Pokročílí 21: Prenos dát v TCP protokole¶

Pokračujeme vo vysvetľovaní TCP a dnes sa zameriame na proces prenášania dát.

Prúd údajov¶

Dáta v TCP protokole nie sú prenášané ako správy, ale bajty sa medzi klientom a serverom prenášajú ako prúd údajov. To znamená, že dáta nemajú začiatok a koniec a je jedno, ako ich pri prenášaní rozkúskujeme. Pri TCP sa pošlú v nasledujúcich príkladoch úplne rovnaké dáta:

sock.sendto(b"HELLO WORLD", addr)

sock.sendto(b"HELLO ", addr)
sock.sendto(b"WORLD", addr)

sock.sendto(b"HEL", addr)
sock.sendto(b"LLO W", addr)
sock.sendto(b"O", addr)
sock.sendto(b"RLD", addr)

Vo všetkých prípadoch druhej strane postupne prídu dáta HELLO WORLD. Pri prijímaní sa dáta taktiež nemusia načítať hneď všetky naraz. Hlavne pri veľkých dátach nám funkcia sock.recvfrom() vráti iba časť dát a musíme ju volať opakovane.

recv() vracia „koľko je práve dostupné“, nie „celú správu“!

TCP teda neposiela správy, nerieši začiatok a koniec jednotlivého posielania. TCP sa iba postará o to, aby všetky bajty dorazili a aby prišli v správnom poradí.

Aplikácie nad TCP tento problém riešia buď tak, že správy majú pevný počet bajtov, alebo si určia znak konca správy, napr. \n.

Segmantácia¶

TCP nám ponúka nekonečný prúd bajtov, reálna sieť však stále pracuje s packetami a správami. TCP teda musí nejako tento prúd údajov rozkúskovať na menšie časti, a tie posielať po sieti. TCP správa sa volá TCP segment.

Rozdelenie dát na segmenty - tzv. segmentáciu - si vysvetlíme na príklade. Majme nasledovný kód, ktorý posiela väčšiu správu:

sock.sendall(b"""Lorem ipsum dolor sit amet, consectetur adipiscing elit, 
sed do eiusmod tempor incididunt ut labore et dolore magna aliqua. 
Ut enim ad minim veniam, quis nostrud exercitation ullamco laboris 
nisi ut aliquip ex ea commodo consequat. Duis aute irure dolor in 
reprehenderit in voluptate velit esse cillum dolore eu fugiat nulla
 pariatur. Excepteur sint occaecat cupidatat non proident, sunt in 
 culpa qui officia deserunt mollit anim id est laborum.""")

Pre názornosť sa zameriame na začiatok správy.

Dáta, ktoré chceme poslať cez TCP spojenie

Všetky dáta v prúde - streame - sa očíslujú, aby bolo pri posielaní možné zachovať poradie.

Potom sa dáta rozkúskujú. Veľkosť jednotlivého kúsku je daná nastaveniami siete, v praxi dosahuje okolo 1kB. V nasledujúcom obrázku sú kúsky farebne oddelené.

Z takto rozkúskovaných dát sa potom vytvoria segmenty. Každý segment má v sebe číslo sekvencie, ktoré určuje poradie prvého bajtu v danom segmente. Pomocou tohto vieme potom zoradiť aj jednotlivé segmenty a nevadí, ak sa po ceste internetom vymení poradie segmentov.

Každý segment má svoje poradie - poradie prvého bajtu v segmente

Dáta, ktoré chceme poslať sme si teda zabalili do segmentov a máme tak zoznam segmentov, ktorý budeme posielať po sieti druhej strane.

Odosielateľ zoberie každý jeden segment a postupne ich posiela druhej strane. Keďže TCP protokol zaručuje spoľahlovosť, druhá strana na každý jeden prijatý segment musí odpovedať ACK správou, ktorá informuje odosielateľa, že segment bol úspešne doručený!

Posuvné okno¶

Ak by odosielateľ čakal na ACK odpoveď pred tým, ako by poslal ďalší segment, tak by to trvalo veľmi dlho a posielanie by bolo veľmi pomalé. TCP teda neposiela segmenty jeden po druhom, ale pošle vždy viacero segmentov naraz. Segmenty, ktoré sa práve posielajú tvoria tzv. okno, anglicky window.

TCP posiela viacero segmentov naraz - červený obdĺžnik

Akonáhle prijímateľ potvdí prijatie segmentu, tak sa okno posunie a do okna sa dostanú ďalšie segmenty, ktoré sa pošlú.

Ak prijímateľ potvrdí prijatie segmentu, okno sa posunie

Nové segmenty, ktoré sa dostanú do okna, sa pošlú

Postupne sa tak okno posúva zoznamom segmentov. Úspešne odoslané segmenty môže odosielateľ vymazať zo svojej pamäte. Nové dáta vygenerujú nové segmenty, ktoré sa pripoja na koniec zoznamu, ktorým prechádza okno.

d10 — Okno postupne prejde všetkými dátami, ktoré sa majú odoslať

Retransmisia stratených segmentov¶

TCP teda vyžaduje, aby na každý odoslaný segment prijímateľ zareagoval potvrdzovacou ACK správou. Čo však, ak sa po ceste správa alebo segment stratí?

Prijímateľ vždy odošle ACK potvrdenie s informáciou o poradí, ktoré bajty už má úspešne prijaté. Ak nejaké segmenty neprídu, prijímateľ bude stále potvrzovať iba to poradie, ktoré má prijaté. To platí aj keď prídu ďalšie segmenty; prijímateľ ich bude ignorovať.

ACK správa s číslom 100 znamená, že prijímateľ úspešne prijal všetky bajty očíslované 0 až 99 a je pripravený prijať bajty od čísla 100

strateny segment — Segment s číslom 100 sa stratí, Stanica B posiela ACK 100, aj keď prišli ďalšie segmenty

Pri strate TCP segmentu odosielateľ odošle pôvodny segment ešte raz. Bude ho odosielať až kým prijímateľ nepotvrdí, že ho dostal. Tento proces sa nazýva retransmisia. To, že došlo k strate segmentu odosielateľ zistí dvoma spôsobmi:

Segment je považovaný za stratený, ak neprišla ACK odpoveď do určitého času (timeout).
Prijímateľ poslal štyri rovnaké ACK odpovede (tri duplikáty). To znamená, že mu nejaký segment neprišiel a žiada o opätovné odoslanie

Flow control¶

Posielaním segmentov v tzv. okne sa zrýchli prenos dát. Aké veľké okno má byť? Touto problematikou sa venuje tzv. Flow Control.

TCP Flow Control (riadenie toku dát) je mechanizmus, ktorý zabezpečuje, aby odosielateľ (sender) neposielal dáta rýchlejšie, než ich dokáže príjemca (receiver) spracovať.

Hlavný cieľ: zabrániť preplneniu buffera na strane príjemcu (receiver buffer overflow).

Ako to funguje? Príjemca v každom ACK pakete informuje, koľko bajtov je ešte chopný prijať (koľko má miesta vo svojom receive bufferi). Táto hodnota sa volá Receiver Window (rwnd, receive window). Sender smie poslať maximálne toľko bajtov, koľko je rwnd.

Ak prijímateľ z nejakého dôvodu nie je schopný prijímať dáta, alebo chce prijímanie pozastaviť, nastaví rwnd na nulu. Tento stav sa označuje ako zero window, pretože posuvné okno posielania sa nastaví na 0.

Back pressure¶

hold up

TCP Flow control je príklad implementácie tzv. back pressure.

„Nenos mi viac tanierov, mám plný dres.“

Backpressure (tlak späť, spätný tlak) je mechanizmus v systémoch spracovania dát (najmä v asynchrónnych, streamovacích a distribuovaných systémoch), ktorý zabezpečuje, aby rýchlejší producent dát nepreťažil pomalšieho konzumenta.

Backpressure je spôsob, ako systém sám sebe povie „spomaľ, lebo nestíham“ – a tým zabraňuje pádom, strate dát a explózii pamäte v situáciách, keď producent je rýchlejší ako konzument.

Congestion control¶

Pri flow control nám prijímateľ povedal, koľko dát vie zvládnuť a vedel tok dát spomaliť, ak nestíhal (back pressure), alebo ho na chvíľu úplne pozastaviť (zero window).

Čo však, ak prijímateľ je veľmi rýchly a výkonný, a je schopný prijímať veľké množstvo segmentov. Môžeme ho vždy poslúchnuť?

Pre efektívne posielanie o rýchlosti nerozhoduje iba prijímateľ, ale aj stav danej siete. Niekedy je sieť pomalšia ako prijímateľ, môže byť zahltená, alebo ináč poškodená. Ak by sme vždy počúvali prijímateľa, mohli by sme takúto sieť zahltiť segmentami, a kým by prišli k prijímateľovi, ubehlo by veľa času a nastal by timeout. Odosielateľ by si myslel, že sa segmenty stratili a poslal by ich znova. Tým by zahltil sieť ešte viac a situácia by sa iba zhoršila.

Na ochranu pred zahltením a na kontrolu efektívneho posielania zo strany odosielateľa sa využíva tzv. Congestion control. Ten má dve hlavné časti:

Slow Start (pomalý štart)
Congestion Avoidance (vyhýbanie sa zahlteniu) + reakcia na zahltenie

Slow start¶

Prvý režim pri Congestion control je tzv. Slow start, pri ktorom odosielateľ začína posielať dáta v malom okne, ktoré sa postupne zväčšuje. Ak prijímateľ stihne včas odpovedať ACK správou, odosielateľ exponenciálne zväčšuje okno, a tým aj počet segmentov, ktoré naraz posiela.

Cieľom Slow Startu je rýchlo zistiť, akú veľkosť okna (bandwidth) sieť zvládne, ale bez toho, aby sme sieť hneď zahltili.

Toto zväčšovanie okna trvá, až kým nenastane strata segmentov, alebo až kým nie je dosiahnutá žiadaná rýchlosť prenosu.

Congestion Avoidance - lineárny rast¶

Po dosiahnutí požadovanej rýchlosti alebo pri strate segmentu sa prejde do opatrnejšieho režimu. V tomto režime Congestion Avoidance okno lineárne rastie a pri strate paketov prudko zníži okno (väčšinou na polovicu). Celý tento cyklus sa volá TCP congestion control a chráni sieť pred kolapsom.

Úlohy¶

Úloha 21.1: ECHO server

Upravte server z cvičenia 20 tak, aby fungoval ako ECHO server. To znamená, že prepošle naspať všetky dáta, ktoré prijal.

Úloha 21.2: Meranie času odozvy

Upravte klienta z úlohy 20.1 tak, aby odmeral čas, ktorý prešiel, kým server odpovedal na odoslanú správu. Skontrolujte, aby prijatá správa bola taká istá ako odoslaná, teda že šlo o ECHO server. Čas môžete merať napr. pomocou time.time()

Pošlite 100 správ a odmerajte priemerný čas.

Odmerajte čas odozvy vášho lokálneho servera (127.0.0.1)
Odmerajte čas odozvy servera bežiaceho na učiteľovom počítači
Odmerajte čas odozvy na ECHO serveri https://tcpbin.com/

Vyhodnoťte namerané údaje.

Zhrnutie cvičenia¶

Poznámky do zošita

V zošite je potrebné mať napísané aspoň tieto poznámky:

TCP neposiela správy, ale prúd údajov - bajtov.
Časti dát nemajú začiatok a koniec, sock.recvfrom() často vráti iba časť dát

Segmentácia

Všetky bajty v prúde sa očíslujú, aby sa zachovalo poradie.
Dáta sa rozkúskujú do častí, zvyčajne okolo 1kB. 
Každý segment má číslo sekvencie, ktoré určuje poradie prvého bajtu v segmente.
Prijímateľ musí každý segment potvrdiť ACK správou
Kvôli rýchlosti sa posiela viacero segmentov naraz - tzv. posuvné okno - sliding window

Retransmisia stratených segmentov

ACK má v sebe informáciu, ktoré bajty má prijímateľ úspešne prijaté. 
Pri strate TCP segmentu odosielateľ znova odošle pôvodny segment
Segment je stratený:
1. Ak neprišla ACK odpoveď do určitého času (timeout).
2. Ak prijímateľ poslal štyri rovnaké ACK odpovede (tri duplikáty). Chýba mu segment

Flow control (riadenie toku dát)

Odosielateľ nemôže posielať dáta rýchlejšie, než ich dokáže príjemca spracovať
Príjemca v každom ACK segmente informuje, koľko bajtov je ešte chopný prijať
Flow control je tzv. back pressure - prijímateľ spomalí odosielateľa

Congestion control - ochrana pred zahltením

O rýchlosti nerozhoduje iba prijímateľ, ale aj stav danej siete.
Dva hlavné režimy:
1. Slow start - okno je na začiatku malé, ale rastie exponenciálne
2. Congestion Avoidance - okno rastie lineárne a pri strate segmentu sa zníži na polovicu

Flow control riadi prijímateľ, Congestion control riadi odosielateľ

Skúšanie a kontrola vedomostí

Okruhy otázok na test:

Akým spôsobom sa v TCP prenášajú dáta
Ako prebieha segmentácia dát v TCP
Na čo slúži posuvné okno
Čo je retransmisia stratených segmentov
Ako odosielateľ zistí, že sa segmenty stratili
Čo je flow control
Čo je congestion control, aké má režimy