekomen Andere algoritmes zijn ook mogelijk Lennart Herlaar Computerarchitectuur en netwerken 10 12

17 TCP Tahoe/Reno Lennart Herlaar Computerarchitectuur en netwerken 10 13

18 Eerlijk delen Lennart Herlaar Computerarchitectuur en netwerken 10 14

19 Eerlijk delen Lennart Herlaar Computerarchitectuur en netwerken 10 15

20 TCP RTT en timeout Bij TCP is de RTT niet vooraf te berekenen Route in netwerk niet bekend Belasting van routers (queueing) niet bekend Maak een schatting door tijd van verzenden segment tot aankomst ACK te meten gemeten RTT kan erg varieren Daarom gemiddelde nemen Echter: Resultaten uit het verleden geven geen garantie voor de toekomst Daarom resultaat uit het verleden laten vervagen Formule EstimatedRTT = (1 α) EstimatedRTT+α SampleRTT Lennart Herlaar Computerarchitectuur en netwerken 10 16

21 SampleRTT en EstimatedRTT Lennart Herlaar Computerarchitectuur en netwerken 10 17

22 Timeout berekening Timeout berekenen uit de RTT Maar hoe? Lennart Herlaar Computerarchitectuur en netwerken 10 18

23 Timeout berekening Timeout berekenen uit de RTT Maar hoe? Gebruik de variantie in de RTT Bereken op soortgelijke wijze uit de samples: DevRTT = (1 β) DevRTT+β SampleRTT EstimatedRTT Aanbevolen om timeout 4 DevRTT hoger te nemen Timeout = EstimatedRTT + 4 DevRTT Lennart Herlaar Computerarchitectuur en netwerken 10 18

24 TCP doorvoersnelheid Eerste orde benadering: snelheid = doorvoervenster/rtt Veronderstel dat buffer groot genoeg is, dus doorvoervenster wordt bepaald door Congestion window Maximale waarde doorvoervenster = W bits (als congestie optreedt) daarna wordt gehalveerd (congestion avoidance), dus W/2 Doorvoervenster varieert lineair tussen W/2 en W. Dus gemiddeld 0,75. doorvoersnelheid = 0.75 W RTT Als je rekening houdt met slow start dan krijg je subtielere formules. Lennart Herlaar Computerarchitectuur en netwerken 10 19

25 Samenvatting Transportlaag Transportlaag zorgt voor multiplexing (UDP en TCP) Eventueel ook voor betrouwbaarheid (TCP) Protocollen voor betrouwbaarheid zijn gebaseerd op Automatic Repeat request (ARQ) met ACKs en volgnummers Simpele Alternating Bit Protocol is te langzaam Sliding Window protocol is beter TCP heeft ook Flow Control en Congestiebeheer Lennart Herlaar Computerarchitectuur en netwerken 10 20

26 Netwerk Laag Lennart Herlaar Computerarchitectuur en netwerken 10 21

27 Inhoud TCP congestiebeheer Netwerk laag = principes van de netwerklaag IP adressen IP (protocol) IP adressen krijgen Network Address Translation (NAT) Lennart Herlaar Computerarchitectuur en netwerken 10 22

28 Netwerklaag Doel van de netwerklaag pakketten van de ene computer naar de andere brengen vgl: transportlaag: van proces naar proces Router: apparaat dat (delen van) netwerken met elkaar verbindt router werkt in netwerklaag heeft geen weet van hogere lagen vgl switch: werkt in datalinklaag (heeft geen weet van netwerklaag) Subdoelen (functies) van netwerklaag: Routering: bepalen van het pad (route) dat een pakket moet doorlopen Forwarding: pakketten die in een router aankomen naar de juiste kant sturen Sommige netwerken: verbindingen beheren (niet in Internet) Lennart Herlaar Computerarchitectuur en netwerken 10 23

29 Netwerkvoorbeeld Lennart Herlaar Computerarchitectuur en netwerken 10 24

30 Datagram/virtual circuit De netwerklaag kan verbindingsloos of verbindingsgericht zijn Verbindingsloos: Elk pakket wordt afzonderlijk door het netwerk gerouteerd Elk pakket moet adres van bestemming bevatten Routers behandelen elk pakket afzonderlijk datagramnetwerk Lennart Herlaar Computerarchitectuur en netwerken 10 25

31 Datagram/virtual circuit De netwerklaag kan verbindingsloos of verbindingsgericht zijn Verbindingsloos: Elk pakket wordt afzonderlijk door het netwerk gerouteerd Elk pakket moet adres van bestemming bevatten Routers behandelen elk pakket afzonderlijk datagramnetwerk Verbindingsgericht: Netwerk moet eerst verbinding opzetten van A naar B Pakketten worden over de verbinding (virtual circuit) gerouteerd Pakketten hoeven niet bestemming te hebben maar virtueel circuitnummer Routers weten dat pakket bij een bepaald virtueel circuit hoort Mogelijkheid om bandbreedte etc. voor een virtueel circuit te reserveren Lennart Herlaar Computerarchitectuur en netwerken 10 25

32 Transport- en netwerklaag Transportlaag: verbindingsgericht of verbindingsloos Voorbeeld: TCP vs. UDP staat in principe los van de structuur van netwerklaag Maar verbindingsloos transportlaag met virtueel circuit in netwerklaag lijkt niet erg zinvol Omgekeerd wel: TCP: verbindingsgericht transportprotocol IP: datagram netwerkprotocol IP biedt alleen best effort dienst aan: geen garantie dat pakketten aankomen geen garantie van volgorde geen gegarandeerde bandbreedte geen Quality of Service Lennart Herlaar Computerarchitectuur en netwerken 10 26

33 Inhoud TCP congestiebeheer Netwerk laag principes van de netwerklaag IP adressen = IP (protocol) IP adressen krijgen Network Address Translation (NAT) Lennart Herlaar Computerarchitectuur en netwerken 10 27

34 IP IP = Internet Protocol IP versie 4 = huidige versie, IP versie 6 = toekomstige versie (wordt al wel gebruikt) IP V4 gebruikt 32 bits adressen voor aangesloten apparaten Genoteerd als 4 afzonderlijke bytes ( ) Iedere interface heeft eigen IP adres Ook routers hebben een IP-adres voor elke netwerkaansluiting IP versie 6 (IP V6) gebruikt 128-bits adressen Lennart Herlaar Computerarchitectuur en netwerken 10 28

35 IP adressen Lennart Herlaar Computerarchitectuur en netwerken 10 29

36 Netwerk maskers In vorige voorbeeld heeft elk IP adres in een netwerk dezelfde eerste 3 bytes / / Alle interfaces in één netwerk moeten hetzelfde beginstuk hebben De hoeveelheid bits die hetzelfde zijn bepalen het netwerkmasker In dit geval is het netwerkmasker (255 = allemaal 1-bits) Dus Moderne notatie: netwerk is /24 (=24 bits) Lennart Herlaar Computerarchitectuur en netwerken 10 30

37 IP adres klassen Oorspronkelijk IP adressen in klassen ingedeeld A, B, C netwerken, op grens van 8, 16, 24 bits Dit maakt het routeren simpel Tegenwoordig CIDR (Classless InterDomain Routing): Netwerk-deel van IP adres wordt door netwerkmasker aangegeven Als je een netwerkmasker van 21 bits hebt, kun je 11 bits gebruiken voor hostnummer binnen netwerk Lennart Herlaar Computerarchitectuur en netwerken 10 31

38 IP adres klassen Lennart Herlaar Computerarchitectuur en netwerken 10 32

39 Speciale IP adressen Lennart Herlaar Computerarchitectuur en netwerken 10 33

40 CIDR CIDR = Classless Inter Domain Routing Hierbij wordt niet meer naar de classes (A,B,C,D) gekeken. Bij de classes heb je te weinig flexibiliteit met aantallen computers in netwerk Alleen 254 (2 8 2), (2 16 2) en (2 24 2) Voorbeeld: je wilt max computers aansluiten in je netwerk Je hebt nu aan 10 bits genoeg ( = 1022) Dus een /22 netwerk masker Bijvoorbeeld: / (de bits buiten het masker moeten 0 zijn). Adressen: { } Je zou hier nog een gat uit kunnen halen voor een klein netwerkje van een stuk of 14 adressen. Lennart Herlaar Computerarchitectuur en netwerken 10 34

41 CIDR Routing Een CIDR router werkt met prefixen In het vorige voorbeeld staat ergens in een router: stuur alle pakketten met een adres in /22 naar uitgang X. Dus alle adressen waarvan de eerste 22 bits hetzelfde zijn als in worden naar lijn X gestuurd. Stel we hebben nog een klein netwerkje van 14 hosts waar we een deel van de overtollige adressen in deze range voor gebruiken, bijvoorbeeld /28. Prefix lijn Dan bevat de router: /28 Y /22 X De langste prefix wordt eerst gecheckt. Dit heet longest prefix matching. Het grootste netwerk kunnen we noteren als / /28 (minus notatie). Lennart Herlaar Computerarchitectuur en netwerken 10 35

42 Inhoud TCP congestiebeheer Netwerk laag principes van de netwerklaag IP adressen IP (protocol) IP adressen krijgen = Network Address Translation (NAT) Lennart Herlaar Computerarchitectuur en netwerken 10 36

43 Het krijgen van een IP adres IP adressen worden uitgegeven door ICANN (Internet Corporation for Assigned Names and Numbers) aan ISP s of grote organisaties Je kunt je IP nummer met de hand invoeren in je computer Of automatisch verkrijgen via DHCP DHCP = Dynamic Host Configuration protocol Geeft o.a. IP nummers aan computers in netwerk Ook adressen van routers, DNS servers e.d. Vraag hoe vind je de DHCP server? Lennart Herlaar Computerarchitectuur en netwerken 10 37

44 DHCP server protocol DHCP server: DHCP discover src : , 68 dest.: ,67 yiaddr: transaction ID: 654 arriving client time DHCP request DHCP offer src: , 68 dest:: , 67 yiaddrr: transaction ID: 655 DHCP server: Lifetime: 3600 secs DHCP ACK src: , 67 dest: , 68 yiaddrr: transaction ID: 654 DHCP server: Lifetime: 3600 secs src: , 67 dest: , 68 yiaddrr: transaction ID: 655 DHCP server: Lifetime: 3600 secs Lennart Herlaar Computerarchitectuur en netwerken 10 38

45 IP pakket (versie 4) Lennart Herlaar Computerarchitectuur en netwerken 10 39

46 IP fragmentatie Lennart Herlaar Computerarchitectuur en netwerken 10 40

47 IP fragmentatie Fragmenten kunnen later weer verder gefragmenteerd worden. Lennart Herlaar Computerarchitectuur en netwerken 10 41

48 NAT (Network Address Translation) Situatie: thuis netwerk met 5 computers, via ADSL of kabelmodem verbonden met ISP Wat voor IP adressen? Lennart Herlaar Computerarchitectuur en netwerken 10 42

49 NAT (Network Address Translation) Situatie: thuis netwerk met 5 computers, via ADSL of kabelmodem verbonden met ISP Wat voor IP adressen? Oplossing 1: Zorg dat je 5 IP adressen van je ISP krijgt Zelfde netwerk als ISP: dus geen router nodig Hub of switch is voldoende (zelfde netwerk) Subnet kan ook, dan wel router nodig /29 is voldoende (3 bits geeft 8-2=6 adressen) als je adressen niet op 000 of 111 eindigen Je ISP moet je dan 8 adressen gegeven hebben. Lennart Herlaar Computerarchitectuur en netwerken 10 42

50 NAT (Network Address Translation) Situatie: thuis netwerk met 5 computers, via ADSL of kabelmodem verbonden met ISP Wat voor IP adressen? Oplossing 1: Zorg dat je 5 IP adressen van je ISP krijgt Zelfde netwerk als ISP: dus geen router nodig Hub of switch is voldoende (zelfde netwerk) Subnet kan ook, dan wel router nodig /29 is voldoende (3 bits geeft 8-2=6 adressen) als je adressen niet op 000 of 111 eindigen Je ISP moet je dan 8 adressen gegeven hebben. Oplossing 2: NAT Gebruikt eigen serie IP adressen in thuisnetwerk Series /8, /12, /16 gereserveerd Deze mogen nooit op openbare Internet gebruikt worden Lennart Herlaar Computerarchitectuur en netwerken 10 42

51 NAT werking Lennart Herlaar Computerarchitectuur en netwerken 10 43

52 NAT werking Lennart Herlaar Computerarchitectuur en netwerken 10 44

53 NAT werking Lennart Herlaar Computerarchitectuur en netwerken 10 45

54 NAT werking Lennart Herlaar Computerarchitectuur en netwerken 10 46

55 NAT werking Routers werken in de netwerklaag, maar een NAT router moet noodgedwongen ook in de transportlaag informatie kijken. Dit is tegen het lagenprincipe. Lennart Herlaar Computerarchitectuur en netwerken 10 47

56 Samenvatting De netwerklaag zorgt dat pakketten van computer naar computer door het netwerk gerouteerd worden Netwerken kunnen verbindingsgericht (ATM) of verbindingsloos (Internet) zijn Op Internet heeft iedere aansluiting een IP adres. Deze zijn in netwerken of subnetten georganiseerd (IP-adres/netwerkmasker) De (sub)netten zijn met routers aan elkaar verbonden In de netwerklaag in het Internet worden IP-pakketten verzonden IP adressen kun je o.a. krijgen met DHCP NAT is een hack om in een (thuis)netwerk meer IP-adressen te gebruiken dan je gekregen hebt. Lennart Herlaar Computerarchitectuur en netwerken 10 48