-1)تعاریف (definitions):
سگمنت ((Segment: به بسته های TCP (Data,Ack) اصطلاحا سگمنت گفته می شود.
(Sender Maximum Segment Size)SMSS: اندازه بزرگترین سگمنتی که فرستنده می تواند ارسال کند.
این مقدار براساس حداکثر واحد انتقال در شبکه ، الگوریتمهای تعیین MTU ، RMSS یا فاکتورهای دیگر تعیین می شود.
این اندازه شامل هدر بسته و option نمی باشد.
(Receiver Maximum Segment Size)RMSS: سایز بزرگترین سگمنتی که گیرنده می تواند دریافت کند.
که در یک ارتباط در فیلد MSS در option توسط گیرنده تعیین می شود و شامل هدر و option نمی باشد.
(Receiver Window)rwnd: طول پنجره سمت گیرنده.
(Congestion Window )cwnd: نشان دهنده وضعیت متغیر TCP است که میزان داده در شبکه را محدود می کند.در هر لحظه , حجم داده در شبکه به اندازه مینیمم cwnd و rwnd می باشد.
1-2)مکانیزمهای کنترل ازدحام در شبکه TCP:
در یک شبکه زمانیکه ترافیک بار از ظرفیت شبکه بیشتر می شود ، ازدحام اتفاق می افتد.که به منظورکنترل ازدحام در شبکه الگوریتمهای متفاوتی وجود دارد.
در یک ارتباط ، لایه شبکه تا حدی قادر به کنترل ازدحام در شبکه است اما راه حل واقعی برای اجتناب از ازدحام پایین آوردن نرخ تزریق داده در شبکه است.
TCP با تغییر سایز پنجره ارسال تلاش میکند که نرخ تزریق داده را کنترل کند.
شناسایی ازدحام اولین گام در جهت کنترل آن است.
در گذشته ،شناسایی ازدحام به راحتی امکانپذیر نبود.
از نشانه های آن وقوع Timeout بدلیل اتلاف بسته یا وجود noise در خط ارتباطی یا اتلاف بسته ها در روترهای پر ازدحام و ...
را می توان نام برد.
اما امروزه از آنجا که اکثرا تکنولوژی بستر ارتباطی از نوع فیبر می باشد اتلاف بسته ها که منجر به خطای ارتباطی شود بندرت اتفاق می افتد.
و از طرفی وقوع Timeout در اینترنت بدلیل ازدحام می باشد.
در همه الگوریتمهای TCP فرض بر این است که وقوع Timeout بدلیل ازدحام شبکه است.
در شروع یک ارتباط در شبکه ،سایز پنجره مناسب تعیین می شود.
گیرنده بر اساس سایز بافر خود می تواند سایز پنجره را تعیین کند.
اگر میزان داده های ارسالی از فرستنده در حد سایز پنجره باشد ،مشکلی پیش نمی آید.
در غیر اینصورت در سمت گیرنده Overflow اتفاق می افتد.
پس بطور کلی با دو مسئله مواجه هستیم:
1- ظرفیت شبکه
2- ظرفیت گیرنده
که دریک ارتباط باید این دو مورد را در نظر گرفت.
فرستنده در هنگام ارسال ،سایز دو پنجره را در نظر می گیرد.
1- پنجره سمت گیرنده
2- پنجرا ازدحام
که سایز پنجره ارسال به اندازه مینیمم این دو مقدار تعیین می شود.
کنترل ازدحام در شبکه TCP از بالا رفتن ظرفیت شبکه جلوگیری می کند .
در واقع به فرستنده اجازه مس دهد نرخ ارسال داده در شبکه را به منظور جلوگیری از ازدحام تنظیم نماید.
مکانیزمهای کنترل ازدحام که توسط TCP حمایت می شوند عمدتا شامل 4 مرحله اصلی می باشند که عبارتند از:
1- Slow Start
2- Congestion Avoidance
3- Fast Retransmission
4- Fast Recovery
که در ادامه هر یک به تفصیل شرح داده می شوند.
1-2-1)Slow Start: در شروع یک ارتباط ،ارسال داده ها به سمت گیرنده به اندازه حداکثر ظرفیت سمت گیرنده انجام نمی شود.
بلکه فرستنده تعدادی بسته در شروع ارسال می کند و منتظر دریافت Ack بسته های ارسالی می شود.
و سپس بتدریج نرخ ارسال را افزایش می دهد .
این مکانیزم به فرستنده TCP این اجازه را می دهد که وضعیت موجود شبکه اعم از پهنای باند در دسترس را شناسایی کند.
مکانیزم Slow Start درموارد زیر کاربرد دارد:
1- در شروع هر ارتباط مبتی بر TCP.
2- در شروع مجدد یک ارتباط TCP بعد از مدتی بیکاری.
3- در شروع مجدد یک ارتباط TCP بعد از وقوع Timeout.
شکل(1) مکانیزم Slow Start در TCP را به تصویر کشیده است.
در مرحله Slow Start فرستنده باید سایز پنجره ازدحام (Cwnd که میزان ترافیک در شبکه را مشخص می کند) داشته باشد.
تعداد سگمنتهای ارسالی از سمت فرستنده در هر لحظه به اندازه مینیمم سایز پنجره ازدحام و سایز پنجره سمت گیرنده می باشد.
شکل(1) مکانیزم Slow Start در TCP را به تصویر کشیده است.
تعداد سگمنتهای ارسالی از سمت فرستنده در هر لحظه به اندازه مینیمم سایز پنجره ازدحام و سایز پنجره سمت گیرنده می باشد.
شکل(1) در شروع یک ارتباط سایز این پنجره یک سگمنت است.
فرستنده TCP با ارسال یک سگمنت وارد فاز Slow Startشده و منتظر دریافتAck می شود.
بعد از دریافت Ack فرستنده سایز پنجره ارسال را از یک به دو افزایش می دهد و دو سگمنت فرستاده می شود.زمانیکه Ack این دو سگمنت از سمت گیرنده دریافت شد ، فرستنده سایز پنجره ارسال را از 2 به 4 افزایش می دهد و 4 سگمنت فرستاده می شود.
رشد نمایی سایز پنجره ارسال (Cwnd) ادامه می یابد تا زمانیکه به حداکثر سایز پنجره سمت گیرنده برسد یا بسته ها بدلیل ازدحام در شبکه اتلاف شوند.
در فاز بعدی (Congestion Avoidance) چگونگی برخورد TCP با اتلاف بسته ها شرح داده میشود.
فرستنده TCP به دو طریق می تواند اتلاف بسته ها در شبکه را تشخیص دهد: دریافت ack تکراری.
سر ریز شدن تایمر.
عدم وجود یک سگمنت در بین سگمنتهای ارسالی در یک پنجره باعث ایجاد Ack تکراری در مقصد می شود.
(یادآوری می شود که TCP , Ack منفی یا Ack حاوی شماره بسته نمی فرستد.) برای مثال , زمانیکه مقصد داده را تا بایت 2000 دریافت می کند در پاسخ Ack داده 2001 را می فرستد به این مفهوم که سگمنت بعدی که گیرنده انتظار دریافت آنرا دارد از بایت 2001 شروع می شود .
اگر یک سگمنت در روترهای میانی تلف شود , در مقصد بسته های بعدی به ترتیب رسیدن بافر می شوند و از آنجاییکه گیرنده سگمنت بعدی مورد انتظار را دریافت نکرده به فرستادن Ack سگمنت 2001 ادامه می دهد.
از آنجاییکه دریافت Ack تکراری همچنین دلالت بر عدم دریافت سگمنتها به ترتیب دارد, در نتیجه مبدا TCP از سه Ack تکراری به نشانه اتلاف بسته ها استفاده می کند.
اتلاف آخرین بسته در یک پنجره ارسالی از سگمنتها باعث سرریز شدن تایمر در مبدا می شود , زیرا سگمنت بعدی جهت تولید Ack وجود ندارد.
فرستنده TCP انتظار دریافت Ack از سمت مقصد به نشانه دریافت موفق بایتهای جدید در رشته داده ها را دارد.
هر زمانی که فرستنده یک سگمنت را ارسال می کند یک تایمر شروع بکار می کند و منتظر دریافت Ack می شود.
اگر تایمر قبل از اینکه Ack داده های ارسالی دریافت شود, سرریز شود فرستنده TCP فرض را بر این می گذارد که سگمنت گم شده یا آسیب دیده است .
در نتیجه مجددا آنرا ارسال می کند.
1-2-2)Congestion Avoidance: زمانیکه فرستنده TCP متوجه اتلاف بسته ها در شبکه شد متغیرssthresh یا حد آستانه ناحیه (slow-start threshold) slow start را به اندازه نصف cwnd جاری تنظیم می کند.
در واقع فرستنده نرخ ارسال خود را با برگشت به فاز Slow Start کاهش می دهد.
با این تفاوت که افزایش نمایی نرخ ارسال تا رسیدن به سایز پنجره ارسال به حد آستانه (ssthresh) ادامه می یابد.
در این نقطه ، فرستنده سایز پنجره ارسال را (cwnd) بطور خطی افزایش می دهد (با یک سگمنت در هر RTT).
در واقع به آهستگی نرخ ارسال را افزایش می دهد تا به مقدار cwnd قبلی که در آن نقطه اتلاف بسته رخ داده بود برسد.
زمانیکه cwnd مساوی یا کمتر از حد آستانه ssthresh است فرستنده TCP در فاز slow-start است.
و زمانیکه cwnd بزرگتر از ssthresh است فرستنده TCP در فاز Congestion Avoidance قرار دارد.
که در شکل (2) به تصویر کشیده شده است.
شکل (2) فاز slow-start و Congestion Avoidance سبب می شود TCP با وقوع اتلاف بسته ها سایز پنجره ارسال را به نصف کاهش دهد .
اگر وجود ازدحام در شبکه به طور مرتب باعث اتلاف بسته ها شود میزان ترافیک وارد شده به شبکه و نرخ ارسال توسط فرستنده TCP بطورنمایی کاهش می یابد.
که این امر به روترهای میانی اجازه می دهد تا صفهای خود را خالی کنند.
1-2-3)Fast Retransmission: همانطور که قبلا گفته شد ، TCP با دریافت Ack تکراری متوجه اتلاف بسته ها میشود.
از طرفی دریافت Ack تکراری همچنین می تواند به مفهوم دریافت بسته ها بر خلاف ترتیب اصلی باشد.
پس بجای نشان عکس العمل سریع نسبت به دریافت Ack تکراری با ارسال مجدد بسته گم شده، فرستنده TCP منتظر میشود تا 3 Ack تکراری دریافت کند.
Fast Retransmission کارایی TCP را به 3 طریق افزایش دهد: اگر بسته ها به ترتیب دریافت نشده باشند از ارسال مجدد آنها و در نتیجه پر کردن ظرفیت شبکه جلوگیری می کند.
بهره وری بیشتر و بازدهی بالا خطوط ارتباطی را موجب می شود.
در صورت اتلاف بسته ها ، TCP قبل از سرریز تایمر اقدام به ارسال مجدد بسته می کند.
و منتظر سرریز شدن تایمر نمی شود.
1-2-4)Fast Recovery: زمانیکه مبدا TCP، Ack تکراری دریافت می کند ،داده ها به سمت مقصد در جریان هستند زیرا در مقصد اگر سگمنتها به ترتیب دریافت نشوند Ack تکراری تولید می شود.
در این مورد فرستنده TCP به طور ناگهانی نرخ ارسال داده را با رفتن به فاز slow-start کاهش نمی دهد.
در عوض بعد از ارسال مجدد سگمنت گم شده (در پاسخ به 3 Ack تکراری) مبدا TCP میزان cwnd را به نصف کاهش می دهد و وارد فاز Congestion Avoidanceمی شود.
این عملیات باعث بازدهی بهتر TCP می شود.
که این عملیات در شکل (3) به تصویر کشیده شده است.
شکل (3) Fast Recovery از خالی شدن جریان TCP بین مبدا و مقصد بعد از اتلاف یک بسته و ارسال مجدد آن جلوگیری می کند.
این فاز کارایی TCP را با عدم نیاز به برگشت به فاز slow-start و افزایش تدریجی ظرفیت شبکه بعد از اتلاف یک بسته ایجاد می شود.
در مقابل, در حالیکه فاز Fast Recovery کارایی TCP را زمانیکه یک بسته در یک پنجره ارسالی گم می شود افزایش میدهد.کارایی را زمانیکه چندین بسته در یک پنجره اتلاف می شوند افزایش نمی دهند.
مثال: شکل 4 بازدهی جریان TCP را نمایش می دهد.
شکل (4) در شروع یک ارتباط TCP ،مبدا اتصال سعی در اجتناب از بالا بردن ترافیک شبکه دارد.
همانطور که در منحنی A دیده می شود ارتباط با فاز slow-start آغاز می شود و سرعت نرخ ارسال افزایش می یابد تا ظرفیت جاری تشخیص داده شود.
فاز slow-start تا زمانیکه Ack تکراری دریافت شود ادامه می یابد.
همانطور که در منحنی قسمت B نشان داده شده مبدا TCP میزان حد آستانه ssthresh را به نصف میزان cwndجاری تنظیم می کند و Fast Restart انجام می شود و به فاز Congestion Avoidance می رسد تا دوباره به میزان cwnd قبلی که منجر به اتلاف بسته شده بود برسد.
بعد از شروع مجدد با فاز Congestion Avoidance نرخ ارسال افزایش می یابد تا زمانیکه Ack تکراری دریافت شود .
همانطور که در منحنی C نشان داده شده است، فرستنده میزان ssthresh را مساوی نصف cwnd جاری تنظیم می کند و بازیابی مجدد همراه با Congestion Avoidance انجام میشود.
حال اگر آخرین سگمنت در پنجره ارسال در یکی از روترهای میانی آسیب ببیند ،در اینصورت مبدا TCP منتظر سرریز شدن تایمر است قبل از اینکه آخرین سگمنت را مجددا ارسال کند.
همانطور که در منحنی D دیده می شود ، مبدا TCPمیزان ssthresh را به نصف مقدار cwnd جاری تنظیم می کند و مجددا به فاز slow-startبر میگرددو با ازدحام برخورد می کند.
1-3)پیشرفتهای جدید در زمینه کنترل ازدحام در TCP: در طی سالها ،پیاده سازی TCP منجر به طراحی الگوریتمهای متفاوتی به منظور کنترل ازدحام در شبکه و ایجاد یک ارتباط مناسب گشته است.
در این زمینه الگوریتمهایی مثل Tahoe، Reno، New Reno، و Vegas مطرح هستند.که در ادامه نقاط ضعف و قوت هر یک را بیان می کنیم.
1-3-1)TCP Tahoe: اولین پیاده سازی از این نسخه TCP در سال 1988 در سیستم 4.3BSd یونیکس بود.
و این نسخه پیاده سازی اصلی مکانیزم پیشنهادی توسط Van Jacobson بود.
Tahoe شامل 3 مرحله اساسی است.
Slow-Start، Congestion Avoidance، Fast Retransmission.
در طول Slow-Start ، در شروع یک ارتباط (cwnd=1) یک بسته ارسال می شود.
و سایز پنجره ارسال با دریافت Ack از سمت گیرنده به طور نمایی افزایش می یابد و ناحیه Slow-Start ادامه می یابد تا زمانیکه (ssthresh =cwnd) اتلاف بسته نشان دهنده ازدحام در شبکه است.
Tahoe در چنین مواقعی به شرح ذیل عمل می نماید.
1- اگر در هنگامیکه اتلاف رخ می دهدw = cwndباشد سایز پنجره ارسال بین 0.5w تا w بسته تنظیم میشود با این فرض که شبکه می تواند این تعداد بسته را هدایت کند.
2- ssthresh را به اندازه0.5w تنظیم می کند و TCP به فاز Slow-Start بر می گردد یعنی جائیکه cwnd=1 3- با دریافت یک Ack جدید در حالیکه>sshresh cwnd ،سایز پنجره ارسال یعنی cwnd طبق رابطه زیر افزایش می یابد.
Cwnd+=1/ cwnd فاز Fast Retransmission درواقع Tahoe را از وقوع Time out بدلیل اتلاف بسته ها حمایت می کند.
دریافت Ack تکراری، دلالت بر اتلاف بسته ها دارد و Tahoe در این شرایط به فاز Slow-Start بر