home *** CD-ROM | disk | FTP | other *** search
/ Handbook of Infosec Terms 2.0 / Handbook_of_Infosec_Terms_Version_2.0_ISSO.iso / text / rfcs / rfc0816.txt < prev    next >
Text File  |  1996-05-07  |  21KB  |  589 lines

  1.  
  2.  
  3. RFC:  816 
  4.  
  5.  
  6.  
  7.                       FAULT ISOLATION AND RECOVERY 
  8.  
  9.                              David D. Clark                   MIT Laboratory for Computer Science                Computer Systems and Communications Group                                July, 1982 
  10.  
  11.       1.  Introduction 
  12.  
  13.       Occasionally, a network or a gateway will go down, and the sequence 
  14.  
  15. of  hops  which the packet takes from source to destination must change. 
  16.  
  17. Fault isolation is that action which  hosts  and  gateways  collectively 
  18.  
  19. take  to  determine  that  something  is  wrong;  fault  recovery is the 
  20.  
  21. identification and selection of an alternative route which will serve to 
  22.  
  23. reconnect the source to the destination.  In fact, the gateways  perform 
  24.  
  25. most  of  the  functions  of  fault  isolation and recovery.  There are, 
  26.  
  27. however, a few actions which hosts must take if they wish to  provide  a 
  28.  
  29. reasonable  level  of  service.   This document describes the portion of 
  30.  
  31. fault isolation and recovery which is the responsibility of the host. 
  32.  
  33.       2.  What Gateways Do 
  34.  
  35.       Gateways collectively implement an algorithm which  identifies  the 
  36.  
  37. best  route  between  all pairs of networks.  They do this by exchanging 
  38.  
  39. packets  which  contain  each  gateway's  latest   opinion   about   the 
  40.  
  41. operational status of its neighbor networks and gateways.  Assuming that 
  42.  
  43. this  algorithm is operating properly, one can expect the gateways to go 
  44.  
  45. through a period of confusion immediately after some network or  gateway 
  46.                                     2 
  47.  
  48.  has  failed,  but  one  can assume that once a period of negotiation has 
  49.  
  50. passed, the gateways are equipped with a consistent and correct model of 
  51.  
  52. the connectivity of the internet.  At present this period of negotiation 
  53.  
  54. may actually take several minutes, and many TCP implementations time out 
  55.  
  56. within that period, but it is a design goal of  the  eventual  algorithm 
  57.  
  58. that  the  gateway  should  be  able to reconstruct the topology quickly 
  59.  
  60. enough that a TCP connection should be able to survive a failure of  the 
  61.  
  62. route. 
  63.  
  64.       3.  Host Algorithm for Fault Recovery 
  65.  
  66.       Since  the gateways always attempt to have a consistent and correct 
  67.  
  68. model of the internetwork topology, the host strategy for fault recovery 
  69.  
  70. is very simple.  Whenever the host feels that  something  is  wrong,  it 
  71.  
  72. asks the gateway for advice, and, assuming the advice is forthcoming, it 
  73.  
  74. believes  the  advice  completely.  The advice will be wrong only during 
  75.  
  76. the transient  period  of  negotiation,  which  immediately  follows  an 
  77.  
  78. outage, but will otherwise be reliably correct. 
  79.  
  80.       In  fact,  it  is  never  necessary  for a host to explicitly ask a 
  81.  
  82. gateway for advice, because the gateway will provide it as  appropriate. 
  83.  
  84. When  a  host  sends  a datagram to some distant net, the host should be 
  85.  
  86. prepared to receive back either  of  two  advisory  messages  which  the 
  87.  
  88. gateway  may  send.    The  ICMP  "redirect"  message indicates that the 
  89.  
  90. gateway to which the host sent the  datagram  is  not  longer  the  best 
  91.  
  92. gateway  to  reach the net in question.  The gateway will have forwarded 
  93.  
  94. the datagram, but the host should revise its routing  table  to  have  a 
  95.  
  96. different  immediate  address  for  this  net.    The  ICMP "destination 
  97.                                     3 
  98.  
  99.  unreachable"  message  indicates  that  as  a result of an outage, it is 
  100.  
  101. currently impossible to reach the addressed net or host in  any  manner. 
  102.  
  103. On  receipt  of  this  message, a host can either abandon the connection 
  104.  
  105. immediately without any further retransmission, or resend slowly to  see 
  106.  
  107. if the fault is corrected in reasonable time. 
  108.  
  109.       If  a  host  could assume that these two ICMP messages would always 
  110.  
  111. arrive when something was amiss in the network, then no other action  on 
  112.  
  113. the  part  of the host would be required in order maintain its tables in 
  114.  
  115. an optimal condition.  Unfortunately, there are two circumstances  under 
  116.  
  117. which  the  messages  will  not  arrive  properly.    First,  during the 
  118.  
  119. transient following a failure, error messages may  arrive  that  do  not 
  120.  
  121. correctly  represent  the  state of the world.  Thus, hosts must take an 
  122.  
  123. isolated error message with some scepticism.  (This transient period  is 
  124.  
  125. discussed  more  fully  below.)    Second,  if the host has been sending 
  126.  
  127. datagrams to a particular gateway, and that gateway itself crashes, then 
  128.  
  129. all the other gateways in the internet will  reconstruct  the  topology, 
  130.  
  131. but  the  gateway  in  question will still be down, and therefore cannot 
  132.  
  133. provide any advice back to the host.  As long as the host  continues  to 
  134.  
  135. direct  datagrams at this dead gateway, the datagrams will simply vanish 
  136.  
  137. off the face of the earth, and nothing will come back in return.   Hosts 
  138.  
  139. must detect this failure. 
  140.  
  141.       If some gateway many hops away fails, this is not of concern to the 
  142.  
  143. host, for then the discovery of the failure is the responsibility of the 
  144.  
  145. immediate  neighbor gateways, which will perform this action in a manner 
  146.  
  147. invisible to the host.  The  problem  only  arises  if  the  very  first 
  148.                                     4 
  149.  
  150.  gateway, the one to which the host is immediately sending the datagrams, 
  151.  
  152. fails.   We thus identify one single task which the host must perform as 
  153.  
  154. its part of fault isolation in the internet:  the  host  must  use  some 
  155.  
  156. strategy  to  detect  that a gateway to which it is sending datagrams is 
  157.  
  158. dead. 
  159.  
  160.       Let us  assume  for  the  moment  that  the  host  implements  some 
  161.  
  162. algorithm  to  detect  failed  gateways; we will return later to discuss 
  163.  
  164. what this algorithm might be.  First, let  us  consider  what  the  host 
  165.  
  166. should  do  when it has determined that a gateway is down. In fact, with 
  167.  
  168. the exception of one small problem, the action the host should  take  is 
  169.  
  170. extremely  simple.    The host should select some other gateway, and try 
  171.  
  172. sending the datagram to it.  Assuming that  gateway  is  up,  this  will 
  173.  
  174. either  produce  correct  results, or some ICMP advice.  Since we assume 
  175.  
  176. that, ignoring temporary periods immediately following  an  outage,  any 
  177.  
  178. gateway  is capable of giving correct advice, once the host has received 
  179.  
  180. advice from any gateway, that host is in as good a condition as  it  can 
  181.  
  182. hope to be. 
  183.  
  184.       There is always the unpleasant possibility that when the host tries 
  185.  
  186. a different gateway, that gateway too will be down.  Therefore, whatever 
  187.  
  188. algorithm  the  host  uses to detect a dead gateway must continuously be 
  189.  
  190. applied, as the host tries every gateway in turn that it knows about. 
  191.  
  192.       The only difficult part of this algorithm is to specify  the  means 
  193.  
  194. by which the host maintains the table of all of the gateways to which it 
  195.  
  196. has  immediate  access.    Currently,  the specification of the internet 
  197.  
  198. protocol does not architect any message by which a host can  ask  to  be 
  199.                                     5 
  200.  
  201.  supplied  with  such a table.  The reason is that different networks may 
  202.  
  203. provide very different mechanisms by which this table can be filled  in. 
  204.  
  205. For  example,  if  the  net is a broadcast net, such as an ethernet or a 
  206.  
  207. ringnet, every gateway may simply broadcast such a table  from  time  to 
  208.  
  209. time,  and  the  host  need do nothing but listen to obtain the required 
  210.  
  211. information.  Alternatively, the network may provide  the  mechanism  of 
  212.  
  213. logical  addressing,  by  which  a whole set of machines can be provided 
  214.  
  215. with a single group  address,  to  which  a  request  can  be  sent  for 
  216.  
  217. assistance.   Failing those two schemes, the host can build up its table 
  218.  
  219. of neighbor gateways by remembering all the gateways from which  it  has 
  220.  
  221. ever received a message.  Finally, in certain cases, it may be necessary 
  222.  
  223. for  this  table,  or  at  least the initial entries in the table, to be 
  224.  
  225. constructed manually by a manager or operator at the  site.    In  cases 
  226.  
  227. where  the  network  in question provides absolutely no support for this 
  228.  
  229. kind of host query, at least some manual intervention will  be  required 
  230.  
  231. to  get  started,  so  that  the  host  can  find out about at least one 
  232.  
  233. gateway. 
  234.  
  235.       4.  Host Algorithms for Fault Isolation 
  236.  
  237.       We now return to the question raised above.  What  strategy  should 
  238.  
  239. the  host use to detect that it is talking to a dead gateway, so that it 
  240.  
  241. can know to switch to some other gateway in the list. In fact, there are 
  242.  
  243. several algorithms which can be used.   All  are  reasonably  simple  to 
  244.  
  245. implement, but they have very different implications for the overhead on 
  246.  
  247. the  host, the gateway, and the network.  Thus, to a certain extent, the 
  248.  
  249. algorithm picked must depend on the details of the network  and  of  the 
  250.  
  251. host. 
  252.                                     6 
  253.  
  254.  
  255.  
  256. 1.  NETWORK LEVEL DETECTION 
  257.  
  258.       Many  networks,  particularly  the  Arpanet,  perform precisely the 
  259.  
  260. required function internal to the network.  If a host sends  a  datagram 
  261.  
  262. to  a dead gateway on the Arpanet, the network will return a "host dead" 
  263.  
  264. message, which is precisely the information the host needs  to  know  in 
  265.  
  266. order  to  switch  to  another  gateway.   Some early implementations of 
  267.  
  268. Internet on  the  Arpanet  threw  these  messages  away.    That  is  an 
  269.  
  270. exceedingly poor idea. 
  271.  
  272.  2.  CONTINUOUS POLLING 
  273.  
  274.       The  ICMP  protocol  provides an echo mechanism by which a host may 
  275.  
  276. solicit a response from a gateway.    A  host  could  simply  send  this 
  277.  
  278. message  at  a  reasonable  rate, to assure itself continuously that the 
  279.  
  280. gateway was still up.  This works, but, since the message must  be  sent 
  281.  
  282. fairly  often  to  detect  a fault in a reasonable time, it can imply an 
  283.  
  284. unbearable overhead on the host itself, the network,  and  the  gateway. 
  285.  
  286. This  strategy  is  prohibited  except  where  a  specific  analysis has 
  287.  
  288. indicated that the overhead is tolerable. 
  289.  
  290.  3.  TRIGGERED POLLING 
  291.  
  292.       If the use of polling could be restricted to only those times  when 
  293.  
  294. something  seemed  to  be  wrong,  then  the overhead would be bearable. 
  295.  
  296. Provided that one can get the proper  advice  from  one's  higher  level 
  297.  
  298. protocols,  it  is  possible to implement such a strategy.  For example, 
  299.  
  300. one could program the TCP level so  that  whenever  it  retransmitted  a 
  301.                                     7 
  302.  
  303.  segment  more  than  once,  it  sent  a  hint down to the IP layer which 
  304.  
  305. triggered polling.  This strategy does not have excessive overhead,  but 
  306.  
  307. does  have  the problem that the host may be somewhat slow to respond to 
  308.  
  309. an error, since only after polling has started will the host be able  to 
  310.  
  311. confirm  that  something  has  gone wrong, and by then the TCP above may 
  312.  
  313. have already timed out. 
  314.  
  315.       Both forms of polling suffer from a minor flaw.  Hosts as  well  as 
  316.  
  317. gateways respond to ICMP echo messages.  Thus, polling cannot be used to 
  318.  
  319. detect  the  error  that  a  foreign  address thought to be a gateway is 
  320.  
  321. actually a host.  Such a confusion can arise if the  physical  addresses 
  322.  
  323. of machines are rearranged. 
  324.  
  325.  4.  TRIGGERED RESELECTION 
  326.  
  327.       There  is a strategy which makes use of a hint from a higher level, 
  328.  
  329. as did the previous  strategy,  but  which  avoids  polling  altogether. 
  330.  
  331. Whenever  a  higher  level  complains  that  the  service  seems  to  be 
  332.  
  333. defective, the Internet layer can pick the next gateway from the list of 
  334.  
  335. available gateways, and switch to it.  Assuming that this gateway is up, 
  336.  
  337. no real harm can come of this decision, even if it was  wrong,  for  the 
  338.  
  339. worst that will happen is a redirect message which instructs the host to 
  340.  
  341. return to the gateway originally being used.  If, on the other hand, the 
  342.  
  343. original  gateway  was indeed down, then this immediately provides a new 
  344.  
  345. route, so the period of time until recovery is  shortened.    This  last 
  346.  
  347. strategy  seems  particularly clever, and is probably the most generally 
  348.  
  349. suitable for those cases where the network itself does not provide fault 
  350.  
  351. isolation.  (Regretably, I have forgotten who suggested this idea to me. 
  352.  
  353. It is not my invention.) 
  354.                                     8 
  355.  
  356.       5.  Higher Level Fault Detection 
  357.  
  358.       The  previous  discussion  has  concentrated on fault detection and 
  359.  
  360. recovery at the IP layer.  This section considers what the higher layers 
  361.  
  362. such as TCP should do. 
  363.  
  364.       TCP has a single fault recovery action; it repeatedly retransmits a 
  365.  
  366. segment until either it gets an acknowledgement or its connection  timer 
  367.  
  368. expires.    As discussed above, it may use retransmission as an event to 
  369.  
  370. trigger a request for fault recovery to the IP  layer.    In  the  other 
  371.  
  372. direction,  information  may  flow  up from IP, reporting such things as 
  373.  
  374. ICMP  Destination  Unreachable  or  error  messages  from  the  attached 
  375.  
  376. network.    The  only  subtle  question about TCP and faults is what TCP 
  377.  
  378. should do when such an error message arrives  or  its  connection  timer 
  379.  
  380. expires. 
  381.  
  382.       The  TCP  specification discusses the timer.  In the description of 
  383.  
  384. the open call, the timeout is described as an optional  value  that  the 
  385.  
  386. client  of  TCP  may  specify; if any segment remains unacknowledged for 
  387.  
  388. this period, TCP should abort the  connection.    The  default  for  the 
  389.  
  390. timeout  is  30 seconds.  Early TCPs were often implemented with a fixed 
  391.  
  392. timeout interval, but this  did  not  work  well  in  practice,  as  the 
  393.  
  394. following discussion may suggest. 
  395.  
  396.       Clients  of  TCP can be divided into two classes:  those running on 
  397.  
  398. immediate behalf of a human, such as  Telnet,  and  those  supporting  a 
  399.  
  400. program, such as a mail sender.  Humans require a sophisticated response 
  401.  
  402. to  errors.    Depending  on  exactly  what went wrong, they may want to 
  403.                                     9 
  404.  
  405.  abandon the connection at once, or wait for a long time to see if things 
  406.  
  407. get  better.   Programs do not have this human impatience, but also lack 
  408.  
  409. the power to make complex decisions based on details of the exact  error 
  410.  
  411. condition.  For them, a simple timeout is reasonable. 
  412.  
  413.       Based  on these considerations, at least two modes of operation are 
  414.  
  415. needed in TCP.  One,  for  programs,  abandons  the  connection  without 
  416.  
  417. exception  if  the  TCP  timer  expires.    The other mode, suitable for 
  418.  
  419. people, never abandons the connection on its own initiative, but reports 
  420.  
  421. to the layer above when the timer expires.  Thus, the human user can see 
  422.  
  423. error messages coming from all the relevant layers, TCP  and  ICMP,  and 
  424.  
  425. can request TCP to abort as appropriate.  This second mode requires that 
  426.  
  427. TCP  be  able to send an asynchronous message up to its client to report 
  428.  
  429. the timeout, and it requires  that  error  messages  arriving  at  lower 
  430.  
  431. layers similarly flow up through TCP. 
  432.  
  433.       At  levels  above TCP, fault detection is also required.  Either of 
  434.  
  435. the following can happen.  First, the foreign client of  TCP  can  fail, 
  436.  
  437. even  though TCP is still running, so data is still acknowledged and the 
  438.  
  439. timer never expires.  Alternatively, the communication  path  can  fail, 
  440.  
  441. without the TCP timer going off, because the local client has no data to 
  442.  
  443. send.  Both of these have caused trouble. 
  444.  
  445.       Sending  mail  provides an example of the first case.  When sending 
  446.  
  447. mail using SMTP, there is an SMTP level acknowledgement that is returned 
  448.  
  449. when a piece of mail is successfully  delivered.    Several  early  mail 
  450.  
  451. receiving programs would crash just at the point where they had received 
  452.  
  453. all of the mail text (so TCP did not detect a timeout due to outstanding 
  454.                                     10 
  455.  
  456.  unacknowledged  data)  but  before the mail was acknowledged at the SMTP 
  457.  
  458. level.  This failure would cause early mail senders to wait forever  for 
  459.  
  460. the  SMTP level acknowledgement.  The obvious cure was to set a timer at 
  461.  
  462. the SMTP level, but the first attempt to do this did not work, for there 
  463.  
  464. was no simple way to  select  the  timer  interval.    If  the  interval 
  465.  
  466. selected  was  short,  it  expired  in normal operational when sending a 
  467.  
  468. large file to a slow host.  An interval of many minutes  was  needed  to 
  469.  
  470. prevent  false timeouts, but that meant that failures were detected only 
  471.  
  472. very slowly.  The current solution in  several  mailers  is  to  pick  a 
  473.  
  474. timeout interval proportional to the size of the message. 
  475.  
  476.       Server telnet provides an example of the other kind of failure.  It 
  477.  
  478. can  easily  happen that the communications link can fail while there is 
  479.  
  480. no traffic flowing, perhaps because the user is thinking.    Eventually, 
  481.  
  482. the  user will attempt to type something, at which time he will discover 
  483.  
  484. that the connection is dead and abort it.   But  the  host  end  of  the 
  485.  
  486. connection,  having  nothing  to send, will not discover anything wrong, 
  487.  
  488. and will remain waiting forever.  In some systems there is no way for  a 
  489.  
  490. user  in  a  different  process  to  destroy or take over such a hanging 
  491.  
  492. process, so there is no way to recover. 
  493.  
  494.       One solution to this would be to have the host server telnet  query 
  495.  
  496. the  user  end now and then, to see if it is still up.  (Telnet does not 
  497.  
  498. have an explicit query  feature,  but  the  host  could  negotiate  some 
  499.  
  500. unimportant   option,   which   should   produce   either  agreement  or 
  501.  
  502. disagreement in  return.)    The  only  problem  with  this  is  that  a 
  503.  
  504. reasonable  sample interval, if applied to every user on a large system, 
  505.                                     11 
  506.  
  507.  can  generate  an unacceptable amount of traffic and system overhead.  A 
  508.  
  509. smart server telnet would use  this  query  only  when  something  seems 
  510.  
  511. wrong, perhaps when there had been no user activity for some time. 
  512.  
  513.       In  both  these  cases, the general conclusion is that client level 
  514.  
  515. error detection is needed, and that the details  of  the  mechanism  are 
  516.  
  517. very dependent on the application.  Application programmers must be made 
  518.  
  519. aware  of  the  problem  of  failures,  and  must  understand that error 
  520.  
  521. detection at the TCP or lower level cannot solve the whole  problem  for 
  522.  
  523. them. 
  524.  
  525.       6.  Knowing When to Give Up 
  526.  
  527.       It  is  not  obvious,  when error messages such as ICMP Destination 
  528.  
  529. Unreachable arrive, whether TCP should  abandon  the  connection.    The 
  530.  
  531. reason  that  error  messages  are  difficult  to  interpret is that, as 
  532.  
  533. discussed above, after a failure of a gateway or  network,  there  is  a 
  534.  
  535. transient   period   during   which  the  gateways  may  have  incorrect 
  536.  
  537. information,  so  that  irrelevant  or  incorrect  error  messages   may 
  538.  
  539. sometimes  return.   An isolated ICMP Destination Unreachable may arrive 
  540.  
  541. at a host, for example, if a packet is sent during the period  when  the 
  542.  
  543. gateways  are  trying  to find a new route.  To abandon a TCP connection 
  544.  
  545. based on such a message arriving would be to ignore the valuable feature 
  546.  
  547. of the Internet that for many  internal  failures  it  reconstructs  its 
  548.  
  549. function without any disruption of the end points. 
  550.  
  551.       But  if failure messages do not imply a failure, what are they for? 
  552.  
  553. In fact, error messages serve several important  purposes.    First,  if 
  554.                                     12 
  555.  
  556.  they  arrive  in response to opening a new connection, they probably are 
  557.  
  558. caused by opening the connection improperly  (e.g.,  to  a  non-existent 
  559.  
  560. address)  rather  than  by  a  transient  network failure.  Second, they 
  561.  
  562. provide valuable information, after the TCP timeout has occurred, as  to 
  563.  
  564. the  probable  cause of the failure.  Finally, certain messages, such as 
  565.  
  566. ICMP Parameter Problem, imply a possible  implementation  problem.    In 
  567.  
  568. general, error messages give valuable information about what went wrong, 
  569.  
  570. but  are  not  to  be  taken as absolutely reliable.  A general alerting 
  571.  
  572. mechanism, such as the TCP timeout  discussed  above,  provides  a  good 
  573.  
  574. indication  that  whatever  is wrong is a serious condition, but without 
  575.  
  576. the advisory messages to augment the timer, there  is  no  way  for  the 
  577.  
  578. client  to  know  how  to  respond to the error.  The combination of the 
  579.  
  580. timer and the advice from the error messages provide a reasonable set of 
  581.  
  582. facts for the client layer to have.  It is important that error messages 
  583.  
  584. from all layers be passed up to  the  client  module  in  a  useful  and 
  585.  
  586. consistent way. 
  587.  
  588.  ------- 
  589.