Transmission Control Protocol/Überlastungskontrolle

Überlastungskontrolle

Bei Paketvermittelten Netzen kann es zu Überlastung kommen
Beim Zielhost
Innerhalb des Netzwerkes
Lösungen

Änderung der Fenstergröße

Congestion Windows Size (Größe des Überlastungsfensters)
Die tatsächliche Segmentgröße ist ein Limit aus beiden Werten

Slow Start with Congestion Avoidance

Beim Verbindungsaufbau wird das Überlastungfenster auf die Größe eines Segmentes gesetzt
Kommen die Quittungen des versandten Segmentes ohne Timeout an, wird die Größe des Überlastungsfensters verdoppelt
Dies geschieht bis zum Schwellenwert von 64 KByte
Danach pro erfolgreichem Sende- und Empfangszyklus um jeweils eine Segmentgröße
Dieser Algorithmus ist für zuverlässige Verbindungen konzipiert und sollte z. B. bei WLANs deaktiviert werden
Dort verringert er stark die effektive Bandbreite

Überlaststeuerung/Staukontrolle (Congestion Control)

Wird eine Verbindung stark belastet, werden immer mehr Pakete verworfen
Durch die Wiederholung steigt wiederum die Belastung, dies sorgt (ohne Maßnahmen) für einen Datenstau
Die Verlustrate wird von einem IP-Netzwerk ständig beobachtet
Normalerweise wird eine TCP/IP-Verbindung langsam gestartet (Slow-Start) und die Senderate schrittweise erhöht, bis zum Datenverlust
Ein Datenverlust verringert die Senderate, ohne Verlust wird sie wiederum erhöht

Algorithmus zur Überlaststeuerung

Gehen bei einer bestimmten Fenstergröße Pakete verloren, kann das festgestellt werden, wenn der Sender innerhalb einer bestimmten Zeit (Timeout) kein ACK erhält

Man muss davon ausgehen, dass das Paket aufgrund zu hoher Netzlast von einem Router im Netz verworfen wurde (Stau im Netz)
Um den Stau aufzulösen, müssen alle beteiligten Sender ihre Netzlast reduzieren

Dazu werden im RFC 2581 vier Algorithmen definiert:

slow start
congestion avoidance
fast retransmit
fast recovery

slow start und congestion avoidance werden zusammen verwendet
fast retransmit und fast recovery werden zusammen verwendet, sind eine Erweiterung von slow start und congestion avoidance

Slow Start Slow Start und Congestion Avoidance

Grafische Darstellung des Slow-Start-Algorithmus

Der Slow-Start-Algorithmus dient zur Bestimmung des congestion window
Da die momentane Auslastung des Netzes nicht bekannt ist, wird mit kleinen Datenmengen begonnen

Der Algorithmus startet mit einem kleinen Fenster, von einer Maximum Segment Size (MSS), in dem Datenpakete vom Sender zum Empfänger übertragen werden
Der Empfänger sendet ACK an den Sender zurück
Für jedes empfangene ACK wird die Größe des congestion window um eine MSS erhöht
- Dies führt innerhalb einer Roundtrip-Zeit zu einer Verdopplung des Congestion Windows
Dieses exponentielle Wachstum wird so lange fortgesetzt, bis der Slow-Start Threshold erreicht wird
- Die Phase des exponentiellen Wachstums wird auch Slow Start Phase genannt
Danach wird das Congestion Window nur noch um eine MSS erhöht, wenn alle Pakete aus dem Fenster erfolgreich übertragen wurden
- Es wächst pro Roundtrip-Zeit nur noch um eine MSS, also nur noch linear
  - Diese Phase wird als Congestion Avoidance Phase bezeichnet
- Das Wachstum wird beendet, wenn das vom Empfänger festgelegte Empfangsfenster erreicht worden ist

Kommt es zu einem Timeout, wird das congestion window auf 1 zurückgesetzt, der slow-start threshold wird auf die Hälfte der gesendeten, unquittierten Pakete herabgesetzt (Flight Size)

Die Phase des exponentiellen Wachstums wird also verkürzt
Das Fenster wächst bei häufigen Paketverlusten nur langsam

Fast-Retransmit und Fast-Recovery

Werden eingesetzt, um nach Paketverlust schneller auf die Stau-Situation zu reagieren
Empfänger informiert den Sender, wenn Pakete außer der Reihe ankommen und somit dazwischen ein Paketverlust vorliegt
Der Empfänger bestätigt das letzte korrekte Paket erneut für jedes weitere ankommende Paket außer der Reihe
Man spricht dabei von Dup-Acks (duplicate acknowledgments)
- Mehrere aufeinanderfolgende Nachrichten, welche dasselbe Datensegment ACKen
Der Sender bemerkt die duplizierten ACKS, und nach dem dritten Duplikat sendet er sofort, vor Ablauf des Timers, das verlorene Paket erneut
- Da nicht auf den Timerablauf gewartet werden muss, heißt das Prinzip Fast Retransmit
Dup-Acks: auch Hinweise darauf, dass ein Paketverlust stattfand, dennoch die folgenden Pakete angekommen sind
Das Sendefenster wird nach dem Fehler nur halbiert (kein Slow-Start)

Zusätzlich kann das Sendefenster noch um die Anzahl der Dup-Acks erhöht werden

Jedes Dup-Ack steht für ein weiteres Paket, welches den Empfänger erreicht hat
Dadurch kann nach dem Fehler schneller wieder die volle Sendeleistung erreicht werden
Das Prinzip nennt man Fast-Recovery

Verwaltung der TCP-Verbindungen als endlicher Automat