The Cable Guy
Automatische Optimierung des TCP-Empfangsfensters
Joseph Davies
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Nun zu unserem Thema hier: dem TCP-Empfangsfenster.
Der Durchsatz kann bei TCP-Verbindungen durch Senden und Empfang von Anwendungen, TCP-Implementierungen und dem Übertragungsweg zwischen den TCP-Peers beschränkt werden. In diesem Artikel werde ich das TCP-Empfangsfenster und seine Auswirkungen auf den TCP-Durchsatz, die Verwendung der TCP-Fensterskalierung und die neue Funktion zur automatischen Optimierung des TCP-Empfangsfensters in Windows Vista™ erläutern, die den TCP-Durchsatz für Empfangsdaten optimiert.
Das TCP-Empfangsfenster
TCP-Verbindungen haben einige wichtige Merkmale. Zunächst stellen sie logische Punkt-Punkt-Schaltungen zwischen zwei Anwendungsschicht-Protokollen dar. TCP unterstützt keinen zentralen Verteilungslieferdienst („One to Many“), sondern bietet nur Eins-zu-Eins-Lieferung („One to One“).
Zweitens sind TCP-Verbindungen verbindungsorientiert. Bevor Daten übertragen werden können, müssen zwei Anwendungsschicht-Prozesse formal eine TCP-Verbindung aushandeln. Dazu wird der Prozess zur TCP-Verbindungsherstellung verwendet. Auf ähnliche Weise werden TCP-Verbindungen nach der Aushandlung formal geschlossen, wozu der TCP-Verbindungsbeendigungs-Prozess eingesetzt wird.
Drittens werden zuverlässige Daten, die über eine TCP-Verbindung gesendet werden, sequenziert und eine positive Bestätigung durch den Empfänger wird erwartet. Wird keine positive Bestätigung empfangen, wird das Segment erneut übertragen. Beim Empfänger werden doppelte Segmente verworfen und Segmente, die nicht in der richtigen Reihenfolge eintreffen, wieder korrekt sortiert.
Viertes sind TCP-Verbindungen Vollduplex-Verbindungen. Für jeden TCP-Peer besteht die TCP-Verbindung aus zwei logischen Pipes: einer eingehenden und einer ausgehenden. Der TCP-Header enthält sowohl die Sequenznummer der ausgehenden Daten als auch eine Bestätigung (Acknowledgement oder ACK) der eingehenden Daten.
Darüber hinaus betrachtet TCP die über eingehende und ausgehende logische Pipes gesendeten Daten als kontinuierlichen Datenstrom. Die Sequenznummer und die Bestätigungsnummer in jedem TCP-Header werden zusammen mit den Byte-Grenzen definiert. TCP ist sich keiner Datensatz- oder Nachrichtengrenzen innerhalb des Datenstroms bewusst. Das Anwendungsschicht-Protokoll muss den eingehenden Datenstrom korrekt analysieren.
Um die Menge an Daten zu begrenzen, die zu einem bestimmten Zeitpunkt gesendet werden können und, um die empfängerseitige Flusssteuerung zu gewährleisten, verwenden TCP-Peers ein Fenster. Das Fenster ist die Datenspanne im Datenstrom, die der Empfänger dem Sender zu senden gestattet. Der Sender kann nur die Byte des Datenstroms senden, die innerhalb des Fensters liegen. Das Fenster folgt dem ausgehenden Datenstrom des Senders und dem eingehen Datenstrom des Empfängers.
Für eine bestimmte logische Pipe (eine Richtung der Vollduplex-TCP-Verbindung), pflegt der Sender ein Sende- und der Empfänger ein Empfangsfenster. Werden keine Daten oder ACK-Segmente übertragen, werden die Sende- und Empfangsfenster einer logischen Pipe in Übereinstimmung gebracht. Anders ausgedrückt: die Datenspanne im ausgehenden Datenstrom, die der Sender senden darf, wird mit der Datenspanne im eingehenden Datenstrom abgestimmt, die der Empfänger empfangen kann. Abbildung 1 illustriert diese Sende- und Empfangsbeziehung.
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Abbildung 1 Sende- und Empfangsfenster abstimmen (Klicken Sie zum Vergrößern auf das Bild)
Um die Größe des Empfangsfensters anzugeben, enthält der TCP-Header ein 16-Bit-Fensterfeld. Wenn der Empfänger Daten erhält, sendet er ACKs zurück zum Sender und gibt darin die erfolgreich empfangenen Byte an. In jeder ACK gibt das Fensterfeld die Anzahl der Byte wieder, die im Empfangsfenster verbleiben. Wenn die Daten von der Anwendung gesendet, bestätigt und empfangen wurden, werden sowohl das Sende- als auch das Empfangsfenster nach rechts verschoben. Das Empfangsfenster steuert, wie viele unbestätigte Daten vom Sender zum Empfänger unterwegs sind.
Weil das Empfangsfenster Daten enthalten kann, die von der Anwendung nicht abgerufen werden, und solche, die empfangen, aber nicht bestätigt wurden, weist das TCP-Empfangsfenster eine zusätzliche Struktur auf, wie in Abbildung 2 dargestellt.
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Abbildung 2 Datentypen im TCP-Empfangsfenster (Klicken Sie zum Vergrößern auf das Bild)
Beachten Sie den Unterschied zwischen dem maximalen und dem aktuellen Empfangsfenster. Das maximale Empfangsfenster hat eine feste Größe. Das aktuelle Empfangsfenster weist eine variable Größe auf und entspricht der restlichen Datenmenge, die der Empfänger dem Sender zu senden gestattet. Die Größe des aktuellen Empfangsfensters ist der Wert des Fensterfelds, der in ACKs mitgeteilt und an den Sender zurückgeschickt wurde. Dabei handelt es sich um die Differenz zwischen der maximalen Größe des Empfangsfensters und den Daten, die empfangen und bestätigt, von der Anwendung aber noch nicht abgerufen wurden.
Das TCP-Empfangsfenster und der TCP-Durchsatz
Um den TCP-Durchsatz zu optimieren (unter Voraussetzung eines einigermaßen fehlerfreien Übertragungswegs), sollte der Sender genug Pakete senden, um die logische Pipe zwischen Sender und Empfänger zu füllen. Die Kapazität der logischen Pipe kann mit der folgenden Formel berechnet werden:
Capacity in bits = path bandwidth in bits per second * round-trip time (RTT) in seconds
Die Kapazität wird auch als Produkt aus Bandbreite und Verzögerung (Bandwidth Delay Product oder BDP) bezeichnet. Die Pipe kann dick (hohe Bandbreite), dünn (niedrige Bandbreite), kurz (geringe RTT) oder lang (hohe RTT) sein. Dicke, lange Pipes weisen das höchste BDP auf. Beispiele von Übertragungswegen mit hohem BDP sind z. B. solche über Satelliten oder unternehmensweite Wide Area Networks (WANs), die Interkontinental-Faseroptikverbindungen umfassen.
Die Größe des Fensterfelds im TCP-Header beträgt 16 Bit und ermöglicht einem TCP-Peer die Mitteilung einer maximalen Empfangsfenstergröße von 65.535 Byte. Der ungefähre Durchsatz für eine bestimmte TCP-Fenstergröße kann mit der folgenden Formel berechnet werden:
Throughput = TCP maximum receive windowsize / RTT
Beispiel: Bei einem Empfangsfenster von 65.535 Byte können Sie auf einem Übertragungsweg mit einer RTT von 100 ms nur einen ungefähren Durchsatz von 5,24 Megabit pro Sekunde (Mb/s) erzielen, egal, wie hoch die tatsächliche Bandbreite des Übertragungswegs ist. Bei den heutigen Hoch-BDP-Übertragungswegen wird die ursprünglich entwickelte TCP-Fenstergröße selbst bei ihrem Maximalwert zu einem Engpass.
TCP-Fensterskalierung
Um größere Fenstergrößen zu erhalten, die Hochgeschwindigkeits-Übertragungswege aufnehmen können, definiert RFC 1323 (
ietf.org/rfc/rfc1323.txt) eine Fensterskalierung, die ermöglicht, dass ein Empfänger eine Fenstergröße von mehr als 65.535 Byte mitteilt. Eine TCP-Fensterskalierungsoption umfasst einen Fensterskalierungsfaktor, der in Kombination mit dem 16-Bit-Fensterfeld im TCP-Header die Empfangsfenstergröße auf einen Maximalwert von ca. 1 GB vergrößern kann. Die Fensterskalierungsoption wird während der Verbindungsherstellung nur in SYN-Segmenten gesendet. Beide TCP-Peers können unterschiedliche Fensterskalierungsfaktoren für ihre Empfangsfenstergrößen angeben. Indem einem Sender ermöglicht wird, mehr Daten über eine Verbindung zu senden, ermöglicht die TCP-Fensterskalierung die bessere Nutzung einiger Typen von Übertragungswegen mit hohen BDPs durch die TCP-Knoten.
Obgleich die Empfangsfenstergröße für den TCP-Durchsatz wichtig ist, besteht ein anderer wichtiger Faktor für die Bestimmung des optimalen TCP-Durchsatzes darin, wie schnell die Anwendung die angesammelten Daten im Empfangsfenster abruft (Anwendungsabrufrate). Ruft die Anwendung die Daten nicht ab, kann das Empfangsfenster gefüllt werden, was dazu führt, dass der Empfänger eine kleinere aktuelle Fenstergröße mitteilt. Im Extremfall wird das ganze maximale Empfangsfenster gefüllt und der Empfänger teilt eine Fenstergröße von 0 Byte mit. In diesem Fall muss der Sender die Datensendung stoppen, bis das Empfangsfenster freigemacht wurde. Um den TCP-Durchsatz zu optimieren, sollte daher das TCP-Empfangsfenster für eine Verbindung auf einen Wert eingestellt werden, der sowohl das BDP des Übertragungswegs der Verbindung als auch die Anwendungsabrufrate wiedergibt.
Selbst wenn Sie sowohl das BDP als auch die Anwendungsabrufrate korrekt bestimmen könnten, so können sie sich doch im Verlauf der Zeit ändern. Die BDP-Rate kann bei Überlastungen im Übertragungsweg variieren, und die Anwendungsabrufrate kann je nach Anzahl der Verbindungen, über die die Anwendung Daten empfängt, unterschiedlich sein.
Das Empfangsfenster in Windows XP
Für den TCP/IP-Stack in Windows XP (und Windows Server® 2003) weist die maximale Empfangsfenstergröße eine Reihe signifikanter Attribute auf. Zunächst basiert der Standardwert auf der Verbindungsgeschwindigkeit der Sendeschnittstelle. Der tatsächliche Wert wird automatisch auf gerade Inkremente der maximalen Segmentgröße (Maximum Segment Size oder MSS) angepasst, die während der TCP-Verbindungsherstellung ausgehandelt werden.
Zweitens kann die maximale Empfangsfenstergröße manuell konfiguriert werden. Die Registrierungswerte HKLM\System\CurrentControlSet\Services\Tcpip\Parameters\TCPWindowSize and HKLM\System\CurrentControlSet\Services\Tcpip\Parameters\Interface\InterfaceGUID\TCPWindowSize können auf maximal 65.535 Byte (ohne Fensterskalierung) oder 1.073.741.823 (mit Fensterskalierung) eingestellt werden.
Drittens kann die maximale Empfangsfenstergröße die Fensterskalierung verwenden. Sie können die Fensterskalierung aktivieren, indem Sie den Registrierungswert HKLM\System\CurrentControlSet\Services\Tcpip\Parameters\Tcp1323Opts auf 1 oder 3 setzen. Standardmäßig wird die Fensterskalierung nur bei einer Verbindung verwendet, wenn das empfangene SYN-Segment die Fensterskalierungsoption enthält.
Schließlich kann die maximale Empfangsfenstergröße durch eine Anwendung mit Hilfe der SO_RCVBUF Windows Sockets-Option beim Einleitung einer Verbindung festgelegt werden. Für die Fensterskalierung muss die Anwendung eine Fenstergröße von mehr als 65.535 Byte festlegen.
Trotz der Unterstützung skalierbarer Fenster kann die maximale Empfangsfenstergröße in Windows XP den Durchsatz aufgrund der festen maximalen Größe für alle TCP-Verbindungen einschränken (außer von der Anwendung angegeben), wodurch der Durchsatz für einige Verbindungen gesteigert und für andere reduziert werden kann. Darüber hinaus variiert die feste maximale Empfangsfenstergröße für eine TCP-Verbindung nicht gemäß der Änderungen der Anwendungsabrufrate oder der Überlastung des Übertragungsweges.
Automatische Optimierung des Empfangsfensters in Windows Vista
Um den TCP-Durchsatz zu optimieren, besonders bei Übertragungswegen mit hohem BDP, unterstützt der TCP/IP-Stack der nächsten Generation in Windows Vista (und der nächsten Version von Windows Server mit dem Codenamen „Longhorn“) die automatische Optimierung des Empfangsfensters. Diese Funktion bestimmt die optimale Empfangsfenstergröße durch Messung des BDP und der Anwendungsabrufrate und Anpassung der Fenstergröße an den verwendeten Übertragungsweg und die Anwendungsbedingungen.
Die automatische Optimierung des Empfangsfensters ermöglicht standardmäßige TCP-Fensterskalierung bis zu einer maximalen Empfangsfenstergröße von 16 MB. Wenn die Daten über die Verbindung übertragen werden, überwacht der TCP/IP-Stack der nächsten Generation die Verbindung, misst das aktuelle BDP und die Anwendungsabrufrate und passt die Empfangsfenstergröße an, um den Durchsatz zu optimieren. Der TCP/IP-Stack der nächsten Generation verwendet den Registrierungswert TCPWindowSize nicht mehr.
Die automatische Optimierung des Empfangsfensters hat eine ganze Reihe von Vorteilen. Sie bestimmt automatisch die optimale Empfangsfenstergröße je nach der jeweiligen Verbindung. In Windows XP gilt der Registrierungswert TCPWindowSize für alle Verbindungen. Anwendungen müssen keine TCP-Fenstergrößen mehr mit Hilfe von Windows Sockets-Optionen festlegen. Außerdem müssen IT-Administratoren die TCP-Empfangsfenstergröße nicht mehr für spezifische Computer manuell konfigurieren.
Mit der automatischen Optimierung des Empfangsfensters teilt ein Windows Vista-basierter TCP-Peer in der Regel viel größere Empfangsfenster mit als ein Windows XP-basierter TCP-Peer. Dadurch kann der andere TCP-Peer die Pipe zum Windows Vista-basierten TCP-Peer füllen, indem mehr TCP-Datensegmente gesendet werden, ohne auf eine ACK (unterliegt TCP-Überlastungskontrolle) warten zu müssen. Für typischen Netzwerkverkehr auf Client-Basis wie z. B. Webpages oder E-Mail kann der Web- oder E-Mail-Server dann mehr TCP-Daten schneller an den Clientcomputer senden, was zu einer Gesamtsteigerung der Netzwerkleistung führt. Je höher BDP und Anwendungsabrufrate für die Verbindung, desto höher die Leistungssteigerung.
Die Auswirkungen auf das Netzwerk sind dahingehend, dass der Strom von TCP-Datenpaketen, der normalerweise bei niedrigerer Geschwindigkeit gesendet wird, viel schneller gesendet wird, was zu einer gesteigerten Netzwerkauslastung während der Datenübertragung führt. Für Windows XP- und Windows Vista-basierte Computer, die die gleiche Datenübertragung über eine lange, dicke Pipe durchführen, wird die gleiche Datenmenge übertragen. Die Datenübertragung ist aber für den Windows Vista-basierten Clientcomputer aufgrund des größeren Empfangsfensters und der Fähigkeit des Servers, die Pipe vom Server zum Client zu füllen, schneller.
Weil die automatische Optimierung des Empfangsfensters die Netzwerkauslastung von Hoch-BDP-Übertragungswegen verbessert, kann die Verwendung von Quality of Service (QoS)- oder Beschränkungen der Anwendungssendegeschwindigkeit für Übertragungswege wichtig werden, die mit oder fast mit voller Kapazität arbeiten. Um diesen möglichen Bedarf anzusprechen, unterstützt Windows Vista QoS-Einstellungen auf Gruppenrichtlinienbasis, mit denen Sie Beschränkungsraten für auf IP-Adress- oder TCP-Port-Basis gesendeten Verkehr definieren können. Weitere Informationen finden Sie in den
Ressourcen zum richtlinienbasierten QoS.
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