Chương 4
Giao thức TCP
1
NỘI DUNG
m Cấu trúc segment
r Tổng quan Giao thức truyền tải hướng kết nối, TCP
Chương 4-Giao thức TCP
3-2
r Truyền tải số liệu tin cậy r Điều khiển luồng (flow control) r Quản lý liên kết r Kiểm soát nghẽn r Kiểm soát nghẽn TCP
Tổng quan TCP
r RFCs: 793, 1122, 1323, 2018,
r Song công hoàn toàn:
m Luồng số liệu chạy trên cả hai chiều của cùng kết nối
2581
r point-to-point:
(connection-oriented): m Bắt tay thông qua tra đổi
r Kết nối có hướng
m Một truyền và một thu r Tin cậy, giữ đúng thứ tự r Cơ chế ống dẫn (pipeline): m Kiểm soát nghẽn và điều
thông điệp điều khiển
m Máy phát không làm tràn
r Điều khiển luồng: khiển luồng, cài đặt cửa sổ
r Sử dụng bộ đệm truyền và
nhận
Ưng dụng đọc data
Ứng dụng ghi data
socket door
socket door
TCP bộ đệm thu
TCP bộ đệm truyền
segment
Chương 4-Giao thức TCP
3-3
bộ đệm máy thu
Cấu trúc TCP segment
32 bits
URG: urgent data, báo có data khẩn trong segment được chỉ ra bởi data pointer
Đếm theo byte số liệu
source port # dest port # sequence number
ACK: ACK # là hợp lệ
FSRPAU
Receive window
head len
PSH: chuyển data lên trên ngay
not used checksum
Urg data pointer
Số byte (# bytes) Máy thu sẵn sàng nhận
acknowledgement number
RST, SYN, FIN: Thiết lập kết nối
Options (chiều dài thay đổi)
Internet checksum (như UDP)
Chương 4-Giao thức TCP
3-4
Số liệu của ứng dụng (chiều dài thay đổi)
Chỉ số tuần tự và báo nhận ACK
(cid:1) TCP xem toàn bộ khối số liệu là một dòng các byte liên tục (cid:1) Chỉ số tuần tự trong mỗi segment là thứ tự trong dòng byte của
byte đầu tiên trong phần data của segment (cid:1) Chỉ số báo nhận ACK trong segment là chỉ số tuần tự của byte kế
tiếp trong dòng byte mà máy gửi segment này đang chờ.
Chương 4-Giao thức TCP
3-5
Ví dụ ứng dụng Telnet
Server
Client
Seq=42, ACK=79, data = ‘C’
User Gõ ký tự ‘C’
Nhận 'C' và truyền lại ‘C’
‘ C ’
d a t a =
A C K = 4 3 ,
S e q = 7 9 ,
Seq=43, ACK=80
Nhận 'C' và phản hồi với data trống
time
Giả sử client bắt đầu với tuần tự 42 Server bắt đầu với tuần tự 79
Chương 4-Giao thức TCP
3-6
Khái niệm: r Piggyback r Cumulative ACK
Tham số RTT và Timeout (1)
Tính RTT? r Đo lường thời gian từ khi truyền
Giá trị timeout? r Phải lớn hơn thời gian
segment đến khi nhận ACK r Thời gian này thay đổi--> trung
r Quá ngắn? r Quá dài?
Chương 4-Giao thức TCP
3-7
hành trình RTT (round trip time) m RTT thay đổi bình
Tham số RTT và Timeout (2)
r Exponential weighted moving average r Ảnh hưởng của mẫu quá khứ giảm nhanh theo hàm mũ r Giá trị tiêu biểu là: αααα = 0.125
Chương 4-Giao thức TCP
3-8
EstimatedRTT = (1- αααα)*EstimatedRTT + αααα*SampleRTT
Ví dụ
RTT: gaia.cs.umass.edu to fantasia.eurecom.fr
350
300
250
) s d n o c e s
i l l i
m
( T T R
200
150
100
1
8
15
22
29
36
43
50
57
64
71
78
85
92
99
106
time (seconnds)
SampleRTT
Estimated RTT
Chương 4-Giao thức TCP
3-9
Tham số RTT và Timeout (3)
Cài đặt timeout r EstimtedRTT cộng với “gia số an toàn”
m EstimatedRTT thay đổi nhiều -> gia số lớn hơn
r Trước hết xác định độ lệch của mẫu so với EstimatedRTT:
DevRTT = (1-ββββ)*DevRTT +
ββββ*|SampleRTT-EstimatedRTT|
(giá trị tiêu biểu ββββ = 0.25)
Sau đó gán giá trị timeout interval:
Chương 4-Giao thức TCP 3-10
TimeoutInterval = EstimatedRTT + 4*DevRTT
NỘI DUNG
m Cấu trúc segment
r Tổng quan Giao thức truyền tải hướng kết nối, TCP
Chương 4-Giao thức TCP 3-11
r Truyền tải số liệu tin cậy r Điều khiển luồng (flow control) r Quản lý liên kết r Kiểm soát nghẽn r Kiểm soát nghẽn TCP
Truyền số liệu tin cậy
r TCP thực hiện dịch vụ
r Việc truyền lại được
kích hoạt bởi: m Sự kiện timeout m Nhận ack trùng
r Các segment được chuyển
truyền số liệu tin cậy ngay trên dịch vụ chuyển datagram không bảo đảm IP
r Dùng báo nhận kiểu tích lũy đại diện (cumulative ack) r TCP dùng một bộ định thời
theo cơ chế ống dẫn (Pipeline)
Chương 4-Giao thức TCP 3-12
truyền lại
timeout: r Truyền lại segment gây
Các sự kiện phía TCP sender Nhận data từ ứng dụng: r Tạo segment với chỉ số tuần tự kế tiếp (seq #)
ra timeout
r Khởi động lại timer Nhận ACK: r Nếu ack cho các
segment cũ chưa có báo nhận m Cập nhật m Khởi động timer nếu còn
r Khởi động timer nếu chưa chạy (như cho segment cũ nhất chưa có báo nhận) r Khoảng thời gian timeout được gán: TimeOutInterval
Chương 4-Giao thức TCP 3-13
segment đang đợi
Các kịch bản truyền lại
Host A
Host B
Host A
Host B
Seq=92, 8 bytes data
Seq=92, 8 bytes data Seq=100, 20 bytes data
A C K = 1 0 0
=
0
2
K
t u o e m i t
1
C
A
t u o e m i t 2 9 = q e S
X loss
0 0 1 A C K = Seq=92, 8 bytes data
Seq=92, 8 bytes data
0
2
Sendbase = 100 SendBase = 120
1
A C K =
A C K = 1 0 0
t u o e m i t 2 9 = q e S
SendBase = 100
SendBase = 120
Timeout sớm
time
time
Mất ACK
Chương 4-Giao thức TCP 3-14
Kịch bản truyền lại (2)
Host A
Host B
Seq=92, 8 bytes data A C K = 1 0 0 Seq=100, 20 bytes data
t u o e m i t
X loss
A C K = 1 2 0
SendBase = 120
time
ACK tích lũy đại diện
Chương 4-Giao thức TCP 3-15
Phát sinh ACK
Đặc tả theo RFC 1122, RFC 2581
Hành vi tại máy thu
Sự kiện tại máy thu
Chậm ACK. Đợi segment kế trong 500ms. Nếu không có segment kế, gửi ACK
Segment đến đúng thứ tự với chỉ số mong đợi. Tất cả data đến chỉ số này đều đã được báo nhận
Gửi ngay một ACK đại diện báo nhận cho cả hai một lúc
Segment đến đúng thứ tự với chỉ số mong đợi. Một segment khác đang được xúc tiến báo nhận
Gửi ngay ACK trùng chỉ số để chỉ ra byte đang đợi kế tiếp
Segment đến không đúng thứ tự với chỉ số lớn hơn chỉ số mong đợi. Phát hiện mất segment
Gửi ngay ACK,báo chờ segment với byte bắt đầu tại chỗ thiếu đầu tiên
Segment đến bổ sung vào một phần hay toàn bộ số bị mất
Chương 4-Giao thức TCP 3-16
Truyền lại nhanh (Fast Retransmit)
đối dài: m Chậm truyền lại segment
r Khoảng time out tương
bị mất
r Phát hiện mất segment
qua ACK trùng. m Sender gửi nhiều segment liên tiếp
m Nếu segment bị mất sẽ có nhiều ACK trùng.
Chương 4-Giao thức TCP 3-17
r Nếu máy phát nhận 3 ACK trùng cho cùng data, xem như segmnet kế tiếp đã bị mất: m Truyền lại nhanh : truyền lại trước khi timer hết hạn
Host A
Host B
X
Truyền lại lần 2
t u o e m i t
time
Truyền lại sau khi nhận ba ACK trùng
Chương 4-Giao thức TCP 3-18
Giải thuật truyền lại nhanh:
sự kiện: nhận ACK , với giá trị ACK cho y if (y > SendBase) { SendBase = y if (có các segment vẫn chưa được báo nhận)
start timer
} else {
tăng số đếm ACK nhận cho y if (nếu số đếm ACK nhận cho y = 3) {
truyền lại segment với số tuần tự y
}
Truyền lại nhanh
Một ACK trùng cho segment được báo nhận
Chương 4-Giao thức TCP 3-19
NỘI DUNG
m Cấu trúc segment
r Tổng quan Giao thức truyền tải hướng kết nối, TCP
Chương 4-Giao thức TCP 3-20
r Truyền tải số liệu tin cậy r Điều khiển luồng (flow control) r Quản lý liên kết r Kiểm soát nghẽn r Kiểm soát nghẽn TCP
Điều khiển luồng (Flow Control
thu:
r Máy thu có bộ đệm
r Điều chỉnh tốc độ phù hợp: tốc độ truyền và tốc độ lấy data
Data trong bộ đệm
Vùng trống
Quá trình ứng dụng
Data từ IP
Điều khiển luồng
làm nhiệm vụ không để cho máy phát làm tràn bộ đệm thu vì truyền quá nhiều, quá nhanh
thể chậm lấy data từ bộ đệm thu để xử lý
Chương 4-Giao thức TCP 3-21
r Quá trình ứng dụng có
Hoạt động điều khiển luồng
r Máy thu quảng cáo
Data trong bộ đệm
Vùng trống
Quá trình ứng dụng
Data từ IP
khoảng trống bằng cách gắn giá trị RcvWindow trong segment
(giả sử máy thu loại bỏ các segment không đúng thứ tự)
r Máy phát giới hạn số data chưa báo nhận trong phạm vi RcvWindow m Đảm bảo máy thu không
bị tràn
r Khoảng trống trong bộ đệm = RcvWindow = RcvBuffer-[LastByteRcvd -
Chương 4-Giao thức TCP 3-22
LastByteRead]
NỘI DUNG
m Cấu trúc segment
r Tổng quan Giao thức truyền tải hướng kết nối, TCP
Chương 4-Giao thức TCP 3-23
r Truyền tải số liệu tin cậy r Điều khiển luồng (flow control) r Quản lý liên kết r Kiểm soát nghẽn r Kiểm soát nghẽn TCP
Quản lý liên kết TCP (1/5)
Bắt tay ba bước:
Nhắc lại: máy phát và máy thu tạo cầu nối trước khi truyền data r Khởi tạo các biến:
m seq. #s m buffers, flow control (ví
Bước 1: client gửi TCP SYN segment đến server m Chỉ ra seq # ban đầu m Không có data
m server cấp phát bộ đệm m Chỉ ra seq # ban đầu Bước 3: client nhận SYNACK,
Bước 2: server nhận SYN, phản dụ RcvWindow) hồi SYNACK segment
Chương 4-Giao thức TCP 3-24
phản hồi ACK segment, có thể chứa data
Quản lý liên kêt TCP (2/5): Bắt tay ba bước
Chương 4-Giao thức TCP 3-25
Quản lý liên kết TCP(3/5)
client
server
Thủ tục hủy kết nối:
close
FIN
Step 1: client gửi TCP FIN
A C K
close
F I N
Step 2: server nhận FIN, phản hồi ACK. Tiến hành đóng kết nối và gửi FIN.
ACK
t i a w d e m i t
closed
Chương 4-Giao thức TCP 3-26
đến server
Quản lý liên kết (4/5)
client
server
Step 3: client nhận FIN,
closing
FIN
m Vào trạng thái “timed wait” - gửi ACK cho server (báo nhận FIN)
A C K
closing
F I N
Step 4: server nhận ACK,
phản hồi ACK.
ACK
closed
t i a w d e m i t
closed
Chương 4-Giao thức TCP 3-27
cắt kết nối thực sự.
Quản lý liên kết TCP (5/5)
Chu kỳ của TCP server
Chương 4-Giao thức TCP 3-28
Chu kỳ của TCP client
NỘI DUNG
m Cấu trúc segment
r Tổng quan Giao thức truyền tải hướng kết nối, TCP
Chương 4-Giao thức TCP 3-29
r Truyền tải số liệu tin cậy r Điều khiển luồng (flow control) r Quản lý liên kết r Kiểm soát nghẽn r Kiểm soát nghẽn TCP
Kiểm soát nghẽn
Hiện tượng nghẽn: r Thông thường: “quá nhiều nguồn gửi quá nhiều data và quá nhanh vào mạng, quá khả năng chịu đựng” r Một khía cạnh khác biệt với điều khiển luồng, điều
khiển luồng chỉ giải quyết phần ngọn!
m Mất gói (bộ đệm tại node bị tràn) m Quá trễ (xếp hàng dài trong bộ đệm tại node) r Một trong 10 vấn đề hàng đầu của mạng!
Chương 4-Giao thức TCP 3-30
r Các biểu hiện của nghẽn:
Nguyên nhân và phí tổn: kịch bản 1
Host A
λout
λin : số liệu nguồn
receiver
Host B
Bộ đệm đầu ra không giới hạn
r hai sender, hai
r Một router, bộ đệm vô hạn
r Không truyền lại
nghẽn
r Quá trễ khi
lượng
Chương 4-Giao thức TCP 3-31
r Tối đa thông
Nguyên nhân và phí tổn: kịch bản 2
Host A
λout
λin : số liệu nguồn
λ'in : số liệu nguồn+ data truyền lại
Host B
Bộ đệm hữu hạn
Chương 4-Giao thức TCP 3-32
r Một router, bộ đệm hữu hạn r sender truyền lại gói bị mất
Nguyên nhân và phí tổn: kịch bản 2 r Luôn luôn:
λ
λ
λ
λ
= in
> in
λ
r Truyền lại các gói trễ (không mất) làm cho tải đầu vào lớn hơn
out r Chỉ truyền lại khi mất: out
in
λ
R/2
R/2
R/2
R/3
R/4
t u o λ
t u o λ
t u o λ
R/2
R/2
R/2
λin
λin
λin
b.
c.
a. Phí tổn do nghẽn: r Truyền lại quá nhiều r Truyền lại không cần thiết: liên kết mang quá nhiều bản sao của
Chương 4-Giao thức TCP 3-33
so với truyền lại khi mất có cùng out
gói
Nguyên nhân và phí tổn: kịch bản 3 (1/2)
Điều gì xảy ra khi
và
λ λ gia tăng? in
r Bốn sender r Các đường đi qua nhiều node r timeout/truyền lại
Host A
λout
λin : data nguồn λ'in : data nguồn + data truyền lại
Bộ đệm hữu hạn
Host B
Chương 4-Giao thức TCP 3-34
in
Nguyên nhân và phí tổn: kịch bản 3 (2/2)
λ o u
t
H o s t A
H o s t B
Phí tổn khác: r Khi gói bị hủy, bất kỳ dung lượng truyền lên nào cho
gói đều là lãng phí!
Chương 4-Giao thức TCP 3-35
Các giải pháp
Network-assisted
End-end congestion
control:
congestion control: r Các router thông báo cho
r Không có phản hồi tường
minh từ mạng
r Các host xét triệu chứng
host m Bit chỉ định nghẽn
m Tốc độ nào sender nên
(SNA, DECbit, TCP/IP ECN, ATM) mất gói và trễ r TCP dùng cách này
Chương 4-Giao thức TCP 3-36
truyền vào lúc nào
NỘI DUNG
m Cấu trúc segment
r Tổng quan Giao thức truyền tải hướng kết nối, TCP
Chương 4-Giao thức TCP 3-37
r Truyền tải số liệu tin cậy r Điều khiển luồng (flow control) r Quản lý liên kết r Kiểm soát nghẽn r Kiểm soát nghẽn TCP
Kiểm soát nghẽn trong TCP
r Giải pháp: tăng tốc độ truyền (window size), thăm dò băng thông
m multiplicative decrease: giảm cửa sổ đi một nửa CongWin khi
hữu dụng cho đến khi xảy ra mất gói m additive increase:tăng CongWin lên 1 MSS sau mỗi RTT (nhận được báo nhận) cho đến khi phát hiện mất data
congestion window
i
24 Kbytes
thấy mất data
16 Kbytes
i
8 Kbytes
e z s w o d n w n o i t s e g n o c
time time
Chương 4-Giao thức TCP 3-38
Thăm dò băng thông
Chi tiết kiểm soát nghẽn trong TCP
Nhận thức nghẽn: r Sự kiện mất= timeout
r Máy phát giới hạn truyền theo: LastByteSent-LastByteAcked ≤≤≤≤ CongWin
hay 3 ack trùng r Máy phát giảm tốc
r Sơ bộ,
(CongWin) sau một sự kiện mất Ba cơ chế:
m AIMD: additive
rate = Bytes/sec CongWin RTT
r CongWin là động,thay đổi theo tình trạng nghẽn của mạng (hàm số của nghẽn)
increase-multiplicative decrease m slow start m Đàm phán sau các sự
Chương 4-Giao thức TCP 3-39
kiện timeout
TCP Slow Start (1/2)
MSS m Ví dụ: MSS = 500 bytes
r Khi bắt đầu, CongWin = 1
và RTT = 200 msec m Tốc độ khởi động = 20
kbps
r Băng thông khả dụng có lẻ lớn hơn nhiều so với MSS/RTT m Muốn nhanh chóng đạt tốc
Chương 4-Giao thức TCP 3-40
độ cao nhất có thể
TCP Slow Start (2/2)
Host A
Host B
1 segment
T T R
2 segments
chóng theo hàm mũ cho đến khi phát hiện sự kiện mất data đầu tiên: m Gấp đôi CongWin sau
r Gia tăng tốc độ nhanh
m Được thực hiện sau mỗi
mỗi RTT
4 segments
lần nhận ACK
time
Chương 4-Giao thức TCP 3-41
r Tóm lại: tốc độ ban đầu chậm nhưng tăng nhanh theo hàm mũ
Hiệu chỉnh (1/2)
Hiệu chỉnh cửa sổ nghẽn và tốc độ tăng kích thước tùy theo triệu chứng (sự kiện chỉ thị) nghẽn r Sau 3 ACK trùng: m CongWin giảm 1/2 m Sau đó window tăng tuyến
Lý do tính
(cid:1) 3 ACK trùng có lẻ mạng còn có khả năng chuyển phát segment (cid:1) timeout tín hiệu của tình trạng nghẽn
r Sau sự kiện timeout: m CongWin = 1 MSS; m window tăng theo hàm mũ m Đến ngưỡng (Threshold) sẽ
Chương 4-Giao thức TCP 3-42
tăng tuyến tính
Hiệu chỉnh (2/2)
Câu hỏi đặt ra: khi
nào nên chuyển từ tăng theo hàm mũ sang tăng theo tuyến tính?
Thực hiện: r Dùng ngưỡng (Threshold) r Khi có sự kiện nghẽn, gán Threshold = CongWin/2 (giá trị cửa sổ nghẽn hiện hành ngay trước khi có timeout)
Chương 4-Giao thức TCP 3-43
Khi CongWin đạt 1/2 giá trị của nó trước khi có timeout xảy ra
Tóm tắt giải thuật kiểm soát nghẽn của TCP
start , cửa sổ tăng nhanh theo hàm mũ.
r Khi CongWin < Threshold, máy phát chạy slow-
r Khi CongWin > Threshold, máy phát chạy theo congestion-avoidance, cửa sổ tăng tuyến tính.
sổ hiện hành và gán lại cửa sổ bằng ngưỡng (=1/2 cửa sổ hiện hành.
r Khi có 3 ACK trùng nhau, gán ngưỡng bằng 1/2 cửa
lại CongWin = 1 MSS.
Chương 4-Giao thức TCP 3-44
r Khi có timeout gán ngưỡng bằng CongWin/2 và gán
Chương 4-Giao thức TCP 3-45
HẾT CHƯƠNG 4
Chương 4-Giao thức TCP 3-46
