Systemy i sieci telekomunikacyjne
Wykład 7
Sieci i systemy telekomunikacyjne,2011-2012,
2011-2012
1
Tomasz Kacprzak - Wykład 8
User Datagram Protocol (UDP)
" Dwa podstawowe protokoły warstwy transportowej  UDP
and TCP.
" UDP jest protokołem prostym, bezpołączeniowym, bez
gwarancji niezawodnej transmisji danych
" Każda jednostka danych UDP jest transportowana
datagramem IP
" Nagłówek jest bardzo prosty, składa się tylko z 8 bajtów
" W transmisji jednostek danych UDP nie ma potwierdzeń
" Protokół szczególnie przydatny do takich transmisji, w
których najważniejsza jest szybkość
Sieci i systemy telekomunikacyjne,2011-2012,
2011-2012
2
Tomasz Kacprzak - Wykład 8
Format datagramu UDP
Source Port  Port y
ródłowy wskazuje na numer portu
procesu z
ródłowego (na komputerze inicjującym połączenie)
Destination Port - Port Docelowy numer portu procesu na
komputerze docelowym
Length  Długość UDP wskazuje długość datagramu włącznie
z nagłówkiem
Checksum  Suma Kontrolna UDP pole do użycia
opcjonalnie, zawiera sumę kontrolną datagramu UDP oraz kilku
pól z nagłówka pakietu IP: adresy IP, identyfikacja protokołu i
długość datagramu UDP
Sieci i systemy telekomunikacyjne,2011-2012,
2011-2012
3
Tomasz Kacprzak - Wykład 8
Transmission Control Protocol (TCP)
" TCP jest protokołem połączeniowym, znacznie bardziej
skompilkowanym niż UDP
" Tworzy niezawodny system transmisji na bazie zawodnego
protokołu IP
" Obsługuje powstające w trakcie transmisji błędy oraz
zawiera mechanizmy sterowania przepływem
" Podstawą niezawodności protokołu jest używanie
potwierdzeń odbioru każdego pojedynczego bajtu
wysłanego od nadawcy
" Jest stosowany do transmisji bez błędów, ale przy których
opóz
nienia nie odgrywają zasadniczej roli, np. FTP, Telnet,
WWW, e-mail.
Sieci i systemy telekomunikacyjne,2011-2012,
2011-2012
4
Tomasz Kacprzak - Wykład 8
TCP widziane jako połączenie klient-serwer
Duplex byte stream
Reliable, avoids
congesting network
Port A Port B
routers
ports
& .. & ..
TCP segments
IP packets
Network unreliable,
Host B: IP.2
congestable
Host A: IP.1
Sieci i systemy telekomunikacyjne,2011-2012,
2011-2012
5
Tomasz Kacprzak - Wykład 8
Format segmentu TCP
Sieci i systemy telekomunikacyjne,2011-2012,
2011-2012
6
Tomasz Kacprzak - Wykład 8
Source Port  Port y
ródłowy (16 bitów)
Destination Port  Port Docelowy (16 bitów)
Sequence Number  Numer Sekwencyjny (32 bity) dodatnia liczba
generowana przypadkowo na etapie nawiązania połączenia, która jest
zwiększana o jeden dla każdego przesyłane bajtu
Acknowledgment Number  Numer potwierdzenia (32 bity) odbiorca
potwierdza odbiór nadanej sekwencji bajtów przez ustawienie numeru
kolejnego oczekiwanego bajtu. Pole to jest aktywne tylko wtedy, gdy jest
ustawiony znacznik (flaga) ACK.
Sieci i systemy telekomunikacyjne,2011-2012,
2011-2012
7
Tomasz Kacprzak - Wykład 8
Data Offset  Długość Nagłówka (4 bity) wskazuje pozycję, w której w danym
segmencie zaczynają się dane
Reserved - Zarezerwowane (4 - 6 bitów) do użycia w przyszłości
URG  Flaga pola pilnych danych, wskazuje, że w segmencie są zawart ważne
dane
ACK  Flaga potwierdzenia
PSH  Flaga wskazująca na konieczność przesłania danych do aplikacji,
możliwie jak najszybciej
RST  Flaga przerwania połączenia, w przypadku błędu nie obsługiwanego
przez protokół, np. wyłączenie komputera odbiorcy
SYN  Flaga synchronizacji podczas nawiązywania nowego połączenia
FIN  Flaga końca połączeniai systemy telekomunikacyjne,2011-2012,
Sieci
2011-2012
8
Tomasz Kacprzak - Wykład 8
ECN, CWR  Flagi wykorzystywane do powiadamiania o zatorach w sieci
Window  Rozmiar Okna (16 bitów) Liczba bajtów, którą odbiorca jest w
stanie odebrać w danym momencie transmisji, tzn. rozmiar wolnej
przestrzeni bufora odbiorczego
Checksum  Suma Kontrolna (16 bitów), tak jak w UDP
Urgent Pointer  Wskaz
nik Pilnych Danych (16 bitów), wskazuje
przesunięcie ciągu danych, tzn. miejsce gdzie kończy się blok danych
pilnych
Option - Padding  opcje protokołu wraz z uzupełnieniem do całkowitej
liczby słów 32 bitowych.
Sieci i systemy telekomunikacyjne,2011-2012,
2011-2012
9
Tomasz Kacprzak - Wykład 8
Nawiązanie połączenie  procedura Three Way Handshake
Client Server
Klient wysyła
Serwer wysyła
segment z
1 step
segment SYN+ACK.
początkowym
SYN, SeqNo=88
numerem
Wskazuje, że odebrał
sekwencyjnym 88
bajt 88 bez błędu i
SYN+ACK, SeqNo=155, AckNo=89
podaje, że jego
2 step informacje zaczynają
się bajtem o numerze
Ostatecznie, Klient
sekwencyjnym 155
potwierdza odbiór
ACK, AckNo=156
3 step
bajtu 155
Koniec nawiązywania
czas
połączenia
Zaczyna się
transmisja danych
Sieci i systemy telekomunikacyjne,2011-2012,
2011-2012
10
Tomasz Kacprzak - Wykład 8
Potwierdzenia TCP
" Potwierdzenia odebranych danych są realizowane w sposób
skumulowany, tzn. dla bloku odebranej poprawnie sekwencji
segmentów
" Duplikaty potwierdzeń są wysyłane przez odbiorcę w
przypadku, gdy segmenty pojawiają się u odbiorcy nie po kolei
(out-of-order)
Sieci i systemy telekomunikacyjne,2011-2012,
2011-2012
11
Tomasz Kacprzak - Wykład 8
Sterowanie przepływem - Flow control
" TCP zawiera mechanizmy kontroli przepływu, w celu uniknięcia
szybkiego nadawania do wolnego komputera odbiorcy
" Każdy odbiorca przydziela skończoną przestrzeń bufora dla danego
połączenia
" Bajty odebrane bezbłędnie i we właściwej kolejności są umieszczane w
buforze odbiorcy, z którego są pobierane przez warstwy wyższe aplikacji
jak najszybciej
" Każdorazowo, gdy bufor jest zapełniony, należy wstrzymać nadawanie u
nadawcy
Server
Client
receiver
sender
application
duplex
Sieci i systemy telekomunikacyjne,2011-2012,
2011-2012
12
Tomasz Kacprzak - Wykład 8
Mechanizm przesuwnego okna - Sliding Window
" Odbiornik TCP receiver ustala zmienną Oferowane Okno
AdvertisedWindow w celu uzgodnienia szybkości transmisji
" Odbiornik określa również Okno Przeciążenia
CongestionWindow is na podstawie algorytmu unikania
przeciążeń w sieci
" Nadajnik TCP wybiera mniejszą wartość okna transmisji
spośród AdvertisedWindow i CongestionWindow
" Sterowanie przepływem TCP odbywa się metodą tzw.
Przesuwnego Okna Sliding Window.
Sieci i systemy telekomunikacyjne,2011-2012,
2011-2012
13
Tomasz Kacprzak - Wykład 8
Sliding Window
krok
Segments 1,2,3 have been sent and
acknowledged by the receiver. Segments
1 2 3 4 5 6 9 10 11 12 13 14 4,5,6 have alreadye been sent and the
7 8
1
Sender is waiting for acknowledgement.
Segments 7,8,9 are eligible to be sent.
Segments 7,8,9 have been sent and it is
1 2 3 4 5 6 9 10 11 12 13 14
2 waiting for acknowledgment for all
7 8
segments in the window.
Acknowledgment for segments 4 and 5
has been received. The Sliding Window
1 2 3 4 5 6 9 10 11 12 13 14
7 8
3
moves by two to the right, making
segments 10 and 11 eligible to be sent.
TCP process sends segments 10 and 11
1 2 3 4 5 6 9 10 11 12 13
4
7 8 14
and starts waiting for acknowledgment.
The right side of the Sliding Window moves when a segment is sent and the left
side moves when an acknowledgment is received.
Sieci i systemy telekomunikacyjne,2011-2012,
2011-2012
14
Tomasz Kacprzak - Wykład 8
Sterowanie przeciążeniem TCP
Congestion Control
Algorytm jest zbudowany na bazie następujących
mechanizmów:
1. Detekcja straty pakietów
2. Uruchomienie zegara retransmisji
3. Estymacja czasu transmisji  tam i z powrotem , Round
Trip Time
4. Mechanizm powolnego startu
5. Mechanizm sumacyjnego wzrostu i wielokrotnego spadku
- Additive Increase and Multiplicative Decrease (AIMD)
Sieci i systemy telekomunikacyjne,2011-2012,
2011-2012
15
Tomasz Kacprzak - Wykład 8
1. Detekcja utraty pakietów
" Do identyfikacji utraty pakietów stosuje się tzw. czas
zwłoki Timeouts obliczany dynamicznie
" Nadajnik TCP każdorazowo po wysłaniu bloku
segmentów ustawia zegar retransmisji
" Jeżeli segment potwierdzenia ACK nie nadejdzie przed
upływem czasu Timeouts , segment uznaje się za
stracony
" Timeouts powinien być większy niż RTT aby uwzględnić
czas opóz
nienia transmisji, propagacji, przetwarzania
nagłówków segmentów i generacji ACK przez protokół
Sieci i systemy telekomunikacyjne,2011-2012,
2011-2012
16
Tomasz Kacprzak - Wykład 8
2. Estymacja RTT
a) Estymatę RTT reprezentuje zmienna EstimatedRTT , która
jest obliczana na podstawie sondowania RTT połączenia 
zmienna SampleRTT
b) SampleRTT jest zdefiniowana jako czas upływający od
chwili kiedy segment TCP jest przekazany do pakietu IP do
chwili zarejestrowania potwierdzenia odbioru tego
segmentu
c) Wzór obliczania EstimatedRTT :
EstimatedRTT = (1-a� ) EstimatedRTT + a� SampleRTT
gdzie a� jest równe 0.125
d) Timeout jest obliczany ze wzoru:
timeout = EstimatedRTT + 4 deviation, gdzie:
deviation = (1-a� ) deviation + a� |SampleRT- EstimatedRTT|
Sieci i systemy telekomunikacyjne,2011-2012,
2011-2012
17
Tomasz Kacprzak - Wykład 8
3. Slow Start
" This algorithm probes the path load by
measuring the number of
acknowledgments.
1 segment
" The sender starts by transmitting one
RTT
segment and waiting for its ACK.
" When that ACK is received, the
congestion window is incremented from 2 segments
one to two, and two segments can be
sent.
" When each of those two segments is
acknowledged, the congestion window is
4 segments
increased to four.
" This provides an exponential growth,
although it is not exactly exponential
because the receiver may delay its
ACKs, typically sending one ACK for
every two segments that it receives.
Sieci i systemy telekomunikacyjne,2011-2012,
2011-2012
18
Tomasz Kacprzak - Wykład 8
Mechanizm unikania przeciążenia
Congestion avoidance
Są dwa symptomy utraty pakietów:
1. Przekroczenie Timeout
2. Odbiór wielokrotnych potwierdzeń ACKs
Mechanizmy unikania przeciążenia Congestion Avoidance i
powolnego startu Slow Start są mechanizmami niezależnymi o
różnych celach, ale w praktyce stosuje się je razem.
Congestion Avoidance i Slow Start wymagają utrzymywania dla
każdego połączenia TCP dwóch zmiennych:
- Okno przeciążenia, Congestion Window, cwnd
- Zakres powolnego startu, Slow Start Threshold Size,
ssthresh
Sieci i systemy telekomunikacyjne,2011-2012,
2011-2012
19
Tomasz Kacprzak - Wykład 8
Congestion avoidance
Congestion avoidance
Sieci i systemy telekomunikacyjne,2011-2012,
2011-2012
20
Tomasz Kacprzak - Wykład 8
Congestion avoidance
Congestion avoidance
region
ssthresh
Slow start
region
Round Trip Time RTT
Sieci i systemy telekomunikacyjne,2011-2012,
2011-2012
21
Tomasz Kacprzak - Wykład 8
Congestion Window cnwdw