TỔNG QUAN VỀ GIAO THỨC TCP
Lịch sử phát triển của TCP
Mạng Internet là một mạng máy tính toàn cầu, bắt nguồn từ thập kỷ 60 với thí nghiệm của Bộ Quốc phòng Mỹ, được gọi là ARPAnet Ban đầu, ARPAnet phục vụ cho nghiên cứu quốc phòng và nhằm xây dựng một mạng có khả năng chịu đựng sự cố, cho phép các máy tính giao tiếp với nhau ngay cả khi một số nút mạng bị tấn công.
Khả năng kết nối các hệ thống máy tính khác nhau đã thu hút sự chú ý của nhiều người, đồng thời là phương pháp hiệu quả nhất để liên kết các máy tính từ các hãng khác nhau Điều này đã dẫn đến sự phát triển mạnh mẽ của các nhà phát triển phần mềm tại Mỹ, Anh và Châu Âu.
Châu Âu đã phát triển phần mềm dựa trên giao thức TCP/IP, cho phép truyền thông trên Internet cho mọi loại máy tính Sự phát triển này thu hút sự quan tâm từ các trường đại học, trung tâm nghiên cứu lớn và cơ quan chính phủ, nhằm mục tiêu mua sắm máy tính mà không bị phụ thuộc vào một nhà sản xuất cụ thể nào.
Vào năm 1983, sự phát triển của các hệ thống mạng cục bộ LAN song song với sự ra đời của máy để bàn (Desktop Workstations) đã diễn ra mạnh mẽ Hầu hết các máy để bàn này sử dụng Berkeley UNIX, trong đó phần mềm kết nối TCP/IP đã trở thành một thành phần quan trọng của hệ điều hành Điều này cho thấy khả năng kết nối dễ dàng giữa các mạng này.
Trong quá trình phát triển của mạng Internet, NSFNET, được tài trợ bởi Hội Khoa học Quốc gia Mỹ, đã đóng vai trò quan trọng Vào cuối những năm 80, NSFNET đã thiết lập một hệ thống mạng quy mô lớn, góp phần kết nối các tổ chức nghiên cứu và giáo dục, từ đó thúc đẩy sự phát triển của công nghệ thông tin và Internet như chúng ta biết hôm nay.
Năm trung tâm siêu máy tính mới đã được ra mắt, mở ra cơ hội cho các nhà khoa học trong nhiều lĩnh vực khác nhau Trước đây, những siêu máy tính nhanh nhất chủ yếu phục vụ cho việc phát triển vũ khí và các công ty lớn Tuy nhiên, với sự xuất hiện của các trung tâm mới này, NFS đã tạo điều kiện để mọi người có thể tiếp cận và sử dụng công nghệ tiên tiến trong nghiên cứu khoa học.
NHÓM 13 khong tai duoc inbox admin nhe
NFS đã lên kế hoạch sử dụng ARPAnet để kết nối năm trung tâm máy tính, nhưng đã bị cản trở bởi sự quan liêu trong bộ máy hành chính Do đó, NFS quyết định xây dựng một mạng riêng, dựa trên thủ tục TCP/IP với tốc độ truyền tải 56 Kbps Các trường đại học được kết nối thành các mạng vùng, và những mạng vùng này được liên kết với các trung tâm siêu máy tính.
Ngày nay, Internet đã phát triển mạnh mẽ trong lĩnh vực khoa học và giáo dục tại Mỹ, sau đó lan rộng ra toàn cầu Nó đóng vai trò quan trọng trong việc trao đổi thông tin, đặc biệt trong các lĩnh vực nghiên cứu, giáo dục và gần đây là thương mại.
Internet hoạt động dựa trên kỹ thuật chuyển mạch gói và giao thức TCP/IP Hiện nay, nhiều mạng với kiến trúc khác nhau có thể kết nối vào Internet thông qua các cầu nối đa giao thức.
Giao thức TCP
Giao thức điều khiển truyền vận (TCP) là một trong những giao thức cốt lõi của bộ giao thức TCP/IP, cho phép các ứng dụng trên các máy chủ kết nối và trao đổi dữ liệu một cách đáng tin cậy và đúng thứ tự TCP phân biệt dữ liệu của nhiều ứng dụng hoạt động trên cùng một máy chủ, như dịch vụ web và dịch vụ thư điện tử Để đơn giản hóa thiết kế và cài đặt mạng, hầu hết các mạng máy tính hiện nay được phân tích theo quan điểm phân tầng, trong đó mỗi hệ thống thành phần được cấu trúc thành nhiều tầng, với mỗi tầng xây dựng dựa trên tầng trước đó Số lượng và chức năng của các tầng phụ thuộc vào nhà thiết kế Mô hình tham chiếu 7 lớp của tổ chức tiêu chuẩn hóa quốc tế (IOS) là chuẩn để so sánh với các giao thức khác, do đó, trước khi nghiên cứu giao thức TCP/IP, cần xem xét mô hình 7 lớp OSI.
NHÓM 13 khong tai duoc inbox admin nhe
Báo hiệu điều khiển và kết nối Chương I: Tổng quan về giao thức TCP
Trong mô hình OSI, mỗi tầng có nhiệm vụ cung cấp dịch vụ cho tầng cao hơn và mô tả chi tiết cách cài đặt các dịch vụ này Các tầng được thiết kế theo cách mà mỗi tầng chỉ nhận thức được việc giao tiếp với tầng tương ứng trên hệ thống khác Trên thực tế, mỗi tầng chỉ giao tiếp với các tầng liền kề ở trên và dưới trong cùng một hệ thống.
Trong mô hình mạng không tầng, chỉ có tầng thấp nhất có khả năng chuyển thông tin trực tiếp với tầng tương ứng trong mạng máy tính khác Để gửi thông tin, dữ liệu từ máy tính phải đi qua tất cả các tầng thấp hơn trước khi được truyền qua Card mạng đến máy nhận Tại đây, thông tin sẽ tiếp tục được truyền lên qua các tầng cho đến khi đến được tầng đã gửi thông tin.
Mô hình này bao gồm 7 tầng Tên gọi và chức năng các tầng được trình bày trong Hình 1.1.
Hình 1.1: Mô hình 7 lớp OSI
NHÓM 13 khong tai duoc inbox admin nhe
Chức năng của các tầng như sau:
1 Tầng vật lý (Physical): Liên quan đến nhiệm vụ truyền dòng bits không có cấu trúc qua đường truyền vật lý, truy nhập đường truyền vật lý nhờ các phương tiện cơ, điện, hàm, vật lý.
2 Tầng liên kết dữ liệu (Data link): Cung cấp phương tiện để truyền thông tin qua liên kết vật lý đảm bảo tin cậy, gửi các khối dữ liệu với các cơ chế đồng bộ hoá, kiểm soát lỗi và kiểm soát luồng dữ liệu cần thiết.
3 Tầng mạng (Network): Thực hiện việc chọn đường và chuyển tiếp thông tin với công nghệ chuyển mạch thích hợp, thực hiện kiểm soát luồng dữ liệu và cắt hợp dữ liệu nếu cần.
4 Tầng giao vận (Transport): Thực hiện việc truyền dữ liệu giữa hai đầu mút (end - to - end), thực hiện cả việc kiểm soát lỗi và kiểm soát luồng dữ liệu giữa hai đầu mút Cũng có thể thực hiện việc ghép kênh, cắt / hợp dữ liệu nếu cần.
5 Tầng phiên (Session): Cung cấp phương tiện quản lý truyền thông giữa các ứng dụng, thiết lập, duy trì, đồng bộ hoá và huỷ bỏ các phiên truyền thông giữa các ứng dụng.
6 Tầng trình diễn (Presentation): Chuyển đổi cú pháp dữ liệu để đáp ứng yêu cầu truyền dữ liệu của các tầng ứng dụng qua mô hình OSI.
7 Tầng ứng dụng (Application): Cung cấp các phương tiện để người sử dụng có thể truy cập được vào môi trường OSI, đồng thời cung cấp các dịch vụ thông tin phân tán.
1.2.3 Mô hình giao thức TCP
Mạng Internet sử dụng giao thức TCP/IP, được minh họa tổng quát trong hình 1.2, cho thấy các dịch vụ mà nó cung cấp cùng với các chuẩn được áp dụng So sánh với kiến trúc hệ thống mở OSI giúp chúng ta có cái nhìn tổng quát hơn về họ giao thức này.
NHÓM 13 khong tai duoc inbox admin nhe
Hình 1.2: Giao thức TCP/IP khi so sánh với mô hình OSI
SMTP- Simple Mail Transfer Protocol
SNMP - Simple Network Manage Protocol
ICMP- Internet Control Message Protocol
FDDI - Fiber Distributed Data Interface
TCP (Transmission Control Protocol) là giao thức liên lạc quan trọng trong tầng giao vận của TCP/IP, có chức năng đảm bảo sự liên lạc thông suốt và tính chính xác của dữ liệu giữa hai điểm kết nối, thông qua việc sử dụng các gói tin IP.
NHÓM 13 khong tai duoc inbox admin nhe
Báo hiệu điều khiển và kết nối Chương I: Tổng quan về giao thức TCP
UDP (User Datagram Protocol) là một giao thức ở tầng giao vận của TCP/IP Khác với TCP, UDP không đảm bảo tính toàn vẹn của dữ liệu và không có cơ chế sửa lỗi Tuy nhiên, UDP mang lại tốc độ truyền dữ liệu nhanh hơn so với TCP.
IP: (Internet Protocol) Là giao thức ở tầng thứ 3 của TCP/IP, nó có trách nhiệm vận chuyển các Datagrams qua mạng Internet.
ICMP (Giao thức Thông điệp Điều khiển Internet) là một quy trình truyền tải thông tin điều khiển trên mạng TCP/IP, chịu trách nhiệm xử lý các thông báo trạng thái cho IP, bao gồm lỗi và thay đổi phần cứng trong mạng, từ đó ảnh hưởng đến việc định tuyến thông tin trong mạng.
RIP: (Routing Information Protocol) Giao thức định tuyến thông tin đây là một trong những giao thức để xác định phương pháp định tuyến tốt nhất cho truyền tin.
Giao thức ARP (Address Resolution Protocol) hoạt động ở tầng liên kết dữ liệu, có chức năng tìm kiếm địa chỉ vật lý tương ứng với một địa chỉ IP cụ thể Để thực hiện điều này, ARP sử dụng phương thức Broadcasting trên mạng; máy trạm nào có địa chỉ IP trùng khớp với địa chỉ đang được truy vấn sẽ phản hồi bằng thông tin về địa chỉ vật lý của nó.
DSN: (Domain name System) Xác định các địa chỉ theo số từ các tên của máy tính kết nối trên mạng.
FTP, or File Transfer Protocol, is a fundamental service of the Internet that facilitates the transfer of files between computers This protocol enables users to upload and download files efficiently, making it an essential tool for data sharing and management online.
Cấu trúc phân đoạn TCP
Phân đoạn TCP bao gồm trường tiêu đề và trường dữ liệu, trong đó trường dữ liệu chứa thông tin ứng dụng MSS (Maximum Segment Size) xác định kích thước tối đa cho trường dữ liệu của một phân đoạn Khi truyền tải tệp lớn như hình ảnh trên trang web, TCP thường chia tệp thành nhiều phần có kích thước MSS Tuy nhiên, các ứng dụng tương tác như Telnet và SSH thường gửi các khối dữ liệu nhỏ hơn kích thước MSS, dẫn đến trường dữ liệu trong phân đoạn TCP thường nhỏ hơn.
NHÓM 13 khong tai duoc inbox admin nhe chỉ có một byte Vì tiêu đề TCP thường 20 byte ( nhiều hơn 12 byte so với tiêu đề UDP), các phân đoạn được gửi bởi Telnet và ssh có thể chỉ có độ dài 21 byte.
Hình 1.4 cho thấy cấu trúc phân đoạn của TCP Tiêu đề phân đoạn TCP có chứa các trường sau:
Trường số thứ tự 32 bit và trường số xác nhận 32 bit được sử dụng bởi người gửi và người nhận trong giao thức TCP để đảm bảo dịch vụ chuyển nhượng dữ liệu đáng tin cậy.
Trường 16 bit được sử dụng điều khiển luồng Nó được sử dụng để chỉ số byte mà người nhận sẵn sàng chấp nhận.
Trường độ dài tiêu đề TCP là 4 bit, chỉ ra độ dài của tiêu đề TCP trong khoảng 32 bit Độ dài của tiêu đề TCP có thể thay đổi nhờ vào trường tùy chọn TCP, mặc dù thường thì trường này trống, vì độ dài tiêu đề TCP điển hình là 20 byte.
Trường tùy chọn có độ dài thay đổi được sử dụng khi người gửi và người nhận thương lượng kích thước phân đoạn tối đa (MSS) hoặc hệ số tỷ lệ cửa sổ trong mạng tốc độ cao Ngoài ra, một tùy chọn đóng dấu thời gian cũng được xác định.
Trường cờ trong giao thức TCP chứa 6 bit, trong đó bit ACK xác nhận tính hợp lệ của giá trị trong trường xác nhận, cho biết rằng một phân đoạn đã được nhận thành công Các bit RST, SYN và FIN được sử dụng để thiết lập và kết thúc kết nối, trong khi bit CWR và ECE phục vụ cho việc thông báo tắc nghẽn Bit PSH cho biết rằng máy thu sẽ chuyển dữ liệu lên lớp trên ngay lập tức, và bit URG chỉ ra rằng có dữ liệu khẩn cấp trong phân đoạn, với vị trí của dữ liệu khẩn cấp được xác định bởi trường con trỏ dữ liệu khẩn cấp 16 bit TCP cần thông báo cho thực thể lớp trên bên nhận về dữ liệu khẩn cấp và cung cấp một con trỏ đến vị trí kết thúc của dữ liệu này Mặc dù trong thực tế, các trường PSH, URG và con trỏ dữ liệu khẩn cấp ít được sử dụng, nhưng chúng vẫn được đề cập để hoàn thiện thông tin.
NHÓM 13 khong tai duoc inbox admin nhe
Báo hiệu điều khiển và kết nối Chương I: Tổng quan về giao thức TCP
Hình 1.4: Cấu trúc phân đoạn TCP.
Sequence Numbers and Acknowledgment Numbers:
Trong giao thức TCP, hai trường quan trọng nhất là số thứ tự và trường số xác nhận, đóng vai trò thiết yếu trong việc cung cấp dịch vụ truyền dữ liệu đáng tin cậy Để hiểu rõ cách thức hoạt động của các trường này trong việc đảm bảo tính chính xác và độ tin cậy của dữ liệu, chúng ta cần xem xét kỹ lưỡng nội dung mà TCP ghi nhận trong các trường này.
TCP xem dữ liệu như một luồng byte không có cấu trúc nhưng có thứ tự, với số thứ tự phản ánh thứ tự của các byte được truyền Mỗi phân đoạn được đánh số dựa trên số thứ tự của byte đầu tiên trong phân đoạn đó Ví dụ, khi một quy trình trên Máy chủ A gửi dữ liệu tới Máy chủ B qua kết nối TCP, TCP sẽ đánh số từng byte trong luồng dữ liệu Nếu luồng dữ liệu có 500.000 byte và kích thước tối đa của phân đoạn (MSS) là 1.000 byte, byte đầu tiên sẽ được đánh số 0.
NHÓM 13 khong tai duoc inbox admin nhe dựng 500 phân đoạn ra khỏi luồng dữ liệu Phân đoạn đầu tiên được chỉ định số thứ tự 0, phân đoạn thứ hai được gán số thứ tự 1.000, phân đoạn thứ ba được đã gán số thứ tự 2.000, v.v Mỗi số thứ tự được chèn vào trường số thứ tự trong tiêu đề của phân đoạn TCP thích hợp.
Trong giao thức TCP, số xác nhận đóng vai trò quan trọng trong việc quản lý dữ liệu giữa hai máy chủ Máy chủ A có thể nhận dữ liệu từ Máy chủ B trong khi vẫn gửi dữ liệu trở lại Mỗi phân đoạn từ Máy chủ B đều có số thứ tự, và số xác nhận mà Máy chủ A gửi cho B là số thứ tự của byte tiếp theo mà nó mong đợi Ví dụ, nếu Máy chủ A đã nhận tất cả các byte từ 0 đến 535, nó sẽ đặt số xác nhận là 536 trong phân đoạn gửi đến Máy chủ B, cho thấy rằng nó đang chờ nhận byte tiếp theo trong luồng dữ liệu.
Telnet: A Case Study for Sequence and Acknowledgment Numbers
Telnet, được định nghĩa trong RFC 854, là một giao thức ứng dụng phổ biến cho điều khiển từ xa đăng nhập, hoạt động trên TCP và giữa bất kỳ cặp máy chủ nào Mặc dù Telnet cung cấp khả năng tương tác, nhưng nhiều người dùng hiện nay ưu tiên sử dụng SSH vì dữ liệu, bao gồm cả mật khẩu, được gửi qua Telnet không được mã hóa, khiến nó dễ bị tấn công nghe trộm.
Khi Máy chủ A khởi tạo phiên Telnet với Máy chủ B, Máy chủ A trở thành máy khách và Máy chủ B là máy chủ Mọi ký tự người dùng nhập tại máy khách sẽ được gửi đến máy chủ từ xa, và máy chủ sẽ phản hồi bằng cách gửi lại bản sao của từng ký tự, hiển thị trên màn hình Telnet của người dùng.
“Phản hồi lại” này được sử dụng để đảm bảo rằng các ký tự được người dùng Telnet nhìn NHÓM 13 khong tai duoc inbox admin nhe
Chương I: Tổng quan về giao thức TCP mô tả cách thức điều khiển và kết nối, đảm bảo rằng dữ liệu được gửi và nhận một cách hiệu quả giữa người dùng và trang web từ xa Mỗi ký tự mà người dùng nhập sẽ được truyền qua mạng hai lần, từ thời điểm nhấn phím cho đến khi ký tự đó được hiển thị trên màn hình.
Hình 1.5: Số thứ tự và xác nhận cho một Telnet đơn giản ứng dụng qua TCP
Khi người dùng nhập chữ cái 'C' và lấy một ly cà phê, chúng ta kiểm tra các phân đoạn TCP giữa máy khách và máy chủ Giả sử số thứ tự bắt đầu là 42 cho máy khách và 79 cho máy chủ, số thứ tự của một đoạn phản ánh vị trí của byte đầu tiên trong trường dữ liệu Do đó, phân đoạn đầu tiên từ máy khách sẽ có số thứ tự 42, trong khi phân đoạn đầu tiên từ máy chủ sẽ có số thứ tự 79 Sau khi kết nối TCP được thiết lập, máy khách đang chờ byte 79 và máy chủ đang chờ byte 42.
Trong Hình 1.5, có ba phân đoạn được gửi đi, trong đó phân đoạn đầu tiên từ máy khách đến máy chủ chứa biểu diễn ASCII 1 byte của chữ 'C' trong trường dữ liệu Phân đoạn này có số thứ tự là 42, được nêu rõ để mô tả quá trình truyền tải.
ĐIỀU KHIỂN TẮC NGHẼN CHO GIAO THỨC TCP
Kiểm soát tắc nghẽn TCP cổ điển
Phương pháp TCP yêu cầu người gửi giới hạn tốc độ gửi lưu lượng vào kết nối để xử lý tắc nghẽn mạng Khi phát hiện ít tắc nghẽn, người gửi sẽ tăng tốc độ gửi, ngược lại, nếu có tắc nghẽn, tốc độ sẽ giảm Tuy nhiên, điều này đặt ra ba câu hỏi quan trọng: Thứ nhất, làm thế nào để người gửi giới hạn tốc độ gửi? Thứ hai, làm thế nào để nhận biết sự tắc nghẽn trên đường dẫn? Cuối cùng, người gửi nên áp dụng thuật toán nào để điều chỉnh tốc độ gửi một cách hiệu quả?
Kết nối TCP bao gồm bộ đệm nhận, bộ đệm gửi và các biến như LastByteRead và rwnd Cơ chế kiểm soát tắc nghẽn TCP hoạt động tại người gửi, theo dõi biến cwnd (cửa sổ tắc nghẽn) để hạn chế tốc độ gửi dữ liệu vào mạng Lượng dữ liệu chưa được xác nhận tại người gửi không được vượt quá giá trị tối thiểu giữa cwnd và rwnd.
Để kiểm soát tắc nghẽn trong TCP, điều kiện LastByteSent – LastByteAcked ≤ min {cwnd, rwnd} được áp dụng, với giả định rằng bộ đệm nhận rất lớn để không bị giới hạn bởi cửa sổ nhận Do đó, số lượng dữ liệu chưa được xác nhận ở phía người gửi chỉ phụ thuộc vào cwnd Giả định rằng người gửi luôn có dữ liệu để gửi, nghĩa là tất cả các phân đoạn trong cửa sổ tắc nghẽn đều được gửi đi.
Chúng ta phân tích một kết nối với tổn thất và độ trễ truyền gói tối thiểu Mỗi khi bắt đầu một RTT, người gửi có thể gửi cwnd byte dữ liệu vào kết nối.
NHÓM 13 khong tai duoc inbox admin nhe
Trong giao thức TCP, vào cuối thời gian RTT, người gửi nhận được thông báo xác nhận cho dữ liệu đã gửi Tốc độ gửi của người gửi được xác định bởi công thức cwnd / RTT (byte/giây) Bằng cách điều chỉnh giá trị của cwnd, người gửi có khả năng điều chỉnh tốc độ gửi dữ liệu trong kết nối của mình.
Trong giao thức TCP, người gửi phát hiện tắc nghẽn thông qua sự kiện mất, được xác định khi có thời gian chờ hoặc nhận ba ACK trùng lặp từ người nhận Tắc nghẽn xảy ra khi bộ đệm của bộ định tuyến tràn, dẫn đến việc mất gói dữ liệu và dữ liệu bị mất ở người gửi Ngược lại, trong trường hợp mạng không có tắc nghẽn, người gửi sẽ nhận được các xác nhận cho các phân đoạn chưa được xác nhận, từ đó cho thấy các phân đoạn đang được phân phối thành công và kích thước cửa sổ tắc nghẽn sẽ được tăng lên Tốc độ nhận xác nhận ảnh hưởng đến tốc độ tăng kích thước cửa sổ tắc nghẽn; nếu xác nhận đến nhanh, cửa sổ sẽ tăng nhanh chóng, trong khi nếu đến chậm, cửa sổ sẽ tăng từ từ TCP do đó được xem là tự tạo xung nhịp thông qua việc sử dụng xác nhận.
Người gửi TCP cần xác định tốc độ gửi một cách hợp lý để tránh làm nghẽn mạng, trong khi vẫn tận dụng tối đa băng thông có sẵn Nếu gửi quá nhanh, họ có thể gây ra tình trạng tắc nghẽn, nhưng nếu quá thận trọng, họ sẽ không sử dụng hết khả năng băng thông Do đó, việc điều chỉnh giá trị cwnd là rất quan trọng để đạt được sự cân bằng giữa tốc độ gửi và hiệu suất mạng.
NHÓM 13 khong tai duoc inbox admin nhe
Trong Chương II về điều khiển tắc nghẽn cho giao thức TCP, bài viết khám phá cách mà người gửi TCP có thể điều chỉnh tốc độ gửi dữ liệu Câu hỏi đặt ra là liệu người gửi TCP có thể phối hợp một cách rõ ràng hay chỉ dựa vào phương pháp phân tán với thông tin cục bộ TCP giải quyết những vấn đề này thông qua các nguyên tắc nhất định, nhằm tối ưu hóa việc sử dụng băng thông có sẵn.
Khi một phân đoạn bị mất, điều này dẫn đến tắc nghẽn và làm giảm tốc độ gửi của TCP Sự kiện hết thời gian chờ hoặc việc nhận bốn xác nhận (bao gồm một ACK gốc và ba ACK trùng lặp) được coi là dấu hiệu ngầm định cho việc mất mát phân đoạn Sau khi nhận được bốn phân đoạn đã được xác nhận, người gửi TCP sẽ kích hoạt gửi lại phân đoạn bị mất và cần giảm kích thước cửa sổ tắc nghẽn.
Một phân đoạn được xác nhận cho thấy mạng đang chuyển giao các phân đoạn từ người gửi đến người nhận, dẫn đến việc tỷ lệ của người gửi có thể gia tăng khi nhận được ACK cho một phân đoạn chưa được xác nhận Sự xuất hiện của các xác nhận này được xem như một dấu hiệu tích cực cho thấy quá trình truyền tải diễn ra suôn sẻ và mạng không gặp phải tình trạng tắc nghẽn Do đó, kích thước cửa sổ tắc nghẽn có khả năng được mở rộng.
TCP thăm dò băng thông bằng cách theo dõi các ACK để xác định đường dẫn không bị tắc nghẽn và các sự kiện mất mát để nhận biết tình trạng tắc nghẽn Khi nhận được ACK, TCP sẽ tăng tốc độ truyền cho đến khi xảy ra mất mát, lúc đó tốc độ sẽ được giảm xuống Quá trình này cho phép người gửi TCP điều chỉnh tốc độ truyền để xác định mức độ tắc nghẽn, sau đó lùi lại và tiếp tục thăm dò để xem liệu mức độ tắc nghẽn có thay đổi hay không Mạng không cung cấp tín hiệu rõ ràng về tình trạng tắc nghẽn, do đó ACK và sự kiện mất mát trở thành tín hiệu ngầm định, và mỗi người gửi TCP hoạt động dựa trên thông tin cục bộ không đồng bộ từ các người gửi khác.
NHÓM 13 khong tai duoc inbox admin nhe
Bài viết này cung cấp cái nhìn tổng quan về kiểm soát tắc nghẽn TCP, với trọng tâm là thuật toán kiểm soát tắc nghẽn TCP được mô tả lần đầu tiên trong [Jacobson 1988] và tiêu chuẩn hóa trong [RFC 5681] Thuật toán này bao gồm ba thành phần chính: khởi động chậm, tránh tắc nghẽn và khôi phục nhanh Trong đó, khởi động chậm và tránh tắc nghẽn là hai thành phần bắt buộc của TCP, với cách thức tăng kích thước của cwnd khác nhau dựa trên các ACK đã nhận Đáng chú ý, khởi động chậm thực tế làm tăng kích thước cwnd nhanh hơn so với tránh tắc nghẽn, mặc dù tên gọi có vẻ ngược lại Khôi phục nhanh là một tính năng được khuyến nghị nhưng không bắt buộc cho người gửi TCP.
Slow Start (Khởi động chậm)
Khi kết nối TCP được khởi tạo, giá trị cwnd thường bắt đầu từ 1 MSS, dẫn đến tốc độ gửi ban đầu là MSS/RTT Ví dụ, với MSS = 500 byte và RTT = 200 msec, tốc độ gửi ban đầu là 20 kbps Để nhanh chóng xác định băng thông khả dụng, cwnd sẽ tăng dần từ 1 MSS mỗi khi một phân đoạn được xác nhận lần đầu Cụ thể, sau khi gửi phân đoạn đầu tiên và nhận xác nhận, cwnd sẽ tăng lên 2 MSS khi gửi 2 phân đoạn tối đa Quá trình này tiếp tục, với cwnd tăng lên 1 MSS cho mỗi phân đoạn được xác nhận, dẫn đến việc tăng gấp đôi tốc độ gửi mỗi RTT Như vậy, tốc độ gửi TCP bắt đầu chậm nhưng tăng trưởng theo cấp số nhân trong giai đoạn khởi động chậm.
NHÓM 13 khong tai duoc inbox admin nhe
Báo hiệu điều khiển và kết nối Chương II: Điều khiển tắc nghẽn cho giao thức TCP
Hình 2.1: TCP khởi động chậm
Nhưng câu hỏi được đặt ra ở đây là sự tăng trưởng theo cấp số nhân này khi nào sẽ kết thúc?
- Đầu tiên, nếu xảy ra hiện tượng tắc nghẽn, người gửi TCP đặt giá trị cwnd thành
MSS (Maximum Segment Size) và quá trình khởi động chậm đều đóng vai trò quan trọng trong việc quản lý tắc nghẽn mạng Khi phát hiện tắc nghẽn, giá trị của ngưỡng khởi động chậm (ssthresh) sẽ được thiết lập bằng một nửa giá trị của cửa sổ tắc nghẽn (cwnd), giúp điều chỉnh lại tốc độ truyền dữ liệu một cách hiệu quả.
Quá trình khởi động chậm trong TCP kết thúc khi giá trị cwnd đạt bằng ssthresh, mà ssthresh được xác định là một nửa giá trị cwnd cuối cùng khi phát hiện tắc nghẽn Khi cwnd bằng ssthresh, TCP chuyển sang chế độ tránh tắc nghẽn, và trong giai đoạn này, TCP sẽ tăng cwnd một cách cẩn thận hơn để duy trì hiệu suất mạng.
NHÓM 13 khong tai duoc inbox admin nhe
Thông báo tắc nghẽn rõ ràng do mạng hỗ trợ và Kiểm soát tắc nghẽn dựa trên độ trễ
Kể từ khi tiêu chuẩn hóa về khởi động chậm và kiểm soát tắc nghẽn vào cuối những năm 1980, TCP đã áp dụng phương pháp kiểm soát tắc nghẽn đầu cuối, trong đó người gửi không nhận được tín hiệu rõ ràng về tắc nghẽn từ lớp mạng, mà chỉ nhận biết qua mất gói Gần đây, các mở rộng cho IP và TCP đã được đề xuất và triển khai, cho phép mạng thông báo rõ ràng về tình trạng tắc nghẽn cho người gửi và nhận TCP Bên cạnh đó, một số biến thể của giao thức kiểm soát tắc nghẽn TCP cũng đã được phát triển để suy ra tình trạng tắc nghẽn thông qua việc đo lường độ trễ của gói tin.
NHÓM 13 khong tai duoc inbox admin nhe
Báo hiệu điều khiển và kết nối Chương II: Điều khiển tắc nghẽn cho giao thức TCP
Chúng ta sẽ xem xét cả kiểm soát tắc nghẽn do mạng hỗ trợ và dựa trên độ trễ trong phần này.
Thông báo tắc nghẽn rõ ràng ECN
Thông báo tắc nghẽn là một phương pháp kiểm soát tắc nghẽn trong mạng Internet, liên quan đến cả TCP và IP Tại lớp mạng, hai bit trong trường loại dịch vụ của tiêu đề IP được sử dụng cho ECN, với bốn giá trị có thể Bộ định tuyến sử dụng cài đặt của các bit ECN để thông báo rằng nó đang gặp phải tình trạng tắc nghẽn.
Hình 2.6: Thông báo tắc nghẽn rõ ràng: được hỗ trợ bởi mạng điều khiển tắc nghẽn.
Dấu hiệu tắc nghẽn được chuyển trong sơ đồ IP đến máy chủ đích, thông báo cho máy chủ gửi, như thể hiện trong Hình 2.6 [RFC 3168] Mặc dù RFC 3168 không định nghĩa thời điểm bộ định tuyến bị tắc nghẽn, quyết định này phụ thuộc vào cấu hình của nhà cung cấp bộ định tuyến và nhà khai thác mạng Bit chỉ báo tắc nghẽn có thể được thiết lập để báo hiệu sự khởi đầu của tắc nghẽn cho quá trình gửi trước khi xảy ra mất mát thực sự.
NHÓM 13 khong tai duoc inbox admin nhe
ECN được máy chủ sử dụng để thông báo cho các bộ định tuyến về khả năng ECN của người gửi và người nhận, cho phép họ thực hiện các hành động cần thiết nhằm ứng phó với tình trạng tắc nghẽn mạng được chỉ định bởi ECN.
Khi TCP trong máy chủ nhận nhận được thông báo tắc nghẽn ECN qua sơ đồ dữ liệu, nó sẽ thông báo cho TCP trong máy chủ gửi bằng cách cài đặt bit ECE trong phân đoạn TCP ACK Khi TCP gửi nhận được ACK có tắc nghẽn, nó sẽ giảm một nửa cửa sổ tắc nghẽn và sử dụng truyền lại nhanh để tương tác với phân đoạn bị mất, đồng thời đặt bit CWR trong tiêu đề của lần truyền tiếp theo đến TCP nhận.
Ngoài TCP, các giao thức lớp truyền tải khác như DCCP, DCTCP và DCQCN cũng có thể sử dụng ECN được báo hiệu bởi lớp mạng DCCP cung cấp kiểm soát tắc nghẽn chi phí thấp cho dịch vụ không đáng tin cậy tương tự như UDP Cả DCTCP và DCQCN đều được thiết kế cho các mạng trung tâm dữ liệu và cũng áp dụng ECN Các phép đo Internet gần đây cho thấy sự gia tăng trong việc triển khai khả năng ECN trên các máy chủ phổ biến và bộ định tuyến dọc theo đường dẫn đến các máy chủ này.
Kiểm soát tắc nghẽn dựa trên độ trễ
Một bộ định tuyến bị tắc nghẽn có thể đặt bit thông báo tắc nghẽn để cảnh báo người gửi về tình trạng tắc nghẽn, giúp họ giảm tốc độ gửi trước khi xảy ra mất gói tin Điều này giúp tránh mất hoặc truyền lại các gói tin quan trọng Ngoài ra, cách tiếp cận dựa trên độ trễ cũng được áp dụng để phát hiện sớm sự khởi đầu của tắc nghẽn, nhằm ngăn chặn mất gói tin.
Trong TCP Vegas, người gửi ước lượng thời gian tròn (RTT) của đường dẫn đến nguồn đích cho tất cả các gói được xác nhận RTT tối thiểu được xác định từ các phép đo này tại người gửi, xảy ra khi đường dẫn không bị tắc nghẽn và các gói gặp phải độ trễ xếp hàng.
Báo hiệu điều khiển và kết nối trong Chương II tập trung vào việc điều khiển tắc nghẽn cho giao thức TCP, với kích thước cửa sổ tắc nghẽn của TCP Vegas được ký hiệu là cwnd Tốc độ thông lượng chưa kiểm tra được tính toán là cwnd / RTT min TCP Vegas hoạt động trên nguyên tắc rằng nếu thông lượng thực tế do người gửi đo gần với giá trị này, tốc độ gửi có thể được tăng lên, cho thấy đường dẫn không bị tắc nghẽn Ngược lại, nếu thông lượng thực tế thấp hơn đáng kể so với tốc độ không tắc nghẽn, điều này cho thấy đường dẫn đã bị tắc nghẽn và người gửi sẽ giảm tốc độ gửi.
TCP Vegas hoạt động theo nguyên tắc "Giữ cho đường ống vừa đầy, nhưng không đầy hơn" Điều này có nghĩa là các liên kết, đặc biệt là các nút cổ chai, cần phải luôn bận rộn trong việc truyền tải để thực hiện công việc hữu ích Tuy nhiên, việc "không đầy hơn" chỉ ra rằng nếu hàng đợi lớn được tích tụ trong khi đường ống được giữ đầy, sẽ không có lợi ích nào đạt được ngoài việc gia tăng độ trễ.
Giao thức kiểm soát tắc nghẽn BBR được phát triển dựa trên ý tưởng từ TCP Vegas, kết hợp các cơ chế giúp nó cạnh tranh hiệu quả với các người gửi TCP không phải BBR Vào năm 2016, Google đã triển khai BBR cho tất cả lưu lượng TCP trên mạng B4 kết nối giữa các trung tâm dữ liệu của mình, thay thế cho CUBIC Hiện tại, BBR cũng đang được sử dụng trên các máy chủ của Google và YouTube Ngoài BBR, các giao thức kiểm soát tắc nghẽn TCP dựa trên độ trễ khác như TIMELY, Compound TCP (CTPC) và FAST cũng được áp dụng cho các mạng trung tâm dữ liệu và mạng đường dài tốc độ cao.
Ngang hàng
Trong kết nối TCP, mỗi kết nối có một đường dẫn end-to-end riêng biệt, nhưng tất cả đều phải đi qua một liên kết nút cổ chai với tốc độ truyền R bps Tại liên kết nút cổ chai, mặc dù mỗi kết nối gặp phải tắc nghẽn, các liên kết khác dọc theo đường dẫn của chúng vẫn không bị tắc nghẽn và có dung lượng truyền dồi dào Giả sử rằng mỗi kết nối đang truyền một tệp lớn và không có lưu lượng UDP nào đi qua liên kết nút cổ chai, một cơ chế kiểm soát tắc nghẽn được coi là hiệu quả nếu tốc độ truyền được duy trì ổn định.
NHÓM 13 khong tai duoc inbox admin nhe truyền trung bình của mỗi kết nối là xấp xỉ R/K; nghĩa là mỗi kết nối nhận được một phần băng thông liên kết bằng nhau.
Thuật toán AIMD của TCP mang lại nhiều lợi ích, đặc biệt khi các kết nối TCP khởi động vào những thời điểm khác nhau, dẫn đến kích thước cửa sổ khác nhau tại cùng một thời điểm Điều này giúp tối ưu hóa băng thông và cải thiện hiệu suất mạng, vì AIMD cho phép các kết nối điều chỉnh tốc độ truyền dữ liệu một cách linh hoạt và hiệu quả.
Xét hai kết nối TCP chia sẻ một liên kết duy nhất với tốc độ truyền R, giả sử chúng có cùng kích thước MSS và RTT, điều này đồng nghĩa với việc chúng có cùng thông lượng nếu kích thước cửa sổ tắc nghẽn giống nhau Cả hai kết nối đều có lượng lớn dữ liệu để gửi mà không có kết nối TCP hoặc UDP nào khác sử dụng liên kết này Bài viết cũng bỏ qua giai đoạn slow-start của TCP và giả định rằng các kết nối TCP luôn hoạt động trong chế độ CA (AIMD).
Biểu đồ thông lượng trong Hình 2.7 cho thấy hai kết nối TCP chia sẻ băng thông liên kết Nếu băng thông được phân chia đồng đều, thông lượng sẽ nằm dọc theo mũi tên 45 độ xuất phát từ điểm gốc, với tổng thông lượng lý tưởng là R Mỗi kết nối cần nhận được một phần băng thông bằng nhau, nhưng tình huống này không phải lúc nào cũng đạt được Mục tiêu là đạt được thông lượng gần với giao điểm giữa đường chia sẻ băng thông bằng nhau và đường sử dụng băng thông đầy đủ trong Hình 2.7.
Hình 2.7: Hai kết nối TCP chia sẻ một liên kết tắc nghẽn duy nhất
NHÓM 13 khong tai duoc inbox admin nhe
Báo hiệu điều khiển và kết nối Chương II: Điều khiển tắc nghẽn cho giao thức TCP
Giả sử rằng các kích thước cửa sổ TCP cho phép hai kết nối 1 và 2 đạt được thông lượng tại điểm A trong Hình 2.7 Khi băng thông liên kết chung của hai kết nối nhỏ hơn R, sẽ không có mất mát dữ liệu và cả hai kết nối sẽ tăng cửa sổ của chúng lên 1 MSS mỗi RTT nhờ thuật toán tránh tắc nghẽn của TCP Do đó, thông lượng chung của hai kết nối sẽ tăng đều theo đường 45 độ từ điểm A Cuối cùng, khi băng thông liên kết sử dụng chung vượt quá R, sẽ xảy ra mất gói.
Khi hai kết nối 1 và 2 bị mất gói, chúng nhận ra thông lượng tại điểm B và giảm kích thước cửa sổ của mình theo hệ số hai Thông lượng tại điểm C, nằm nửa dọc theo vectơ từ B đến gốc, cho thấy việc sử dụng băng thông chung nhỏ hơn R Tại điểm này, hai kết nối tăng thông lượng theo đường 45 độ từ C Tuy nhiên, mất mát lại xảy ra tại điểm D, dẫn đến việc hai kết nối tiếp tục giảm kích thước cửa sổ theo hệ số hai Điều này cho thấy băng thông được nhận ra bởi hai kết nối cuối cùng sẽ dao động dọc theo đường chia sẻ băng thông bằng nhau, và chúng sẽ hội tụ vào hành vi này bất kể vị trí trong không gian hai chiều Mặc dù có một số giả định lý tưởng hóa, kịch bản này vẫn giúp hiểu rõ lý do tại sao TCP dẫn đến việc chia sẻ băng thông ngang nhau giữa các kết nối.
NHÓM 13 khong tai duoc inbox admin nhe
Hình 2.8: Thông lượng được thực hiện bới các kết nối 1 và 2
Trong một tình huống lý tưởng, chỉ các kết nối TCP đi qua nút cổ chai với cùng giá trị RTT và một kết nối TCP duy nhất cho mỗi cặp máy chủ-đích Tuy nhiên, trong thực tế, các điều kiện này thường không được đáp ứng, dẫn đến việc các ứng dụng máy khách-máy chủ nhận được băng thông không đồng đều Đặc biệt, khi nhiều kết nối chia sẻ một nút cổ chai, các phiên có RTT nhỏ hơn có khả năng khai thác băng thông nhanh hơn khi nó trở nên miễn phí, từ đó tận hưởng thông lượng cao hơn so với các kết nối có RTT lớn hơn.
Chúng ta đã tìm hiểu về cách kiểm soát tắc nghẽn TCP điều chỉnh tốc độ truyền của ứng dụng thông qua cơ chế cửa sổ tắc nghẽn Nhiều ứng dụng đa phương tiện như điện thoại Internet và hội nghị truyền hình thường không sử dụng TCP vì họ không muốn tốc độ truyền bị giới hạn, ngay cả khi mạng gặp vấn đề.
NHÓM 13 khong tai duoc inbox admin nhe
Trong chương II về điều khiển tắc nghẽn cho giao thức TCP, các ứng dụng thường chọn UDP do không có tính năng kiểm soát tắc nghẽn Khi sử dụng UDP, các ứng dụng có thể truyền âm thanh và video với tốc độ không đổi, mặc dù có thể mất gói dữ liệu, thay vì giảm tốc độ khi xảy ra tắc nghẽn Điều này khiến TCP cho rằng các ứng dụng này không công bằng, vì chúng không hợp tác với các kết nối khác TCP sẽ tự động giảm tốc độ truyền khi gặp tắc nghẽn, trong khi UDP không cần làm vậy, dẫn đến việc lưu lượng UDP có thể làm giảm hiệu suất của TCP Để giải quyết vấn đề này, một số cơ chế kiểm soát tắc nghẽn đã được đề xuất nhằm ngăn chặn lưu lượng UDP làm đình trệ băng thông Internet.
Kết nối TCP Ngang bằng và Song song
Mặc dù chúng ta có thể điều chỉnh lưu lượng truy cập UDP để hoạt động tương đương, nhưng vấn đề công bằng vẫn chưa được giải quyết triệt để Nguyên nhân là do các ứng dụng dựa trên TCP có thể tận dụng nhiều kết nối song song, điều này tạo ra sự không công bằng trong việc phân bổ tài nguyên mạng.
Các trình duyệt web thường sử dụng nhiều kết nối TCP song song để tải nhiều đối tượng trong một trang web, và số lượng kết nối này có thể được cấu hình Khi một ứng dụng sử dụng nhiều kết nối song song, nó có khả năng nhận một phần lớn băng thông trong trường hợp liên kết bị tắc nghẽn Ví dụ, trong một liên kết có tốc độ R hỗ trợ chín ứng dụng client-server, mỗi ứng dụng sẽ có tốc độ truyền là R/10 Tuy nhiên, nếu một ứng dụng mới xuất hiện và sử dụng 11 kết nối TCP song song, nó sẽ chiếm ưu thế với băng thông gần R/2 Do lưu lượng truy cập web rất phổ biến, việc sử dụng nhiều kết nối song song không phải là điều hiếm gặp trên Internet.
NHÓM 13 khong tai duoc inbox admin nhe
