Transmission Control Protocol/Slow‐Start

Slow‐Start

• Starte mit einem CongestionWindow der Länge MSS.
• Erhöhe CongestionWindow um eine MSS pro ACK. Somit wird das CongestionWindow pro RTT wie weit erhöht?

Warum heißt das eigentlich Slow‐Start?

Historischer Grund: In TCP‐Anfängen wurde zum Starten direkt mit einem großen CongestionWindow gestartet.

Wann beginnt und endet der Slow‐Start?

Wenn eine Verbindung neu hergestellt wurde.

• Setze CongestionWindow auf eine MSS
• Beginne Slow‐Start
• Wechsele in AdditiveIncrease sobald ein bestimmter
• Schwellwert (CongestionThreshold) überschritten wurde

Wenn ein Timeout stattgefunden hat

• CongestionThreshold = CongestionWindow/2 (man merkt sich also den CongestionWindow nach dem durch den Timeout ausgelösten MultiplicativeDecrease)
• Setze CongestionWindow auf eine MSS
• Beginne Slow‐Start
• Wechsele in AdditiveIncrease sobald der Schwellwert CongestionThreshold überschritten wurde

Ein Beispiel

Fast‐Retransmit

• ACKS sind kummulativ (d.h. bestätigen die bisher vollständig zusammenhängende Sequenz von Segmenten)
• Verlorene Sequenz führt zu „duplicate ACKs“.
• Fast‐Retransmit: Warte nicht auf Timeout, sondern reübertrage ein Segment, nach drei aufeinander folgenden Duplicate‐ACKs.

Die TCP‐Variante mit Fast‐Recovery

• Slow‐Start, wenn die TCP‐Verbindung neu aufgebaut wurde.
• Die Reübertragung wegen duplicate ACK lediglich CongestionWindow wie üblich halbieren.
• Aber keinen Slow‐Start, sondern gewöhnlichen AdditiveIncrease.

TCP‐Überlastvermeidung

Motivation

TCP implementiert Überlastkontrolle, d.h. erst, wenn Segmente auf den Routern verworfen werden, wird an den Quellen die in das Netz gesendete Last reduziert.

Die Idee von Überlastvermeidung

• Reduziere die an den Quellen erzeugte Last schon bevor die ersten Segmente (Pakete) an den Routern wegen voll gelaufener Queues verworfen werden.

TCP hat an den Quellknoten keine Mechanismen eingebaut, die eine solche Strategie unmittelbar ermöglicht. Man müsste hierzu TCP durch ein neues Protokoll ersetzen.

Idee: Router „gaukeln“ vorzeitig übergelaufene Queues vor, sodass die TCP‐Quellknoten auch vorzeitig die Last reduzieren und somit keine Überlast an den Routern auftreten kann.

Random‐Early‐Detection (RED)

Router berechnet regelmäßig die mittlere Queuelänge AvgLen anhand von gemessenen Queuelängensamples SampleLen:

Jeder Router hat ein MinThreshold und ein MaxThreshold. Bei Ankunft eines Paketes wird folgender Algorithmus ausgeführt:

if AvgLen <= MinThreshold
 speichere Paket in der Queue
else if AvgLen < MaxThreshold
 berechne Wahrscheinlichkeit p
verwerfe das Paket mit der Wahrscheinlichkeit p
else
 verwerfe das Paket immer

Berechnung der Drop‐Wahrscheinlichkeit

Bestimme die Wahrscheinlichkeit TempP zunächst in Abhängigkeit von AvgLen wie folgt:

D.h. zwischen MinThresh und MaxThresh als Formel:

Zähle die Anzahl count der nicht verworfenen Pakete während AvgLen zwischen MinThresh und MaxThresh war und berechne:

TCP‐Varianten

TCP erlaubt Implementationsvarianten

Send‐Policy

• Keine Festlegung wie lange und wieviel gepuffert wird, bevor ein Segment gesendet wird
• Abzuwägen ist: Response‐Zeit versus Overhead wegen Nachrichten‐Header

Deliver‐Policy

• Keine Festlegung, wie lange Segmente auf der Empfängerseite gepuffert werden, bevor diese an die Anwendung weiter gegeben werden
• Abzuwägen ist: Response‐Zeit versus Overhead wegen Processing in TCP‐ und User‐Software, sowie unnötige OS‐Interrupts

Accept‐Policy

• Keine Festlegung, wie mit Out‐of‐Order Segmenten umzugehen ist
• Zwei Optionen
  • Verwerfe Out‐of‐Order‐Segmente
  • Behalte alle Segmente, die in das Receive‐Fenster passen
• Abzuwägen ist: Aufwand für Puffer‐Verwaltung versus Netzlast

Retransmit‐Policy

• Keine Festlegung, wann ein gepuffertes und noch nicht bestätigtes Segment nochmals übertragen wird
• Mögliche Strategien:
  • First‐only: Ein Retransmit‐Timeout für das Segment am Anfang der Sende‐Queue (wenn Timeout stattfindet sende das erste Segment und setze den Timer erneut)
  • Batch: Sende alle Segmente erneut sobald der Retransmit‐Timeout stattfindet
  • Individuell: Ein Timer für jedes Segment in der Queue
• Abzuwägen ist:
  • First‐only: geringe Netzlast aber größere Verzögerung
  • Batch und Individuell: geringere Verzögerung bei höherer Netzlast

Acknowledge‐Policy

• Keine Festlegung, wann genau ein einkommendes Segment bestätigt werden muss
• Mögliche Strategien:
  • Immediate: sende leeres Segment (d.h. ohne Daten) mit Acknowledgement
  • Cummulative: Sammele Daten auf der Empfangsseite und sende Acknowledgement erst dann (allerdings: Persit‐Timer, um Acknowledgement nicht zu lange zu verzögern)
• Abzuwägen ist: Netzlast versus Verzögerung

Zusammengefasst

Im Rahmen der genannten Policies können TCP‐Varianten realisiert werden, die untereinander interoperabel sind.

Beispiele von TCP‐Varianten

TCP existiert/existierte in verschiedenen Varianten

TCP Tahoe

• Ursprüngliche TCP‐Implementierung des beschriebenen Congestion‐Control‐Mechanismus
• mit Ausnahme des Fast‐Recovery

TCP Reno

• Unter anderem wurde Fast‐Recovery hinzugefügt.

TCP Vegas

• Beobachtung der RTT auf den sendenden Knoten und proaktive Anpassung des CongestionWindows, um Congestion vorab zu vermeiden

Zusammenfassung

Die wichtigsten Internet‐Transportprotokolle

• UDP (keine Aufwertung des IP Best‐Effort‐Dienstes)
• TCP (zuverlässiger Byte‐Strom über IP)

Flusskontrolle und Überlastkontrolle

• Flusskontrolle findet Ende‐zu‐Ende statt
• Überlastkontrolle betrifft das ganze Netz

Design‐Merkmale

• Ende‐zu‐Ende‐Argument: realisiere Funktion auf der Schicht, in der diese komplett implementierbar ist
• TCP funktioniert nach dem Smart‐Sender/Dumb‐Receiver‐Prinzip

Weitere TCP‐Stärke

• TCP erlaubt Erweiterungen
• Hosts müssen sich einigen, welche Erweiterungen genutzt werden sollen
• Neue TCP‐Erweiterung erfordert damit nicht im ganzen Internet TCP komplett neu zu installieren

Unterscheidung zwischen Überlastkontrolle und Überlastvermeidung

Literatur

1. [PetersonDavie2007] Larry L. Peterson and Bruce S. Davie, „Computer Networks: A Systems Approach“, Edition 4, 2007