Πρωτόκολλα Διαδικτύου

Πανεπιστήμιο Πειραιώς Τμήμα Ψηφιακών Συστημάτων Πρωτόκολλα Διαδικτύου 9 η Διάλεξη Δημοσθένης Κυριαζής Παρασκευή 22 Μαΐου 2015

Σημερινή διάλεξη Σύνοψη 8ης διάλεξης Επίπεδο μεταφοράς Συμφόρηση: Αρχές ελέγχου - αιτίες/κόστη Έλεγχος συμφόρησης TCP TCP throughput Δικαιοσύνη TCP Επίπεδο δικτύου Εισαγωγή Βασικές λειτουργίες Μοντέλο υπηρεσιών δικτύου Υπηρεσία με- / χωρίς- σύνδεση Εικονικά κυκλώματα Δίκτυα datagram Longest prefix matching Αρχικτεκτονική router Πόρτες εξόδου Ουρές Πρωτόκολλα Διαδικτύου, 9η Διάλεξη 2

timeout timeout TCP: Σενάρια επαναποστολής (1/2) Κόμβος A Κόμβος B Κόμβος A Κόμβος B Seq=92, 8 bytes δεδομένων SendBase=92 Seq=92, 8 bytes δεδομένων X ACK=100 Seq=100, 20 bytes δεδομένων ACK=100 ACK=120 Seq=92, 8 bytes δεδομένων ACK=100 SendBase=100 SendBase=120 SendBase=120 Seq=92, 8 bytes δεδομένων ACK=120 Σενάριο απώλειας ACK Πρόωρο timeout 3

timeout TCP: Σενάρια επαναποστολής (2/2) Κόμβος A Κόμβος B Seq=92, 8 bytes δεδομένων Seq=100, 20 bytes δεδομένων X ACK=100 ACK=120 Seq=120, 15 bytes δεδομένων Συσσωρευτικό (cumulative) ACK Πρωτόκολλα Διαδικτύου, 9η Διάλεξη 4

timeout Γρήγορη επαναποστολή (fast retransmit) TCP Κόμβος A Κόμβος B Seq=92, 8 bytes δεδομένων Seq=100, 20 bytes δεδομένων X ACK=100 ACK=100 ACK=100 ACK=100 Seq=100, 20 bytes of data Γρήγορη επαναποστολή αφού ο αποστολέας λάβει τριπλό επαναλαμβανόμενο ACK 5

Έλεγχος ροής (flow control) TCP Ο παραλήπτης δημοσιεύει ελεύθερο χώρο στο buffer συμπεριλαμβάνοντας την τιμή rwnd στο header TCP του segment παραλήπτη-προς-αποστολέα Το μέγεθος του RcvBuffer ορίζεται μέσω επιλογών του socket (default=4096 bytes) Πολλά ΛΣ αυτό-προσαρμόζουν το RcvBuffer Ο αποστολέας περιορίζει το μέγεθος των δεδομένων χωρίς ACK ( inflight ) μέσω της τιμής rwnd του παραλήπτη Εγγυάται ότι ο buffer του παραλήπτη δεν θα υπερχειλίσει RcvBuffer rwnd προς τις διεργασίες εφαρμογής buffered δεδομένα ελεύθερος χώρος buffer TCP segment payloads buffering στην πλευρά του παραλήπτη 6

TCP 3-way handshake Ακούει επιλογή αρχ. Α/Α, x αποστολή TCP SYN μην. Αποστολή SYN ESTAB Κατάσταση client λήψη SYNACK(x) δείχνει ότι ο server είναι live; αποστολή ACK για το SYNACK; το segment μπορεί να περιέχει δεδομένα client-προς-server SYNbit=1, Seq=x SYNbit=1, Seq=y ACKbit=1; ACKnum=x+1 ACKbit=1, ACKnum=y+1 επιλογή αρχ. Α/Α, y αποστολή TCP SYNACK μην., ACK για το SYN Κατάσταση server λήψη ACK(y) δείχνει ότι ο client είναι live Ακούει Λήψη SYN ESTAB Πρωτόκολλα Διαδικτύου, 9η Διάλεξη 7

Κλείσιμο σύνδεσης TCP (1/2) Ο client και server κλείνουν ο καθένας τη σύνδεση Αποστολή TCP segment με FIN bit = 1 Απόκριση στο ληφθέν FIN με ACK Στο ληφθέν FIN, το ACK μπορεί να συνδυαστεί με το «δικό του» FIN Πολλαπλές ταυτόχρονες ανταλλαγές FIN μπορούν να διαχειριστούν Πρωτόκολλα Διαδικτύου, 9η Διάλεξη 8

Κλείσιμο σύνδεσης TCP (2/2) Κατάσταση client ESTAB FIN_WAIT_1 FIN_WAIT_2 TIMED_WAIT clientsocket.close() Δεν μπορεί να στέλνει αλλά μπορεί να λαμβάνει Περιμένει το server να «κλείσει» Αναμονή χρόνου για 2*μέγιστο χρόνου ζωής segment FINbit=1, seq=x ACKbit=1; ACKnum=x+1 FINbit=1, seq=y ACKbit=1; ACKnum=y+1 Μπορεί ακόμα να στέλνει δεδομένα Δεν μπορεί να στέλνει δεδομένα Κατάσταση server ESTAB CLOSE_WAIT LAST_ACK CLOSED CLOSED Πρωτόκολλα Διαδικτύου, 9η Διάλεξη 9

cwnd: Μέγεθος παραθύρου TCP αποστολέα χρόνος Έλεγχος συμφόρησης TCP: Πρόσθετη αύξηση / πολλαπλασιαστική μείωση Προσέγγιση: Ο αποστολέας αυξάνει το ρυθμό μεταγωγής (transmission rate) μέγεθος παραθύρου cwnd, εξετάζοντας το αξιοποιήσιμο bandwidth, μέχρι να συμβούν απώλειες Πρόσθετη αύξηση (additive increase): αύξηση cwnd κατά 1 MSS κάθε RTT μέχρι να εντοπιστεί απώλεια Πολλαπλασιαστική μείωση (multiplicative decrease): μείωση του cwnd στη μέση μετά την απώλεια Οδοντωτή συμπεριφορά AIMD: εξέταση bandwidth πρόσθετη αύξηση παραθύρου. μέχρι την απώλεια (μείωση παραθύρου στο μισό) 10

Λεπτομέρειες ελέγχου συμφόρησης TCP Τελευταίο byte που έγινε ACK Χώρος Α/Α αποστολέα cwnd Απεστάλη, όχι ακόμα ACK Τελευταίο byte που εστάλη Ο αποστολέας περιορίζει τη μέταδοση LastByteSent- LastByteAcked < cwnd Ρυθμός αποστολής TCP Αποστολή cwnd bytes, αναμονή RTT για τα ACK, αποστολή περισσότερων bytes rate ~ cwnd RTT bytes/sec Το cwnd είναι δυναμικό, βάσει των αντιληφθέντων συμφορήσεων Πρωτόκολλα Διαδικτύου, 9η Διάλεξη 11

Σημερινή διάλεξη Σύνοψη 8ης διάλεξης Επίπεδο μεταφοράς Έλεγχος συμφόρησης TCP TCP throughput Δικαιοσύνη TCP Επίπεδο δικτύου Εισαγωγή Βασικές λειτουργίες Μοντέλο υπηρεσιών δικτύου Υπηρεσία με- / χωρίς- σύνδεση Εικονικά κυκλώματα Δίκτυα datagram Longest prefix matching Αρχικτεκτονική router Πόρτες εξόδου Ουρές Πρωτόκολλα Διαδικτύου, 9η Διάλεξη 12

RTT Αργή έναρξη TCP Όταν αρχίζει η σύνδεση, ο ρυθμός αυξάνεται γεωμετρικά μέχρι την πρώτη απώλεια Αρχικά cwnd = 1 MSS Διπλασιασμός cwnd κάθε RTT Γίνεται αυξάνοντας το cwnd σε κάθε ληφθέν ACK Κόμβος A Κόμβος B χρόνος Πρωτόκολλα Διαδικτύου, 9η Διάλεξη 25

Γρήγορη αντίδραση: Ανίχνευση και αντίδραση σε απώλειες Απώλεια που υποδεικνύεται από timeout Το cwnd ορίζεται σε 1 MSS Το παράθυρο μεγαλώνει γεωμετρικά (όπως στην αργή έναρξη) μέχρι κάποιο όριο, μετά αυξάνει γραμμικά Απώλεια που υποδεικνύεται από 3 διπλά ACK: TCP RENO Τα διπλά ACK δείχνουν ότι το δίκτυο μπορεί να παραδίδει κάποια segments Το cwnd μειώνεται στο μισό και μετά αυξάνει γραμμικά Το TCP Tahoe πάντα θέτει το cwnd σε 1 (timeout ή 3 διπλά ACK) Πρωτόκολλα Διαδικτύου, 9η Διάλεξη 26

TCP: Αλλαγή από αρχή έναρξη σε αποφυγή συμφόρησης Η γεωμετρική αύξηση αλλάζει σε γραμμική όταν το cwnd λαμβάνει το 1/2 της τιμής του πριν το timeout Υλοποίηση Μεταβλητή ssthresh Σε γεγονός απώλειας, το ssthresh ορίζεται σε 1/2 της τιμής του cwnd πριν την απώλεια 27

Σημερινή διάλεξη Σύνοψη 8ης διάλεξης Επίπεδο μεταφοράς Έλεγχος συμφόρησης TCP TCP throughput Δικαιοσύνη TCP Επίπεδο δικτύου Εισαγωγή Βασικές λειτουργίες Μοντέλο υπηρεσιών δικτύου Υπηρεσία με- / χωρίς- σύνδεση Εικονικά κυκλώματα Δίκτυα datagram Longest prefix matching Αρχικτεκτονική router Πόρτες εξόδου Ουρές Πρωτόκολλα Διαδικτύου, 9η Διάλεξη 28

TCP throughput Το μέσο throughput εξαρτάται από το μέγεθος του παραθύρου και το RTT Αγνοεί την αργή έναρξη, υποθέτει ότι πάντα υπάρχουν δεδομένα προς αποστολή W: μέγεθος παραθύρου (σε bytes) όταν συμβαίνει απώλεια Μέσο μέγεθος παραθύρου (αριθμός bytes που έχουν αποστ. χωρίς ACK) είναι ¾ W (απώλεια πακέτου όταν ο ρυθμός είναι W/RTT => ρυθμός ½ (W/RTT)) Μέσο throughput είναι 3/4W ανά RTT Μέσο TCP throughput = 3 4 W W RTT bytes/sec W/2 29

TCP πάνω από μεγάλα καλώδια Παράδειγμα: 1500 byte segments, 100ms RTT, χρειάζονται 10 Gbps throughput Απαιτούν W = 83,333 segments που έχουν σταλεί χωρίς ACK Το throughput βάσει ρυθμών απώλειας segment, L [Mathis 1997]: TCP throughput = 1.22. MSS RTT L Για 10 Gbps throughput, απαιτείται ρυθμός απώλειας L = 2 10-10 πολύ μικρός ρυθμός! Νέες εκδόσεις TCP για υψηλές ταχύτητες Πρωτόκολλα Διαδικτύου, 9η Διάλεξη 30

Δικαιοσύνη TCP (1/3) Στόχος: Εάν K TCP sessions μοιράζονται το ίδιο link με bandwidth R, η κάθε σύνδεση θα πρέπει να λαμβάνει μέσο ρυθμό R/K Σύνδεση TCP 1 Σύνδεση TCP 2 router χωρητικότητας R Πρωτόκολλα Διαδικτύου, 9η Διάλεξη 32

Δικαιοσύνη TCP (2/3) 2 ανταγωνιστικά sessions: Η πρόσθετη αύξηση δίνει την κλίση του 1, καθώς το throughout αυξάνει Η πολλαπλασιαστική μείωση μειώνει το throughput αναλογικά R Διαμοιρασμός ίσου bandwidth απώλεια: μείωση παραθύρου κατά στο μισό αποφυγή συμφόρησης: πρόσθετη αύξηση απώλεια: μείωση παραθύρου κατά στο μισό αποφυγή συμφόρησης: πρόσθετη αύξηση Τhroughput σύνδεσης 1 R 33

Δικαιοσύνη TCP (3/3) Παράλληλες συνδέσεις TCP Π.χ. link ρυθμού R με 9 ενεργές συνδέσεις Νέα εφαρμογή που ζητάει 1 TCP, λαμβάνει ρυθμό R/10 Νέα εφαρμογή που ζητάει 11 TCP, λαμβάνει ρυθμό R/2 Πρωτόκολλα Διαδικτύου, 9η Διάλεξη 34

Επίπεδο δικτύου (Network layer) Μεταφορά segment από τον αποστολέα στον παραλήπτη Ο αποστολέας ενθυλακώνει τα segments σε datagrams Ο παραλήπτης παραδίδει segments στο επίπεδο μεταφοράς Τα πρωτόκολλα του επιπέδου δικτύου βρίσκονται σε κάθε host και router Ο router εξετάζει τα πεδία του header για όλα τα IP datagrams που περνούν από αυτόν application transport network data link physical network data link physical network data link physical network data link physical network data link physical network data link physical network data link physical network data link physical network data link physical network data link physical network data link physical network data link physical application transport network data link physical Πρωτόκολλα Διαδικτύου, 9η Διάλεξη 36

Οι 2 βασικές λειτουργίες του επιπέδου δικτύου Προώθηση (forwarding): μεταφορά πακέτων από την είσοδο του router στην κατάλληλη έξοδο του router Δρομολόγηση (routing): καθορισμός διαδρομής από αποστολέα προς παραλήπτη Με αλγόριθμους δρομολόγησης Αναλογία Προώθηση: διαδικασία μιας ανταλλαγής Δρομολόγηση: διαδικασία σχεδιασμού ταξιδιού από την πηγή στον προορισμό Πρωτόκολλα Διαδικτύου, 9η Διάλεξη 37

Αλληλεπίδραση προώθησης και δρομολόγησης Αλγόριθμος δρομολόγησης Τοπικός πίνακας προώθησης Τιμή header Link εξόδου 0100 0101 0111 1001 3 2 2 1 Ο αλγόριθμος δρομολόγησης καθορίζει το ολικό (end-end) μονοπάτι στο δίκτυο Ο πίνακας προώθησης καθορίζει την τοπική προώθηση ανά router Τιμή στο header του πακέτου που λαμβάνεται 0111 1 3 2 38

Εγκαθίδρυση σύνδεσης Η τρίτη σημαντική λειτουργία σε κάποιες δικτυακές αρχιτεκτονικές ATM, frame relay, X.25 Πριν τη ροή των datagrams, 2 end hosts και οι ενδιάμεσοι routers εγκαθιδρύουν εικονική σύνδεση Εμπλέκονται οι routers Διαφορά υπηρεσίας σύνδεσης μεταξύ επιπέδων δικτύου και μεταφοράς Δίκτυο (network): μεταξύ 2 hosts (ίσως περιλαμβάνει ενδιάμεσους routers στην περίπτωση των εικονικών συνδέσεων) Μεταφορά (transport): μεταξύ 2 processes Πρωτόκολλα Διαδικτύου, 9η Διάλεξη 39

Μοντέλο υπηρεσιών δικτύου (1/2) Τι μοντέλο υπηρεσιών (service model) χρειάζεται για το κανάλι μεταφοράς datagrams από τον αποστολέα στον παραλήπτη? Παράδειγμα για ξεχωριστά datagrams Διασφαλισμένη παράδοση Διασφαλισμένη παράδοση με <40 msec καθυστέρηση Παράδειγμα για ροή από datagrams Παράδοση στη σωστή σειρά (in-order) Διασφαλισμένο ελάχιστο bandwidth για τη ροή Περιορισμοί στις αλλαγές στο κενό (spacing) μεταξύ των πακέτων - jitter 41

Μοντέλο υπηρεσιών δικτύου (2/2) Αρχιτεκτονική δικτύου Μοντέλο υπηρεσιών Bandwidth Εγγυήσεις Απώλειών Σειράς Χρόνου Πληροφοριών συμφόρησης Internet ATM ATM ATM ATM best effort CBR VBR ABR UBR καθόλου σταθερού ρυθμού εγγυημένου ρυθμού εγγυημένου ελάχιστου καθόλου όχι ναι ναι όχι όχι όχι ναι ναι ναι ναι όχι ναι ναι όχι όχι όχι (προκύπτει από απώλειες) μη συμφόρηση μη συμφόρηση ναι όχι Πρωτόκολλα Διαδικτύου, 9η Διάλεξη 42

Υπηρεσία με- / χωρίς- σύνδεση Το datagram δίκτυο παρέχει υπηρεσία χωρίς σύνδεση στο επίπεδο δικτύου Το virtual-circuit δίκτυο παρέχει υπηρεσία με σύνδεση στο επίπεδο δικτύου Ανάλογο με το TCP/UDP με- / χωρίς- σύνδεση επιπέδου μεταφοράς, αλλά υπηρεσία: μεταξύ hosts χωρίς επιλογή: το δίκτυο παρέχει το ένα ή το άλλο υλοποίηση: στο network core Πρωτόκολλα Διαδικτύου, 9η Διάλεξη 44

Εικονικά κυκλώματα (Virtual Circuits) Το μονοπάτι από την πηγή στο προορισμό συμπεριφέρεται όπως το τηλεφωνικό κύκλωμα Aπόδοση Ενέργειες δικτύου από πηγή ως προορισμό Εγκαθίδρυση σύνδεσης, διακοπή για κάθε κλήση πριν τη ροή των δεδομένων Κάθε πακέτο έχει ένα αναγνωριστικό VC (όχι τη διεύθυνση προορισμού) Κάθε router στο μονοπάτι διατηρεί κατάσταση για κάθε σύνδεση στην οποία εμπλέκεται Οι πόροι (bandwidth, buffers) για τα link και router μπορεί να κατανέμονται στο VC (αφιερωμένοι πόροι = αναμενόμενη / προβλέψιμη υπηρεσία) 45

Υλοποίηση VC Ένα VC αποτελείται από μονοπάτι από την πηγή ως τον προορισμό αριθμούς VC, έναν αριθμό για κάθε link για όλο το μονοπάτι εγγραφές στους πίνακες προώθησης των routers για όλο το μονοπάτι Τα πακέτα που ανήκουν στο VC έχουν αριθμό VC (αντί για διεύθυνση προορισμού) Ο αριθμός VC μπορεί να αλλάζει σε κάθε link νέος αριθμός προκύπτει από τον πίνακα προώθησης Πρωτόκολλα Διαδικτύου, 9η Διάλεξη 46

Πίνακας προώθησης VC 12 22 32 Πίνακας προώθησης στο βορειοδυτικό router: Αριθμός VC Αριθμός διεπαφής 1 2 3 Εισερχόμενη διεπαφή Εισερχ. αρ. VC Εξερχόμενη διεπαφή Εξερχ. Αρ. VC 1 12 3 22 2 63 1 18 3 7 2 17 1 97 3 87 Οι VC routers διατηρούν πληροφορία για την κατάσταση της σύνδεσης! Πρωτόκολλα Διαδικτύου, 9η Διάλεξη 47

VCs: πρωτόκολλα σηματοδότησης Χρησιμοποιούνται για την εγκαθίδρυση, διατήρηση και τερματισμό του VC Εφαρμόζονται σε ATM, frame-relay, X.25 Δεν εφαρμόζονται στο σημερινό Internet application transport network data link physical 5. Αρχή ροής δεδομένων 6. Λήψη δεδομένων 4. Σύνδεση κλήσης 3. Αποδοχή κλήσης 1. Αρχικοποίηση κλήσης 2. Εισερχόμενη κλήση application transport network data link physical Πρωτόκολλα Διαδικτύου, 9η Διάλεξη 48

Δίκτυα datagram Δε γίνεται εγκαθίδρυση κλήσης / σύνδεσης στο επίπεδο δικτύου Οι routers δε διατηρούν την κατάσταση για την ολική (end-to-end) σύνδεση Δεν υπάρχει η έννοια της «σύνδεσης» σε επίπεδο δικτύου Τα πακέτα προωθούνται με χρήση των διευθύνσεων προορισμού application transport network data link physical 1. Αποστολή datagrams 2. Λήψη datagrams application transport network data link physical Πρωτόκολλα Διαδικτύου, 9η Διάλεξη 50

Πίνακας προώθησης datagram (1/2) Αλγόριθμος δρομολόγησης Τοπικός πίνακας προώθησης Διευθ. προορισμού Εξερχ. link εύρος διευθ. 1 εύρος διευθ. 2 εύρος διευθ. 3 εύρος διευθ. 4 3 2 2 1 4 δισεκ. IP διευθύνσεις, οπότε αντί να υπάρχει λίστα με ξεχωριστές διευθύνσεις προορισμού, υπάρχει λίστα με εύρος (range) διευθύνσεων (συνάθροιση εγγραφών του πίνακα) Η IP διεύθυνση προορισμού στο header του εισερχόμενου πακέτου 1 3 2 51

Πίνακας προώθησης datagram (2/2) Εύρος διευθύνσεων προορισμού 11001000 00010111 00010000 00000000 έως 11001000 00010111 00010111 11111111 11001000 00010111 00011000 00000000 έως 11001000 00010111 00011000 11111111 11001000 00010111 00011001 00000000 έως 11001000 00010111 00011111 11111111 διαφορετικά Διεπαφή link 0 1 2 3 Πρωτόκολλα Διαδικτύου, 9η Διάλεξη 52

Longest prefix matching longest prefix matching - ταίριασμα μεγαλύτερου προθέματος Στην αναζήτηση εγγραφής στον πίνακα προώθησης για συγκεκριμένη διεύθυνση προορισμού, γίνεται χρήση της διεύθυνσης με το μεγαλύτερο πρόθεμα που ταιριάζει στη διεύθυνση προορισμού Παραδείγματα: Εύρος διευθύνσεων προορισμού 11001000 00010111 00010*** ********* 11001000 00010111 00011000 ********* 11001000 00010111 00011*** ********* διαφορετικά ΔΠ: 11001000 00010111 00010110 10100001 ΔΠ: 11001000 00010111 00011000 10101010 Διεπαφή link 0 1 2 3 Ποια διεπαφή? 54

Datagram ή δίκτυο VC Internet (datagram) Ανταλλαγή δεδομένων μεταξύ υπολογιστών ελαστική υπηρεσία, μη αυστηρές απαιτήσεις χρόνου Πολλοί τύποι link διαφορετικά χαρακτηριστικά δύσκολη η ύπαρξη ομοιόμορφης υπηρεσίας έξυπνα end systems μπορούν να προσαρμόζονται, εκτελούν ελέγχους, ανταποκρίνονται σε σφάλματα απλό στο εσωτερικό του δικτύου, πολυπλοκότητα στο edge ATM (VC) Προέκυψε από την τηλεφωνία Ανθρώπινη συνομιλία αυστηροί χρόνοι, απαιτήσεις αξιοπιστίας ανάγκη για διασφαλισμένη υπηρεσία dumb end systems τηλέφωνα πολυπλοκότητα στο εσωτερικό του δικτύου 55

Αρχικτεκτονική router 2 βασικές λειτουργίες Εκτέλεση αλγορίθμων δρομολόγησης Προώθηση datagrams από εισερχόμενο σε εξερχόμενο link υπολογ. πινάκων προώθησης, πληροφ. στις πόρτες εισόδου Επεξεργαστής δρομολόγησης δρομολόγηση, διαχείριση επίπεδο ελέγχου (software) επίπεδο προώθησης δεδομένων (hardware) Μηχανισμός μεταγωγής υψηλής ταχύτητας Πόρτες εισόδου router Πόρτες εξόδου router 57

Λειτουργίες πόρτας εισόδου Τερματισμός γραμμής Πρωτόκολλο επιπέδου σύνδεσης (λήψη) Αναζήτηση, προώθηση ουρά Μηχανισμός μεταγωγής Φυσικό επίπεδο: υποδοχή bit Επίπεδο σύνδεσης: π.χ. Ethernet Αποκεντρικοποιημένη μεταγωγή: Βάσει του προορισμού του datagram, γίνεται αναζήτηση πόρτας εξόδου με χρήση του πίνακα προώθησης στη μνήμη της πόρτας εισόδου ( ταίριασμα και ενέργεια ) Στόχος: Ολοκλήρωση επεξεργασίας πόρτας εισόδου στην ταχύτητα της σύνδεσης Ουρές: Αν τα datagrams φθάνουν πιο γρήγορα από το ρυθμό προώθησης στο μηχανισμό μεταγωγής

Μηχανισμός μεταγωγής Μεταφορά πακέτων από το buffer της εισόδου στο κατάλληλο buffer εξόδου Ρυθμός μεταγωγής: ρυθμός στον οποίο πακέτα μπορούν να μεταφέρονται από τις εισόδους στις εξόδους Συχνά μετράται ως πολλαπλάσιο του ρυθμού της σύνδεσης εισόδου / εξόδου N είσοδοι: επιθυμητός ρυθμός μεταγωγής N φορές το ρυθμό της σύνδεσης 3 τύποι μηχανισμών μεταγωγής memory memory bus crossbar 59

Μεταγωγή μέσω μνήμης (memory) Πρώτη γενιά routers Απλοί υπολογιστές με μεταγωγή που ελεγχόταν από τη CPU Τα πακέτα αντιγράφονταν στη μνήμη του συστήματος, γινόταν έλεγχος της διεύθυνσης προορισμού, αναζήτηση της κατάλληλης εξόδου και αντιγραφή πακέτου στο εξερχόμενο buffer Η ταχύτητα περιοριζόταν από το bandwidth της μνήμης (2 bus crossings ανά datagram) Δε γίνεται προώθηση 2 πακέτων την ίδια στιγμή (λόγω χρήσης μνήμης) Πόρτα εισόδου (π.χ. Ethernet) Μνήμη (memory) Πόρτα εξόδου (π.χ. Ethernet) system bus Πρωτόκολλα Διαδικτύου, 9η Διάλεξη 60

Μεταγωγή μέσω bus Μεταγωγή των datagram από τη μνήμη της πόρτας εισόδου στη μνήμη της πόρτας εξόδου μέσω κοινού bus Εισαγωγή αναγνωριστικού (label) στην πόρτα εισόδου Περιορισμός: η ταχύτητα μεταγωγής περιορίζεται από το bandwidth του bus Μόνο 1 πακέτο μπορεί να είναι στο bus κάθε στιγμή bus Πρωτόκολλα Διαδικτύου, 9η Διάλεξη 61

Μεταγωγή μέσω διασυνδεδεμένου δικτύου Αντιμετώπιση περιορισμών bandwidth του bus Διασυνδεδεμένα δίκτυα όπως Βanyan networks, crossbar, κ.α. υλοποιήθηκαν αρχικά για τη διασύνδεση επεξεργαστών Ν πόρτες απαιτούν 2N buses Παράλληλη προώθηση πολλαπλών πακέτων Προηγμένη σχεδίαση: κατακερματισμός datagram σε κελιά συγκεκριμένου μήκους, μεταγωγή κελιών μέσω του μηχανισμού crossbar Πολλαπλά πακέτα προς την ίδια πόρτα εξόδου 62

Πόρτες εξόδου Μηχανισμός μεταγωγής datagram buffer ουρές Πρωτόκολλο επιπέδου σύνδεσης (αποστολή) Τερματισμός γραμμής Απαιτείται buffering Datagram όταν datagrams (πακέτα) μπορούν φθάνουν να χαθούν από το μηχανισμό μεταγωγής λόγω συμφόρησης, πιο γρήγορα έλλειψης από το buffers ρυθμό μετάδοσης H χρονοδρομολόγηση Δρομολόγηση (scheduling) προτεραιότητας επιτρέπει ποίος την επιλογή μεταξύ των λαμβάνει datagrams την καλύτερη που είναι απόδοση, στην ουρά για μετάδοση ουδετερότητα δικτύου 63

Ουρές πόρτας εξόδου Μηχαν. μεταγωγής Μηχαν. μεταγωγής σε t, περισσότερα πακέτα από είσοδο προς έξοδο 1 «χρόνος πακέτου» μετά Βuffering όταν ο ρυθμός αφίξεων στο μηχανισμό ξεπερνάει την ταχύτητα της σύνδεσης εξόδου Ουρές (καθυστέρηση) και απώλειες λόγω υπερχείλισης του buffer της πόρτας εξόδου! 65

Πόσο buffering χρειάζεται? Ορίζεται στο RFC 3439: το μέσο buffering ισούται με το RTT (έστω 250 msec) επί τη χωρητικότητα C της σύνδεσης Π.χ. C = 10 Gpbs link: 2.5 Gbit buffer Πρόσφατη σύσταση: για N ροές, το buffering ισούται με RTT. C N Πρωτόκολλα Διαδικτύου, 9η Διάλεξη 66

Ουρές πόρτας εισόδου Όταν ο μηχανισμός είναι πιο αργός από το συνδυασμό των πορτών εισόδου, ουρές μπορεί να δημιουργηθούν στις πόρτες εισόδου Καθυστέρηση και απώλειες λόγω υπερχείλισης του buffer εισόδου! Παρεμπόδιση Head-of-the-Line (HOL): ένα datagram στην αρχή της ουράς δεν επιτρέπει άλλα (που είναι στην ουρά) να προχωρήσουν Μηχαν. μεταγωγής Μηχαν. μεταγωγής Σύνδεση πόρτας εξόδου: μόνο 1 κόκκινο datagram μπορεί να μεταφερθεί (το χαμηλότερο κόκκινο παρεμποδίζεται) 1 «χρόνος πακέτου» μετά: το πράσινο πακέτο αντιμετωπίζει παρεμπόδιση HOL 67