ｽﾗｲﾄﾞﾀｲﾄﾙなし

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ゆりかそや
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1 画像情報特論 (2) -TCP/IP インターネットプロトコル (IP) Network-Assisted QoS TCP (Transport Control Protocol) UDP (User Datagram Protocol) 情報理工学専攻甲藤二郎

2 IP (Internet Protocol)

3 プロトコルスタックプロトコルスタック端末 T アプリケーショントランスポートネットワークネットワークインターフェース R R 端末 T アプリケーション HTTP, RTSP, FTP, Telnet,... RTP: 実時間メディア用途端末端末間 TCP: 誤り訂正順序制御フロー制御信頼性重視 UDP: オーバーヘッド少低遅延高速性重視端末ルータ間ルータルータ間 IP: 経路制御フラグメンテーション ICMP: エラー通知 IGMP: マルチキャスト (mbone) 個別リンクイーサーネット, PPP, X.25, ATM, ルータ

4 IP データグラム IP データグラム可変長 IP: byte TCP: 最小 20 byte UDP: 8 byte RTP: 12 byte NW ヘッダ IP TCP/UDP RTP データ ( ビデオ音声 ) ネットワークインタネットトランスポートアプリケーション cf. MPEG-2 トランスポートストリーム (ITU-T H.222) 188 byte NW ヘッダ TS ヘッダデータ ( ビデオ音声 ) ネットワークトランスポートアプリケーション

5 IPv4 ヘッダ IPv4 ヘッダ 4 byte Version ヘッダ長サービスタイプパケット全長フラグメント識別値フラグフラグメントオフセット TTL ( 生存時間 ) 上位プロトコルヘッダチェックサム送信元 IP アドレス受信先 IP アドレス ( オプション ) ( パディング ) データパケット長 : データのフレーミング ( 可変長 ) TTL: パケット生存時間 ( ルータのホップ数 ) IPアドレス : インタネット全体で固有のアドレス ARP によって MACアドレスに変換される (Ethernet の場合 )

6 IP の機能経路制御パケット最小ホップメトリックルータホップバイホップルーティング : 各ルータが経路表を管理し自律分散的に転送先 ( 次リンク ) を決定経路表 (netstat -r) 目的地ネットマスク x x x cf. ソースルーティング次ルータ a b c default d

7 IP の欠点蓄積交換 (store and forward) 故にパケット転送時間の増大 (delay) 転送時間の揺らぎ (jitter) パケット廃棄の発生 (packet loss) 等の問題は避けられないパケットの到着順序が逆転することもある ( 順序制御 ) インターネットでもある程度の品質保証 (QoS 保証 ) を実現したい Network-Assisted QoS および End-to-End QoS

8 Network Assisted QoS MPLS Diffserv トラヒックシェイピング RSVP

9 インターネット QoS AV RTP/UDP L4, L7 (end-to-end) AV RTP/UDP IP L2.5 (MPLS), L3 (diffserv/intserv( diffserv/intserv) IP (MPLS) (MPLS) L2 L2 データリンク物理 802.1p/Q e ネットワークデータリンク物理

10 Tag を用いたリンク毎の優先制御 IEEE 802.1p/Q voice 優先 L2 スイッチ L2 スイッチ L2 スイッチ voice data link ラベル IP TCP データ Tag (VLAN ID)

11 MPLS ( ラベルスイッチング ) 固定長ラベルによるハードウェアスイッチングエッジルータ間の経路を事前に決定 (Label Switched Path) MPLS ルータ MPLS ルータ MPLS ルータ LDP ( ラベル配布プロトコル ) ラベル ( 固定長 ) link IP TCP データ CoS (class of service) Multi-Protocol Label Switching

12 MPLS のトラヒックエンジニアリング最小ホップ数以外のメトリックの活用 MPLS ドメイン LSR2 ~ 混雑 1. ラベルの付与 3. ラベルの削除ノード A LSR1 LSR4 ノード B LSR3 迂回 2. LSP (Label Switched Path) トラヒックエンジニアリング : 負荷分散高速迂回

13 Diffserv (differentiated services) IP ヘッダの TOS フィールドの再定義 DS フィールドクラス分類による CoS (QoS) フォワーディングエッジルータエッジルータコアルータ EF: 帯域保証 (Expedited) AF: 最低帯域保証 (Assured) BE: ベストエフォット IP link ラベル TCP データ DS

14 RSVP (intserv( intserv) ルータ間のメッセージ交換による帯域確保スケーラビリティ ( 大規模化 ) に問題受信側 PATH メッセージ RESV メッセージ送信側 link ラベル IP TCP データ Integrated Services

15 TCP スヌーピングルータによる TCP ヘッダのスヌーピング (L4-Switch) TCP 輻輳制御アルゴリズムの利用スヌープ受信側ウィンドウサイズに従って転送レート調整 ACK ACK パケットのルータウィンドウサイズの変更 ( 送信端末をだます ) 送信側輻輳制御 TCP link ラベル IP データウィンドウサイズ

16 フローの差別化 (1) SLA 設定 ( 帯域ブローカ ) TCM (Three Color Marker) トークンバケット (token bucket) マーキング meter in classifier marker shaper dropper out クラス分類 DS 更新アクション drop Diffserv ルータの構成例各種の制御アルゴリズム PQ, WRR, WFQ, CFQ,...

17 フローの差別化 (2) 1. FIFO (First-In First-Out) TCP フローバッファルータ差別化なし ( 従来 ) 出力 UDP フロー 2. PQ (Priority Queueing) フロー優先度に応じた複数のキュー ( バッファ ) TCP フロー UDP フロークラシファイア高低優先キューからパケット送信出力 Differentiated Services

18 フローの差別化 (3) 3. WRR (Weighted Round Robin) フロー毎の複数のキュー TCP フロー UDP フロークラシファイア重み付きラウンドロビン出力 PQ: 優先キューが空になるまで非優先パケットは送出されない ( 欠点 ) WRR: 既定の個数のパケットを送出すると非優先パケットを送出する ( 改善 ) Differentiated Services

19 フローの差別化 (4) WRR の効果 S1 3 本のTCP フロー 10Mb 10Mb R1 1.5Mb R2 S3 3 本の TCP フローと 1 本の UDP フローがほぼ均等に帯域をシェアしているクラス許容量を超えた UDP は廃棄 S2 10Mb WRR 10Mb S4 1 本の UDP フロー (0~2Mb/s) UDP 送信レート TCP 到着レート UDP 到着レートネットワークシミュレータ

20 フローの差別化 (5) 4. DRR (Deficit Round Robin) フロー毎の複数のキュー TCP フロー UDP フロークラシファイア重み付きラウンドロビン出力 WRR: 可変長パケットが来ると長いパケットが優先 ( 欠点 ) DRR: パケットの個数ではなくバイト数で重み付け ( 改善 ) Differentiated Services

21 ビットバイビット50% ューラフローの差別化 (6) 5. WFQ (Weighted Fair Queuing) 1bit 単位フロー 1 フロー % 350 フロー % ラウンドロビンスケジフロー 1 Last パケット再構成フロー 3 Last フロー 2 Last WRR/DRR: 個数 / 帯域幅は weighted fair だが到着時間は not fair WFQ: 帯域幅だけではなく到着時間も weighted fair Differentiated Services

22 TCP Transport Control Protocol

23 TCP ヘッダ 4 byte 送信元ポート番号シーケンス番号 (SEQ) 確認応答番号 (ACK) 受信先ポート番号 URG ACK PSH オフセット reserved ウィンドウ RST SYM FIN ウィンドウ (rwnd) チェックサム緊急データポインタ ( オプション ) ( パディング ) データポート番号 : アプリケーションの識別シーケンス番号 : パケット廃棄順序逆転を検出 ( バイト単位でカウント ) 確認応答番号 : 次パケットで受信予定のシーケンス番号あるいは重複 ACK の通知ウィンドウ : 受信者が求める最大セグメントサイズ

24 TCP の機能 End-to-End の確認応答による誤り制御とフロー制御パケットエンドホスト ACK パケットルータポート番号によるアプリケーションの識別エンドホスト後述する UDP も同じトランスポート層機能いわゆる well-known port

25 TCP におけるフロー制御理想 : 使用帯域 * 集中型の帯域管理装置 ( 電話に近い ) セッション開始最小最大公平別のセッション開始時間 TCP: スロースタート + ふくそう回避使用帯域セッション開始別のセッション開始 * 端末毎の分散制御 TCP Reno の場合時間

26 いろいろな TCP 要点 TCP Tahoe スロースタート + ふくそう回避 + 高速再送 TCP Reno Tahoe + 高速回復 TCP Vegas RTT (round trip delay) ベースのふくそう制御 TCP SACK Reno + 選択的再送 (selective repeat) スロースタート : ふくそう回避 : 高速再送 : 高速回復 : slow start congestion avoidance fast retransmission fast recovery * 広く用いられているのは TCP Reno 系 (SACK を含む )

27 古典的な TCP Go-Back-N ARQ ( スライディングウィンドウ ): 送信者は ACK を待たずに N 個のパケットを送信する受信者が ACK を返すとウィンドウがスライドして次パケットが送出されるしばしば n 個のパケット毎に1つの ACK を返す ( 累積応答 ) スライディングウィンドウスライド送信ウィンドウ制御 : ACK rwnd: 広告ウィンドウ (advertizement window) 受信者が要求するセグメント ( パケット ) サイズあるいは受信可能なセグメントサイズを通知しスライディングウィンドウ ( 送信パケット数 ) を制御欠点 : ボトルネックリンクに非常に弱い

28 TCP Tahoe (1) 送信側パラメータを三つ追加 : cwnd: ふくそうウィンドウ (congestion window: 初期値 1) ssthresh: スロースタートとふくそう回避のモード選択閾値 ( 初期値大 ) tcprecvthresh: 高速再送を行う重複 ACK 数 ( 通常は3) スロースタート ( 指数増加 : スループット探索モード ): if ( cwnd < ssthresh ) --- ACK 毎にパケットを2 個送出 --- cwnd += 1; ふくそう回避 ( 加法増加 : スループット安定モード ): else if ( cwnd >= ssthresh ) --- ACK 毎にパケットを1 個送出 cwnd 個送出後 1 個追加 --- cwnd += 1/cwnd; V.Jacobson: Congestion Avoidance and Control, SIGCOM 88.

29 TCP Tahoe (2) 二通りのパケット廃棄の検出 : (1) 重複 ACK の受信 (TCP ヘッダの ACK ナンバが更新されない場合 ) (2) タイムアウト (ACK が返って来ない場合 ) 高速再送 ( 軽いふくそう ): ACK が返って来るということは深刻なふくそうではない ( 仮定 ) if ( 重複 ACK 数 == tcprecvthresh ) --- パケットを再送 --- ssthresh = cwnd/2; cwnd = 1; タイムアウト値の更新 ( 重いふくそう ): タイムアウトが起こるということは深刻なふくそう ( 仮定 ) if ( タイムアウト ) --- パケットを再送 --- timeout *= 2; 指数的バックオフスロースタートから再開 (ssthresh > cwnd)

30 TCP Tahoe (3) パケット数送信パケット ACK パケット廃棄重複 ACK & 高速再送時間スロースタート (1) スロースタート (2) ふくそう回避 NS (Network Simulator) によるシミュレーション例

31 TCP Reno (1) Tahoe の問題点 : 高速再送後スロースタートに戻る必要は無いパケット廃棄前の cwnd の値は安全 ( 仮定 : 現在の cwnd の半分 ) 高速回復 : if ( 重複 ACK 数 == tcprecvthresh ) --- パケットを再送 ( 高速再送 ) --- ssthresh = cwnd/2; cwnd = cwnd/2 + tcprecvthresh; ふくそう回避モードから再開 (ssthresh < cwnd) 安全な値重複 ACK 分 (ACK が正しく返っている ) if ( 重複 ACK 数 > cwnd/2 ) --- 重複 ACK 毎に新しいパケットを一つ送信 --- if ( 再送パケットの確認応答 ) cwnd = ssthresh; 通常のふくそう回避へ

32 TCP Reno (2) パケット数送信パケット高速回復 ACK パケット廃棄重複 ACK & 高速再送時間スロースタート高速回復ふくそう回避 NS (Network Simulator) によるシミュレーション例

33 TCP Vegas (1) Reno の問題点 : 故意にパケット廃棄を発生させて最適なスループットを探っているパケット廃棄を起こさなければスループットはもっと上がるはずラウンドトリップ遅延 (RTT) に基づくふくそう回避 : Diff = cwnd RTT _ min cwnd RTT _ current ネットワーク内バッファの見積もり ( 未到達セグメント量 ) 最大送信レート実際の送信レート cwnd cwnd = cwnd cwnd ( Diff < α) ( otherwise) ( Diff > β ) ネットワーク内バッファの使用量が一定になるように制御一定時間毎 ( RTT) に cwnd の値を更新ラウンドトリップ遅延 (RTT) に基づくスロースタート :

34 TCP Vegas (2) パケット数パケット廃棄重複 ACK & 高速再送送信パケット ACK 時間スロースタートふくそう回避 NS (Network Simulator) によるシミュレーション例

35 直感的な比較 Tahoe セッション開始別のセッション開始 Reno 廃棄が起きたら ssthresh を半分にして slow start から再開 Vegas 廃棄が起きても重複 ACK を受け取ったら congestion avoidance から再開 RTT をモニタしながら廃棄が起きないように cwnd を制御

36 UDP User Datagram Protocol

37 UDP ヘッダ 4 byte 送信元ポート番号 UDP パケット長受信先ポート番号チェックサムデータ (+ RTP ヘッダ ) ポート番号 : アプリケーションの識別パケットの紛失重複順序逆転などについてまったく関知しないアプリケーションで対処

38 UDP の機能ポート番号によるアプリケーションの識別のみパケットエンドホストルータ TCP の簡略化 ( 低遅延性 ): 再送なしフロー制御なしエンドホストふくそう制御 ( アプリケーションレベル ): TCP フレンドリ ( 後述 ) 低遅延 (UDP) 信頼性 (TCP)

39 UDP のまとめ再送を行なわない信頼性のないデータ転送 : 転送遅延は抑えられる遅延に敏感な IP 電話にとっては大きな利点 ACK 爆発が発生しないためマルチキャストにも適しているアプリケーションレベルの誤り制御とふくそう制御 ( アダプテーション ): パケット廃棄やネットワークの輻輳に対して UDP は何も行なわないためアプリケーションレベルで対処する必要がある再同期 ( パケット廃棄対策 ) TCP フレンドリ ( 輻輳制御 ) 信頼性マルチキャスト (NACK あるいは FEC) 等

40 TCP と UDP: まとめインターネット電話 TCP UDP メディア情報制御情報インターネット放送 TCP UDP オンデマンド放送ライブ放送マルチキャスト ( クラスD) 制御情報 ( カルーセル ) 低遅延性と信頼性のトレードオフ

41 Ethereal / Wireshark パケットキャプチャツール

42 SIP の実例

43 RTSP の実例

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ｽﾗｲﾄﾞﾀｲﾄﾙなし画像情報特論 (3) -TCP/IP (2) TCP (Transport Control Protocol) UDP (User Datagram Protocol) 2004.04.30 情報ネットワーク専攻甲藤二郎 E-Mail: katto@waseda.jp TCP Transport Control Protocol インターネットの基礎プロトコルスタック端末 T アプリケーション

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