Computerarchitectuur en netwerken. Transportlaag

Transcriptie

1 Computerarchitectuur en netwerken 9 Transportlaag Lennart Herlaar 10 oktober 2017

2 Inhoud Transport laag UDP TCP protocollen voor betrouwbaarheid

3 Transportlaag Wat doet de transportlaag? De netwerklaag verzorgt verbindingen van host naar host (onafhankelijk van de structuur van het netwerk) Transportlaag verzorgt verbindingen van proces naar proces De verbindingen van de verschillende processen worden samen over dezelfde netwerkaansluiting gestuurd (multiplexing) Bij aankomst moeten ze uitgesorteerd worden naar het juiste proces (demultiplexing) Vergelijk de interne postdienst van bedrijf Eventueel kan de transportlaag ook betrouwbaarheid toevoegen (TCP) Dus transportlaag doet: multiplexing/demultiplexing Eventueel betrouwbaarheid toevoegen

4 Transport laag

5 Multiplexen/demultiplexen

6 Ports In de transportlaag in het Internet worden Portnummers gebruikt (16 bits) Een eindpunt van een transportverbinding wordt geadresseerd met (IP-adres, portnummer) Portnummers < 1024 zijn gereserveerd Centrale autoriteit (IANA=Internet Assigned Numbers Authority/ ICANN=Internet Corporation For Assigned Names and Numbers) Hogere nummers zijn vrij te gebruiken Socket in O.S. is een manier (programmeerconstructie) om transportverbindingen te gebruiken

7 Transport Protocols Twee soorten meest gebruikt in Internet: UDP (User Datagram protocol) voegt alleen multiplexing/demultiplexing toe UDP is verbindingsloos TCP (Transmission/Transport Control Protocol) voegt ook betrouwbaarheid toe TCP is verbindingsgericht Er zijn ook andere gedefinieerd.

8 Transport Protocols Twee soorten meest gebruikt in Internet: UDP (User Datagram protocol) voegt alleen multiplexing/demultiplexing toe UDP is verbindingsloos TCP (Transmission/Transport Control Protocol) voegt ook betrouwbaarheid toe TCP is verbindingsgericht Er zijn ook andere gedefinieerd. Voorbeeld: DNS gebruikt meestal UDP: sneller (geen verbinding opzetten) maar kan ook TCP gebruiken HTTP, , file transfer e.d. gebruiken TCP: Betrouwbaarheid is belangrijk

9 UDP segment UDP segment bevat 4 velden naast de applicatiedata: port nummers van afzender en ontvanger Vraag: waarom niet IP-adressen? totale lengte van het segment een checksum om fouten te ontdekken Vraag: Hoe groot kan de data zijn?

10 Inhoud Transport laag = UDP TCP: protocollen voor betrouwbaarheid =

11 Multiplexing bij TCP Een TCP-connectie wordt gekarakteriseerd door: IP-adres + portnummer afzender, IP-adres + portnummer bestemming

12 Betrouwbaarheid UDP levert dezelfde (on)betrouwbaarheid als het onderliggende netwerk Checksum kan gebruikt worden om integriteit van de data te controleren Verloren gegane segmenten worden niet gedetecteerd Volgorde is niet gegarandeerd Voorbeeld: DNS gebruikt meestal UDP Als nameserver geen antwoord krijgt, probeert hij een andere Volgorde is niet belangrijk TCP protocol (verbindingen opzetten, fouten corrigeren) kost teveel tijd Algemeen: bij request/response protocols kan UDP nuttig zijn. Ook bij multimedia (liever met een foutje doorgaan dan wachten)

13 Betrouwbare Overdracht Er worden geen bits verkeerd doorgegeven Er raken geen stukken informatie kwijt Er wordt geen informatie gedupliceerd Alle gegevens worden in de juiste volgorde afgeleverd Als een van deze problemen optreedt, corrigeert het protocol dit

14 Betrouwbare Overdracht Er worden geen bits verkeerd doorgegeven Er raken geen stukken informatie kwijt Er wordt geen informatie gedupliceerd Alle gegevens worden in de juiste volgorde afgeleverd Als een van deze problemen optreedt, corrigeert het protocol dit Voor de beschrijving van een protocol kan een Eindige automaat (Finite State Machine) gebruikt worden FSM geeft aan in welke toestanden de zender of ontvanger kan verkeren Wacht op een pakket Pakket ontvangen Zender en ontvanger hebben eigen FSM

15 Voorbeeld FSM (Dit is een volkomen willekeurig voorbeeld) wacht op pakket recv(pakket) antwoord verzonden pakket ontvangen antwoord gestuurd send(antwoord) Algemeen: conditie voor overgang acties bij overgang

16 Secretaresse Protocol Secretaresses versturen/ontvangen post voor hun bazen Baas Ahmed Bea Secr Sjaan Stefan Post virtuele communicatie

17 Secretaresse Protocol Secretaresses voegen betrouwbaarheid toe Baas Ahmed Bea Secr Sjaan Please confirm Message received Stefan Post virtuele communicatie

18 Simpel protocol met correctie In een simpel protocol stuurt de ontvanger een acknowledge (ACK) als een boodschap goed ontvangen is. Het is ook mogelijk een negatieve ack (NAK) te sturen als een boodschap verkeerd aankomt. We hebben een techniek nodig om te ontdekken dat er een (bit)fout is opgetreden: checksums (zie hoofdstuk 5) Bij een fout wordt het pakket opnieuw gestuurd Automatic Repeat request (ARQ)

19 Interactie met omliggende lagen De verzender krijgt data van de bovenliggende laag verzendt via onderliggende laag De ontvanger krijgt data van de onderliggende laag levert af aan de bovenliggende laag Baas Ahmed Bea Secr Sjaan Stefan Post virtuele communicatie

20 RDT (Reliable Data Transfer)

21 FSM s voor simpel protocol Verzender: rdt_send(data) snkpkt = make_pkt(data, checksum) udt_send(sndpkt) Wait for call from above Wait for ACK or NAK rdt_rcv(rcvpkt) && isnak(rcvpkt) udt_send(sndpkt) rdt_rcv(rcvpkt) && isack(rcvpkt)!

22 FSM s voor simpel protocol Ontvanger: 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)

23 Protocol zonder fouten rdt_send(data) snkpkt = make_pkt(data, checksum) udt_send(sndpkt) Wait for call from above rdt_rcv(rcvpkt) && isack(rcvpkt)! Wait for ACK or NAK rdt_rcv(rcvpkt) && isnak(rcvpkt) udt_send(sndpkt) 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)

24 Protocol met foutherstel rdt_send(data) snkpkt = make_pkt(data, checksum) udt_send(sndpkt) Wait for call from above Wait for ACK or NAK rdt_rcv(rcvpkt) && isack(rcvpkt)! rdt_rcv(rcvpkt) && isnak(rcvpkt) udt_send(sndpkt) 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)

25 ACK/NAK Problemen Dit protocol is FOUT!!

26 ACK/NAK Problemen Dit protocol is FOUT!! We veronderstellen voorlopig dat pakketten wel aankomen Wat gebeurt er als een ACK of NAK pakket verminkt raakt?

27 ACK/NAK Problemen Dit protocol is FOUT!! We veronderstellen voorlopig dat pakketten wel aankomen Wat gebeurt er als een ACK of NAK pakket verminkt raakt? Probleem: we weten niet of het een ACK of NAK is Dus: is ons datapakket wel of niet aangekomen? Als het pakket ten onrechte nog een keer gestuurd wordt dan is er een probleem

28 ACK/NAK Problemen Dit protocol is FOUT!! We veronderstellen voorlopig dat pakketten wel aankomen Wat gebeurt er als een ACK of NAK pakket verminkt raakt? Probleem: we weten niet of het een ACK of NAK is Dus: is ons datapakket wel of niet aangekomen? Als het pakket ten onrechte nog een keer gestuurd wordt dan is er een probleem Oplossing: Geef de pakketten volgnummers Ontvanger gooit een pakket weg als het hetzelfde volgnummer als de vorige heeft Volgnummers 0 en 1 zijn voldoende

29 FSM s met volgnummers en ACK/NAK (rdt2.1) Verzender rdt_rcv(rcvpkt) && notcorrupt(rcvpkt) && isack(rcvpkt)! rdt_rcv(rcvpkt) && ( corrupt(rcvpkt) isnak(rcvpkt) ) udt_send(sndpkt) rdt_send(data) sndpkt = make_pkt(0, data, checksum) udt_send(sndpkt) Wait for call 0 from above Wait for ACK or NAK 1 rdt_send(data) Wait for ACK or NAK 0 Wait for call 1 from above sndpkt = make_pkt(1, data, checksum) udt_send(sndpkt) rdt_rcv(rcvpkt) && ( corrupt(rcvpkt) isnak(rcvpkt) ) udt_send(sndpkt) rdt_rcv(rcvpkt) && notcorrupt(rcvpkt) && isack(rcvpkt)!

30 FSM s met volgnummers en ACK/NAK (rdt2.1) Ontvanger 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) rdt_rcv(rcvpkt) && notcorrupt(rcvpkt) && has_seq0(rcvpkt) extract(rcvpkt,data) deliver_data(data) sndpkt = make_pkt(ack, chksum) udt_send(sndpkt) Wait for 0 from below Wait for 1 from below rdt_rcv(rcvpkt) && notcorrupt(rcvpkt) && has_seq1(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_seq0(rcvpkt) sndpkt = make_pkt(ack, chksum) udt_send(sndpkt)

31 FSM s met ACKS met volgnummers (rdt2.2) Verzender rdt_rcv(rcvpkt) && notcorrupt(rcvpkt) && isack(rcvpkt,1)! rdt_send(data) sndpkt = make_pkt(0, data, checksum) udt_send(sndpkt) Wait for call 0 from above Wait for ACK1 Wait for ACK0 Wait for call 1 from above rdt_rcv(rcvpkt) && ( corrupt(rcvpkt) isack(rcvpkt,1) ) udt_send(sndpkt) rdt_rcv(rcvpkt) && notcorrupt(rcvpkt) && isack(rcvpkt,0)! rdt_rcv(rcvpkt) && ( corrupt(rcvpkt) isack(rcvpkt,0) ) udt_send(sndpkt) rdt_send(data) sndpkt = make_pkt(1, data, checksum) udt_send(sndpkt)

32 FSM s met ACKS met volgnummers (rdt2.2) Ontvanger rdt_rcv(rcvpkt) && notcorrupt(rcvpkt) && has_seq0(rcvpkt) extract(rcvpkt,data) deliver_data(data) sndpkt = make_pkt(ack,0, chksum) udt_send(sndpkt) rdt_rcv(rcvpkt) && (corrupt(rcvpkt) has_seq1(rcvpkt)) udt_send(sndpkt) Wait for 0 from below Wait for 1 from below rdt_rcv(rcvpkt) && (corrupt(rcvpkt) has_seq0(rcvpkt)) udt_send(sndpkt) rdt_rcv(rcvpkt) && notcorrupt(rcvpkt) && has_seq1(rcvpkt) extract(rcvpkt,data) deliver_data(data) sndpkt = make_pkt(ack,1, chksum) udt_send(sndpkt)

33 Samenvatting Transportlaag: multiplexing betrouwbaarheid (TCP) protocollen voor betrouwbaarheid met ACKs (ARQ) en volgnummers

34 Inhoud Reliable data transfer Protocol met foutherstel Protocol met verloren pakketten Sliding Window protocol TCP implementatie Flow control Congestiebeheer

35 Waar staan we nu? Behandeld protocol: Ieder pakket krijgt een volgnummer ACK s krijgen ook een volgnummer Ontvanger: Als een pakket goed aankomt wordt een ACK met hetzelfde volgnummer gestuurd Als een pakket verminkt aankomt wordt een ACK met het vorige volgnummer gestuurd Als twee keer hetzelfde volgnummer wordt ontvangen is dit een duplicaat......en wordt (weer) een ACK met dit volgnummer gestuurd

36 Mechanismen Verzender: Als een ACK met het verkeerde volgnummer wordt ontvangen wordt het laatste pakket nog een keer gestuurd ARQ = Automatic Repeat request Volgnummers: Omdat er telkens twee mogelijkheden zijn (nieuw pakket of duplicaat, en pakket goed of pakket fout ontvangen) hebben we slechts twee volgnummers nodig: afwisselend 0 en 1 Alternating bit protocol

37 Betrouwbare Overdracht Eisen: Er worden geen bits verkeerd doorgegeven Er raken geen stukken informatie kwijt Er wordt geen informatie gedupliceerd Alle gegevens worden in de juiste volgorde afgeleverd Als een van deze problemen optreedt corrigeert het protocol dit Tot nu toe zijn we alleen van verminkte pakketten uitgegaan. Maar er kunnen ook pakketten helemaal verloren gaan.

38 Protocol problemen 1. A B boodschap boodschap verdwijnt B kan niets doen want deze weet niet dat A iets gestuurd heeft. A moet dus op eigen houtje uitvinden dat er iets mis is gegaan.

39 Protocol problemen A B boodschap boodschap verdwijnt A B boodschap B kan niets doen want deze weet niet dat A iets gestuurd heeft. A moet dus op eigen houtje uitvinden dat er iets mis is gegaan. ACK ACK verdwijnt Ook nu moet A zelf uitvinden dat er iets verkeerd is gegaan.

40 Timeouts De manier om dit uit te vinden is: reageren als er niks terug komt (binnen een bepaalde tijd) Hoe lang moet je wachten? Op een fysieke lijn: Round Trip Tijd (RTT) In netwerk: moeilijk te schatten Protocol moet bestand zijn tegen te korte wachttijd Na elk verzonden bericht start een wekker Als wekker afloopt en er is geen ACK gekomen: verstuur opnieuw

41 Protocol met timeouts (rdt3.0) rdt_rcv(rcvpkt)! rdt_rcv(rcvpkt) && notcorrupt(rcvpkt) && isack(rcvpkt,1) stop_timer timeout udt_send(sndpkt) start_timer rdt_rcv(rcvpkt) && ( corrupt(rcvpkt) isack(rcvpkt,0) )! rdt_send(data) sndpkt = make_pkt(0, data, checksum) udt_send(sndpkt) start_timer Wait for call 0 from above Wait for ACK1 rdt_send(data) Wait for ACK0 Wait for call 1 from above sndpkt = make_pkt(1, data, checksum) udt_send(sndpkt) start_timer rdt_rcv(rcvpkt) && ( corrupt(rcvpkt) isack(rcvpkt,1) )! timeout udt_send(sndpkt) start_timer rdt_rcv(rcvpkt) && notcorrupt(rcvpkt) && isack(rcvpkt,0) stop_timer rdt_rcv(rcvpkt)!

42 Scenario s

43 Scenario s

44 Scenario s

45 Scenario s

46 Stop-and-wait vs. Pipelining De voorgaande protocollen heten stop-and-wait Bij lange vertragingen (t.o.v. transmissietijd) zeer onvoordelig: meeste tijd gaat zitten in wachten op ACK Beter: Pipelining (sliding window protocol) Stuur alvast volgende boodschappen ook al is er nog geen ACK

47 Stop-and-wait vs. Pipelining De voorgaande protocollen heten stop-and-wait Bij lange vertragingen (t.o.v. transmissietijd) zeer onvoordelig: meeste tijd gaat zitten in wachten op ACK Beter: Pipelining (sliding window protocol) Stuur alvast volgende boodschappen ook al is er nog geen ACK Het protocol wordt nu wel ingewikkelder: Nu bijhouden welke ACKs je al gehad hebt Meerdere buffers nodig Meer volgnummers Per verzonden bericht een timer Wat doe je als er een bericht verloren gaat?

48 Stop-and-wait Situatie: L = 8000 bits/pakket, R = 10 9 bps, RTT = 30 msec. bereken U = efficiëntie van het gebruik van de link

49 Pipelining

50 Sliding window protocol Wat doe je als er een bericht verloren gaat? In ieder geval het bericht nog eens sturen Twee keuzen alleen dat bericht herhalen in dat geval moet de ontvanger ingewikkelde administratie bijhouden alle volgende berichten ook herhalen ontvanger heeft het gemakkelijker Verzender moet dus een aantal verzonden berichten kunnen bewaren zolang nog geen ACK ontvangen is: dit heet het window Aanname Er is op elk moment een beperkt aantal geldige volgnummers beperkt aantal bits beperkt geheugen bij zender/ontvanger

51 Go Back N protocol Ontvanger wil pakketten alleen in goede volgorde ontvangen Ontvanger accepteert alleen pakket met eerstvolgende verwachte volgnummer Ontvanger heeft alleen geheugen voor één pakket nodig Ontvanger stuurt ACK van laatste correct ontvangen pakket Verzender accepteert ACK als acknowledge ook voor vorige pakketten (cumulatief) Bij probleem stuurt verzender alle pakketten na laatst geackte pakket

52 Go Back N protocol werking Verzender base=1 nextseqnum=1 rdt_rcv(rcvpkt) && corrupt(rcvpkt)!! 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) Wait rdt_rcv(rcvpkt) && notcorrupt(rcvpkt) base = getacknum(rcvpkt)+1 If (base == nextseqnum) stop_timer else start_timer timeout start_timer udt_send(sndpkt[base]) udt_send(sndpkt[base+1]) udt_send(sndpkt[nextseqnum-1])

53 Go Back N protocol werking Ontvanger rdt_rcv(rcvpkt) && notcurrupt(rcvpkt) && hasseqnum(rcvpkt,expectedseqnum) extract(rcvpkt,data) deliver_data(data) sndpkt = make_pkt(expectedseqnum,ack,chksum) udt_send(sndpkt) expectedseqnum++! expectedseqnum=1 sndpkt = make_pkt(0,ack,chksum) Wait default udt_send(sndpkt)

54 Selective Repeat protocol Ontvanger wil wel pakketten herordenen Ontvanger accepteert alle pakketten in het venster Ontvanger heeft geheugen voor N pakketten Ontvanger stuurt ACK van elk correct ontvangen pakket (ook reeds eerder geackte) Verzender accepteert ACK als acknowledge alleen voor pakket zelf Elk verzonden pakket moet eigen timer hebben Bij probleem stuurt verzender alleen pakket met timeout Venster wordt opgeschoven als er geen gaten in zijn Het is evt mogelijk om NAKs te gebruiken om een missend pakket te melden

55 Selective Repeat protocol

56 Hoeveel volgnummers nodig?

57 Hoeveel volgnummers nodig? Aantal volgnummers windowgrootte zender + windowgrootte ontvanger

58 TCP Implementatie TCP gebruikt volgnummers van 32 bits TCP is geen message passing maar byte stream daarom volgnummer = bytenummer (modulo 2 32 ) ACK nummer = eerstvolgend verwacht bytenummer bytestream wordt opgedeeld in segmenten O.S kan een maximale segmentgrootte definiëren Ontvanger slaat uit volgorde ontvangen segmenten meestal wel op (maar hoeft niet) Toch cumulatieve ACK (Go Back N maar met één segment hertransmissie) Na 4 keer dezelfde ACK wordt hertransmissie gedaan vóór de timeout (Fast Retransmit)

59 TCP segmenten

60 TCP hertransmissie

61 RTT schatting RTT: gaia.cs.umass.edu to fantasia.eurecom.fr EstimatedRTT = (1 α) EstimatedRTT + α SampleRTT RTT (milliseconds) time (seconnds) SampleRTT Estimated RTT

62 TCP flow control Flow control = zorgen dat ontvanger niet teveel te verwerken krijgt Basis ARQ protocol levert al flow control (vooral stop-and-wait) Verzending beperkt door venster Bij TCP vaste ontvangstbuffer in O.S. Vrije ruimte = ontvangstvenster Ontvanger zendt telkens de grootte van de vrije ruimte terug naar verzender (bijvoorbeeld in ACK of retourdata) Verzender mag niet meer zenden dan in venster past Uitzondering: als venstergrootte = 0 dan toch 1 byte zenden anders komt er misschien nooit meer een nieuwe venstergrootte

63 Flow control Zender Last Last Byte Byte Acked Sent 0 byte nummers Ontvanger Last Byte Read Last Byte Recvd RcvWindow 01 receive buffer LastByteSent LastByteAcked RcvWindow

64 TCP segmenten

65 TCP connect Beide kanten kiezen een begin-sequence nummer sequence-nummers worden zo gekozen dat kans klein is op duplicaat Bij opzetten van verbinding worden sequence nummers uitgewisseld De sequencenummers moeten geacknowledget worden (twee kanten op) Daarom 3-weg handshake

66 TCP connect

67 TCP disconnect Bij afsluiten moet elke kant afzonderlijk een afsluitbericht sturen (anders sluit de verbinding terwijl de ander nog niet klaar is) ACKs kunnen verloren gaan: Dan stuurt de andere kant nog een keer de FIN Een timeout voor het afsluiten.

68 TCP disconnect

69 TCP FSMs