Téléinformatique et Réseaux Séance 2 : TCP, contrôle de congestion

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1 Téléinformatique et Réseaux Séance 2 : TCP, contrôle de congestion Gille Gomand - ggo@info.fundp.ac.be - Bureau Introduction L objectif de ce TP est de décrire le contrôle de congestion effectué par TCP. Dans une première section, nous présenterons un bref rappel théorique de manière abstraite (TCP et son contrôle de congestion). Ensuite, dans la section 3, nous appliquerons ce qui a été vu dans la première partie sur un exemple concret. 2 Rappels théoriques 2.1 Base TCP est un protocole de la couche transport fournissant un service orienté-connexion, fiable, et en flux de bytes. Ce protocole a été présenté et défini dans plusieurs RFC 1 : 793, 1122, 1323, 2018 et Le concept "orienté-connexion" signifie que les deux extémités doivent d abord établir une connexion avant de pouvoir échanger des données. "Fiable" signifie que les données échangées via TCP arriveront tôt ou tard à la destination, i.e. TCP fournit un service sans pertes. Le service "en flux de bytes" signifie que les données échangées par les deux parties sont vues comme un flux continu de bytes, sans aucune distinction (i.e. pas d interprétation du contenu) entre les différents bytes dans une connexion. La figure 1 présente le format de l en-tête TCP. Figure 1 En-tête TCP. Une connexion TCP est divisée en deux phases bien distinctes (ouverture et fermeture) + le transfert de données. 1. Request For Comments, 1

2 2.1.1 Ouverture de connexion TCP utilise la technique du "three-way handshake" pour établir une connexion entre un client et un serveur, comme montré à la figure 2 : Figure 2 Ouverture d une connexion TCP. 1. L extrémité établissant la connexion (appelée normalement le client) émet un segment SYN spécifiant l adresse IP et le numéro de port du serveur avec lequel il veut se connecter, ainsi que l adresse IP, le numéro de port et numéro de séquence initial du client. C est le premier segment. 2. Le serveur répond avec son propre segment SYN contenant le numéro de séquence initial du serveur (deuxième segment). Dans le même segment, le serveur acquitte le SYN du client (en introduisant le numéro de séquence initial du client+1). Lorsque le client recevra ce segment, la connexion sera ouverte dans le sens client serveur. 3. Le client doit acquitter le segment SYN du serveur en envoyant un segment contenant le numéro de séquence initial du serveur+1 (troisième et dernier segment de l ouverture de connexion). Lorsque le serveur recevra ce segment, la connexion sera bi-directionnelle. Une connexion TCP est donc identifiée par un quadruplet <source IP, port source, destination IP, port destination>, est bi-directionnelle et l unité d information que TCP transmet est appelée un "segment". Tout segment transmis est identifié par un numéro de séquence qui le distingue de tous les autres segments émis par l émetteur. Ce numéro de séquence est encodé sur 32 bits dans l en-tête et est cyclique, c est-à-dire que le numéro suivant est Fermeture de connexion Tout comme l ouverture, la fermeture de connexion s effectue dans un sens puis dans l autre. Ceci est dû à la bi-directionnalité de TCP, ce qui implique que chaque direction peut être fermée indépendemment de l autre. La règle est que chaque extrémité peut envoyer un segment FIN lorsqu elle a terminé d envoyer ses données. La réception d un segment FIN par une extrémité signifie donc que cette extrémité ne recevra plus de segment de données durant la connexion TCP courante. Dans le cas de la figure 3, lorsque le serveur reçoit le premier segment, il sait que le client n enverra plus de données, mais il peut toujours envoyer des données dans l autre sens : serveur client. 2.2 Mécanismes de retransmission La couche réseau (IP) est non-fiable, ce qui veut dire qu il se peut que des paquets soient perdus. Afin d assurer la fiabilité, TCP possède deux techniques de retransmission de segments, l expiration d un temporisateur et la réception d ACK dupliqués. 2

3 Figure 3 Fermeture d une connexion TCP Temporisateur TCP maintient un temporisateur, RTO (Retransmission TimeOut), en attendant que l autre extrémité lui confirme la bonne réception du segment (ACK 2 ). Si la confirmation ne parvient pas à la source avant expiration du temporisateur, la source retransmet tous les segments déjà envoyés, à partir du premier non-acquitté (Go-Back-N). Le RTO a donc pour mission de borner supérieurement le temps dont la destination dispose pour acquitter un segment. Etant donné que ce temps est nécessairement supérieur au RTT (Round-Trip Time), et que le RTT peut varier pendant la durée d une connexion, TCP doit adapter dynamiquement la valeur de ce temporisateur. En pratique, un émetteur TCP ne connaît pas le RTT, mais doit l estimer. A cette fin, TCP mesure le temps entre l envoi d un segment et la réception de l ACK pour ce même segment, sachant que cette valeur ne reflète pas exactement celle du RTT. C est donc à partir de ces évaluations du RTT que le RTO peut être calculé via les équations suivantes : erreur(t) = rtt_mesure(t) - moyenne(rtt, t-1) moyenne(rtt, t) = moyenne(rtt, t-1) erreur(t) deviation(rtt,t) = deviation(rtt, t-1) [ erreur(t) -deviation(rtt, t-1)] RTO = moyenne(rtt, t) + 4 deviation(rtt, t) ACK dupliqués L autre technique de retransmission de paquets (Fast-Retransmit) ne se déclenche que lorsque la source reçoit 3 ACK dupliqués 3 avant l expiration du RTO. Dans ce cas-là, la source ne réémet que le segment que les ACK dupliqués demandent sans devoir réémettre tous les suivants (Selective Repeat). 2.3 Contrôle de congestion Principes de TCP : contrôle de congestion de bout-en-bout, i.e. ce qu il se passe entre la source et la destination est considéré comme black box, la vitesse de transmission est limitée par la taille de la fenêtre de congestion (cwnd), 2. Un acquittement ACK(X) signifie que le receveur a bien reçu tous les octets jusqu à celui dont le numéro de séquence est X-1. Mais pour des raisons de simplicité, nous maintiendrons l unité d échange TCP comme étant un segment. 3. Ces ACK dupliqués sont émis par la destination, vers la source, lorsqu elle reçoit des segments hors séquence. 3

4 la bande passante disponible est évaluée par sondage. Le principe du sondage consiste en les 3 points suivants : 1. objectif principal : transmettre le plus vite possible cwnd la plus grande possible (sans pertes), 2. augmenter cwnd jusqu à ce qu il y ait des pertes, 3. si pertes diminuer cwnd et recommencer le sondage. Pour son contrôle de congestion, TCP utilise 2 algorithmes : "slow start" et "congestion avoidance" ; ainsi que 2 variables : cwnd et ssthresh Slow start Principe : doubler le nombre de segments émis à chaque RTT (Fig 4). Algorithme slow start : ssthresh = octets; cwnd = MSS octets; slow_start() foreach (acquit_segment) do cwnd+mss; until (perte OR cwnd > ssthresh) Remarques : croissance exponentielle de cwnd, perte (expiration du timer lié à RTO) OU (acquits dupliqués). Figure 4 Phase slow-start. 4

5 2.3.2 Congestion avoidance La phase congestion avoidance commence une fois que la phase slow start est terminée (cwnd > ssthresh). Algorithme congestion avoidance : congest_avoid() until (perte) every acquit_segment do cwnd+(mss/cwnd); if (3 ACK dupliqués) ssthresh = max(cwnd/2, 2*MSS); cwnd = max(cwnd/2, 2*MSS); congest_avoid(); else ssthresh = max(cwnd/2, 2*MSS); cwnd = MSS; slow_start(); TCP utilise le principe AIMD (additive increase, multiplicative decrease) lors de la phase congestion avoidance : l augmentation de la fenêtre est additive alors que la diminution est multiplicative (comme illustré à la figure 5). Figure 5 Phase congestion avoidance 2.4 Mots-clés Afin de profiter au mieux de ce TP et d en tirer le maximum d enseignement, il est conseillé de connaître un minimum la signification des mots et acronymes suivants : TCP, RTT, RTO, MSS, congestion avoidance, 5

6 slow start, cwnd, sstresh. 3 Exercices Question 1 Questions (V/F) : 1. La taille de la fenêtre de réception (rwin) ne change jamais au cours d une connexion TCP? 2. Supposons qu un hôte A veuille envoyer des données à un hôte B via TCP. En même temps, B veut envoyer des données à A via TCP. Ils doivent donc ouvrir deux connexions différentes. 3. Dans TCP, le numéro d acquittement que l hôte met dans un segment est le numéro de séquence du prochain byte qu il s attend à recevoir de l émetteur? Dans cette partie, la question qui va nous intéresser sera celle du téléchargement d une page web. Nous allons donc étudier le temps que met TCP pour télécharger une page web de taille quelconque. Le téléchargement se passe en deux phases : 1. établissement de la connexion TCP, 2. transfert des données (on ne se préoccupe pas de la fermeture de connexion TCP). 3.1 Cas 1 : fenêtre de congestion statique Hypothèses : un lien entre le client et le serveur Web de débit R, fenêtre de congestion fixe (W segments), MSS = S bits, taille de l objet à transférer = O bits, pas de retransmissions. Deux cas sont possibles : soit l acquittement du premier segment arrive avant d avoir envoyé tous les segments de la fenêtre ( W S R > RT T + S W S R ) ou pas ( R < RT T + S R ). Question 2 Donnez le temps de téléchargement de l objet dans chacun des 2 cas. Aidez-vous des figures 6 et Cas 2 : fenêtre de congestion dynamique Supposons maintenant que la fenêtre croisse comme dans la phase slow start, que O S = 15 segments et que RT T = 2S R. Question 3 Quel est le temps de téléchargement de l objet si on ne passe jamais en phase de congestion avoidance? Aidez-vous de la figure 8. Supposons enfin que la fenêtre se comporte selon le fonctionnement normal TCP, c est-à-dire avec contrôle de congestion. Question 4 Quel est le temps de téléchargement si la taille maximale de la fenêtre du serveur est de 4? Question 5 Fixons maintenant RTO à 4 RTT et supposons que le segment 8 soit perdu. Dessinez le diagramme temporel d échange des 15 segments. Question 6 Même question que la précédente mais c est le segment 13 qui est perdu. Question 7 Supposons enfin que le ACK 6 soit reçu avec une indication ECN (Explicit Congestion Notification, RFC 2481 et 2884). Que se passe-t-il (dessinez le diagramme temporel)? 6

7 Figure 6 Cas W S R > RT T + S R Figure 7 Cas W S R < RT T + S R 7

8 initiate TCP connection request object RTT first window = S/R second window = 2S/R third window = 4S/R fourth window = 8S/R object delivered time at client time at server complete transmission Figure 8 Cas 2 8