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パケット廃棄の検出(2)

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6. 6 データリンク層,トランスポート層における誤り制御

6章
誤り制御
誤り制御



トランスポート層
インターネット層
HDLC
イーサネット
データリンク層


アプリケーション層
データリンク層

電子情報工学科 3年前期
ネットワークアーキテクチャ
情報科学センター/ネットワークデザイン
研究センター
福田 豊
データリンク層
トランスポート層
トランスポート層

TCP
物理層
TCP/IP protocol stack
53
TCPにおける誤り制御

パケット廃棄の検出



パケット廃棄の検出(1)
パケット廃棄検出の方法
Karnのアルゴリズム
廃棄パケットの再送

誤り制御方式




アプリケーション層
本節に入る前に...
一般的な“パケット”

トランスポート層

インターネット層

データリンク層
Go-back-N
Selective-repeat

物理層

TCP/IP protocol stack
Layerごとに呼び方が異なる
Layer2 : フレーム
Layer3 : データグラム
Layer4 : セグメント
以後,セグメントを用いる
54
55
パケット廃棄の検出(2)

タイムアウトによる検出(1)
TCPにおけるセグメントの廃棄の
検出方法は2種類

TCP

送信側がもつタイマーのタイムアウトにより検出



Karn のアルゴリズム

重複ACK


ビット誤りの検出方法



送信側でセグメント全体のチェックサムを計算し
ヘッダに書き込む
受信側で再び同じ演算を行い,誤りを検出
タイムアウト


56
受信側は新しいセグメントを受取るたびに常に
ACK を返す
送信側はセグメントを送るたびに毎回タイマーを
スタートさせて ACK を待つ
タイムアウトすると,TCPはセグメントは廃棄された
ものと判断し再送を行う
トラヒックの変動によりセグメントが受信側へ到達
するまでの時間は変化
遅延の変動を考慮してタイムアウトを決める必要
がある
57
1
タイムアウトによる検出(2)

再送タイムアウト RTO (Retransmission Time
Out) の決定方法



タイムアウト発生時の問題点
RTTの平均 (average) と偏差 (deviation) を用いる
RTO = average + 4 × deviation (6.26)

RTTの平均と偏差の計算



セグメントを送信しタイマが時間切れになると
TCPは同じセグメントを再送

そのセグメントの ACK が戻ってきたとき,もとのセ
グメントの ACK なのか,再送したセグメントの
ACK なのか,区別することができない
往復伝播遅延 RTT がトラヒックの影響で急増
したとき

(6.23)
error = measurement – average
(6.24)
average = average + σ × error
deviation = deviation + σ × (|error| – deviation)


(6.25)
それまでの RTO がタイムアウト
RTT の見積もりが小さいままであると,再びタイム
アウトを起こす可能性が高い
58
59
重複ACKによるセグメント廃棄検出(1)
Karnのアルゴリズムとタイマバックオフ

Karnのアルゴリズム





再送タイマの RTT の計測は行わない
セグメントの再送が続く間は,再送タイムアウトの値
を 2 倍ずつ増加させる
timeout = γ × timeout (通常 γ = 2)
セグメントの廃棄をタイムアウトのみで検出すると


(6.27)
セグメントの廃棄が生じるたびに,タイムアウト期間だ
け送信が停止
スループット特性を著しく劣化させる
タイムスタンプオプション




4.4BSDから採用
送信側はTCPのヘッダの option field に送信時刻を
書き込む
受信側はACKを返す際にその時刻もコピーして返す
送信側はRTTを正確に計算可能

重複ACKによりセグメント廃棄を検出し,その
セグメントをすぐに再送する (fast retransmit)
60
61
累積確認応答
重複ACKによるセグメント廃棄検出(2)


TCPでは累積確認応答を用いている
例:


送信側
受信側

セグメントサイズ

最初の送信

20番目までのセグメントを受信しており,それまで
すべてのセグメントを受信している場合は,21番
目のセグメントの送信を促すACKを返す
続いて22番目のセグメントが到着した場合,21番
目のセグメントの送信を促すACKを返す
重複ACK
62


1,500 Byte
2000 ~ 3499 の 1500
Byte を送信
Ack は 3500 を送信

3499 までは受信できて
おり,次に受取るセグメ
ントが 3500
63
2
重複ACKによるセグメント廃棄検出(3)

重複ACKによるセグメント廃棄検出(4)
重複ACKの例


送信セグメント
20
重複ACKが発生する場合
21
22

23

×
fast retransmit


セグメント廃棄
ACK
21
20
受信セグメント
21
22
21
23

順序の逆転による重複ACKを考慮
送信側は3個以上の重複ACKが連続して戻ってきた場合,
セグメントが破棄されたと判断し,タイムアウトを待たずに
そのセグメントの再送を行う
重複ACKを用いる効果

20番まで連続して受信,次は21番
セグメントが途中の経路の変更によって到着順序が逆転
あるセグメントが廃棄され,それ以降のセグメントが到着

タイムアウトよりも早くセグメント廃棄を検出可能
スループット特性の改善
64
65
Delayed ACK

廃棄セグメントの再送(1)
ホストAと通信している場合



すぐさまACKを返すのではなく,Aにデータを送る
際にACKを付加して送信する
ある時間(通常200ms)経ってもAにデータを送ら
ない場合は,ACK だけを送信する
現在一般的なTCPが採用している
ARQ

Go-back-N


受信側にもバッファを用意し,廃棄されたセ
グメント以降のセグメントを受信バッファに
蓄積し,無駄な再送を省いている
Selective-repeat:TCP with Sack option

Windows2000以降で採用
66
67
廃棄セグメントの再送(2)

廃棄セグメントの再送(3)

SACK

SACK(2)

ヘッダの option field の option種別でSACK
を明示 (option種別にSACKを示す4を入れ
て送信)
セグメントの廃棄を検出した場合は,この option field を
用いて再送すべきセグメントを通知
※通知できる
のは3次まで
バイト単位
68
69
3
廃棄セグメントの再送(4)
廃棄セグメントの再送(5)

TCP SACK:最初のセグメントだけが廃棄された場合

TCP SACK:複数のセグメントが廃棄された場合
70
71
まとめ(1)

誤り制御



輻輳や伝送エラーによる情報誤りを回復

CRC

ARQ,FEC

誤り制御が行われるLayer


まとめ(2)
データリンク層,トランスポート層

誤り検出
真の情報+付加情報 = 符号語
 パリティチェック方式
 CRC方式



mビットのパケットを(m-1)次の多項式M(X)で表現
任意にr(r<m)次の多項式G(X)を定め,以下の手順
に従ってCRCチェックビットを作る
r(G(X)の次数)個の0をmビットのパケットの後に付
ける.すなわち多項式XrM(X)
多項式XrM(X)を多項式G(X)で割り,余りR(X)を求
める
符号語F(X)は
r
F ( X )  X M ( X )  R( X )
72
73
まとめ(5)

シフトレジスタによるCRC



まとめ(6)

巡回符号を使用する場合割り算機能があればよい
2進数の割り算回路は簡単なシフトレジスタで実現
可能
Stop-and-wait
16
15
ARQ



Stop-and-wait
Go-back-N
Selective-repeat
ACK
74
75
4
まとめ(7)
まとめ(8)
Go-back-N


Selective-repeat
タイムアウト時間
タイムアウト時間
13 14 15 16 17 18 19 20 21 15 22 23 24 25
13 14 15 16 17 18 19 20 21 15 16 17 18 19
再送
再送
廃棄
廃棄
76
77
まとめ(9)

まとめ(10)
ARQの性能評価





Selective-repeatが最も優れている
Go-back-N方式は,n および p がある程度小さい
場合,良好な特性を提供できる
Stop-and-wait方式は n および p の両方ともかな
り小さくなければ良好な特性は期待できない
(n =スロット , p = パケットに誤りが生じる確率)
誤り訂正(FEC)

ブロック符号




送信すべき情報をある長さ(例えばkビット)のブロック
に分割し,各ブロックごとに冗長な情報を付加
ランダム誤り訂正符号:ハミング符号,BCH符号
バースト誤り訂正符号:リード・ソロモン符号
畳み込み符号


情報ビットが逐次符号器に入力されると,それ以前に
入力されたある長さの情報との演算を行うことで符号
語を生成
ビタビ符号
78
79
まとめ(11)

まとめ(14)
ハミング符号


2つの符号語

(an , , a3 , a2 , a1 ) と (bn , , b3 , b2 , b1 )


TCPにおける誤り制御

において,ai≠biとなる個所の総数を,これら2つのハミング
(Hamming)距離と定義する
一般に符号語間の最短ハミング距離がdminであるとき

セグメントの廃棄の検出

で与えられる a個までの誤りを訂正可能

この考え方に基づいて構成される符号をハミング符号
タイムアウト


 d  1
a   min 
 2 

セグメントの廃棄
廃棄セグメントの再送

重複ACK


80
RTO = average + 4 × deviation
Karnのアルゴリズム
(1)再送タイマのRTTの計測は行わない
(2)セグメントの再送が続く間は,再送タイムアウトの値を2倍ずつ
増加させる
重複ACKを3回受取るとそのセグメトをすぐに再送(fast
retransmit)
Delayed ACK
83
5
まとめ(15)

TCPにおける廃棄セグメントの再送


参考文献

ARQとしては Go-back-N,Selective-repeat
岩波講座 インターネット第1巻「インターネッ
ト入門」
尾家祐二,後藤滋樹,小西和憲,西尾章治郎
ISBN4-00-011051-9
最近ではSelective-repeatを利用した TCP
with SACK option

岩波講座 インターネット第3巻「トランスポー
トプロトコル」
村山公保,西田佳史,尾家祐二
ISBN4-00-011053-5
84
85
6
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