Nagysebességű Internet Hálózatok

Nagysebességű Internet Hálózatok Hogyan lehet kihasználni egy Gbit/s sebességű adatcsatorna kapacitását? Telbisz Ferenc Nagy sebességű Internet hálózatok

Tartalomjegyzék • Az alapvető Internet protokollok fejlődése • Problémák a TCP protokollal • Új TCP protokoll javaslatok • Új UDP protokoll javaslatok • Egyéb javaslatok • Mérések • Hazai fejlesztési tervek • Zárszó Nagy sebességű Internet hálózatok

Alkalmazások Szállítási réteg Hálózati réteg Adatkapcsolati réteg( media control is ) Fizikai réteg Az Internet protokollok • Az internet réteges szerkezetű • OSI 7 réteg • Internet 5 réteg Telnet FTP SMTP IMAP POP3 HTTP Az internet máig a TCP/IP protokoll "stack"-en alapszik TCP UDP IP HDLC PPP Ethernet ATM FDDI Sodrott érpár Üvegszál Rádió Koax. kábel (D)WDM Nagy sebességű Internet hálózatok

Az Internet protokollok • 3. Hálózati réteg: IP Feladata: a csomagok továbbítása a célállomásra Kapcsolat nélküli protokoll  semmit sem tud garantálni (kivéve hibamentes csomagátvitel) • 4. Szállítási réteg: TCP Feladata: hibamentes kommunikáció (end-to-end) Funkciók: • fragmentálás/defragmentálás (bitfolyam tördelése csomagokra) • sorrendhelyesség • adatvesztés nélkül • hibajavítás (ismétlés) • torlódásvezérlés és torlódásvédelem Felhasználói program kapcsolat: portok 4. Szállítási réteg: UDP: funkció nélküli protokoll ! Feladata: közvetlen IP hozzáférés az alkalmazások számára Felhasználói program kapcsolat: portok Nagy sebességű Internet hálózatok

Az IP protokoll változásai • Az IP protokoll fejlődése: • Útválasztó (routing) protokollok fejlődése: RIP, BGP, IS-IS, OSPF, … • QoS (Quality of Service) fejlődése: DiffServ (Differentiated Services) IP headerben 6 bit: osztály (prioritás) jelzésre (IPv4, IPv6) Az egyes osztályok kezelése eltérő: • prioritás • allokált sávszélesség . . . Eredmény: VoIP (Voice over IP), ... • MPLS: kapcsolástechnika (switching) használata ( "jó" ATM ) • routing: célcím kikeresése táblázatból • kapcsolás: csomagban levő címke használata táblázat indexként Nagy sebességű Internet hálózatok

MAC header Nagy sebességű Internet hálózatok

Az IP protokoll változásai • Az IP protokoll fejlődése: • Útválasztó (routing) protokollok fejlődése: RIP, BGP, IS-IS, OSPF, … • QoS fejlődése: DiffServ (Differentiated Services) IP headerben 6 bit: osztály (prioritás) jelzésre (IPv4, IPv6) Az egyes osztályok kezelése eltérő Eredmény: VoIP (Voice over IP), ... • MPLS: kapcsolástechnika (switching) használata ( "jó" ATM ) • Routing: célcím kikeresése táblázatból • kapcsolás: csomagban levő címke használata táblázat indexként • Eredmény: Traffic Engineering, • Virtual Private Networks (VPN), • . . . . • Az IP összhangban van a korszerű követelményekkel: • adatátviteli technikák, • az Internet mérete és forgalma Nagy sebességű Internet hálózatok

A TCP protokoll változása • A TCP az elmúlt 20 évben lényegében nem változott Túlélte az Internet robbanásszerű fejlődést, a lassú vonalakat Inkább más szállítási protokolokkal foglakoztak, pl. RTP • A TCP torlódásvezérlése • a csomagvesztésen alapul • jól követte az Internet fejlődését:méret, sebesség, terhelés, konnektivitás: több nagyságrendű változás • jól működött a kis sebességű hálózatoknál, megakadályozta/csökkentette a nagy torlódások kialakulását, • mai általános használathoz jól illeszkedik: nagyon sok párhuzamos átvitel, mérsékelt sebesség a web "emberi fogyasztásra" készült (emberi sebesség) Nagy sebességű Internet hálózatok

A TCP protokoll változása • A jelenlegi TCP (Reno) nem hatékony • a nagy sávszélességű és nagy késleltetésű (a sávszélesség X késleltetés nagy)high bandwidth-delay product • és kis csomagvesztésű hálózatokban Csomagvesztés oka lehet: • adathibák ma:  10- 5 (csomagszinten) • torlódás ma: olcsó memória  buffer igen nagy lehet • Problémák jelenkeznek: • Nagy adatmennyiség mozgatásánál (terabyte, petabyte) : HEP, Csillagászat, Földtudományok, Bioinformatika, … • GRID számításoknál • Mi okozza a problémát a TCP-nél? Nagy sebességű Internet hálózatok

TCP torlódásvezérlés • Congestion window: az "úton levő" csomagok száma (cwnd) • Visszaszabályozás: a csomagvesztés (nyugták) alapján: • Slow start (lassú indulás): Induláskor: cwnd = 1 Byte-ban: cwnd x ( maximális szegmens méret )általában 1500 byte • Növelése, ha minden rendben (nyugta érkezik): • Exponential backoff: ha torlódás van (csomagvesztés): AIMD algoritmus: Additive Increase, Multiplicative Decrease Nagy sebességű Internet hálózatok

Tipikus torlódási ablak méret változás Nagy sebességű Internet hálózatok

TCP torlódásvezérlés • Nagy "congestion window" fenntartása nem megy: • Sally Floyd (ICIR) • Standard TCP kapcsolatnál: • 1500 Byte-os csomagok, • 100 ms round-trip idő, • stacionárius átvitel 10 Gbps-nál • szükséges lenne a "cső" kitöltéséhez: • átlagos "congestion window": 83,333 segmens, • ez legföljebb egy csomag eldobása 5 000 000 000 csomagonként (legföljebb egy csomag eldobása 100 percenként). Nem reális követelmény ! • Ugyanilyen követelmény 100 Mbps-nél ("cső" kitöltéséhez): • a csomageldobási arány: 1 csomag 500 000 -ből(egy csomag eldobása percenként) Egy kapcsolaton elérhető max. sebesség: ~ 200 Mbps Nagy sebességű Internet hálózatok

Szempontok az új protokollhoz • Teljesítmény • alacsony sebességnél és kis RTT-nél legyen hasonló a hagyományoshoz • Torlódásvezérlés • Nyilvános Interneten legyen hatékony torlódásvezérlés • Privát hálózaton kell-e ez ? • Legyen TCP barát (TCP kompatibilitás) • torlódás esetén ne vegye el a sávszélességet a TCP-től • Protokollon belüli "tisztességesség" • Bevezetés, telepítés egyszerűsége: a. felhasználói könyvtár módosítása b. operációs rendszer kernel módosítása c. router-ek módosítása • Analitikus modell • a viselkedés ellenőrzése • fejlesztők segítsége • Univerzális használhatóság ? ("One size fits all") Nagy sebességű Internet hálózatok

Lehetőségek az új protokollokra • TCP alapú módszerek • UDP alapú módszerek • Egyéb módszerek Nagy sebességű Internet hálózatok

TCP protokoll javaslatok • Javaslatok a módosításra: • Fast TCP California Institute of Technology URL: http://netlab.caltech.edu/FAST/ • HighSpeed TCP ICIR (ICSI Center for Internet Research), Berkeley URL: http://www.icir.org/floyd/hstcp.html • Scalable TCP Cambridge University, Engineering Department (CERN) URL: http://www-lce.eng.cam.ac.uk/~ctk21/scalable/ • XCP (eXplicit Congestion control Protocol) MIT's Lab for Computer Science URL: http://www.ana.lcs.mit.edu/dina/XCP/ . . . . . Nagy sebességű Internet hálózatok

AIMD Fast TCP • Fejleszti: California Institute of Technology • Flow control: sorbanállási késleltetés (RTT) + csomagvesztés • Csak a küldőnél kell implementálni Nagy sebességű Internet hálózatok

HighSpeed TCP • Fejlesztő: ICIR (ICSI Center for Internet Research) • Non-profit kutató intézet, Berkeley • Eredeti alapító AT&T, most: ICSI (International Computer Science Institute) Független nonprofit kutató intézet Kapcsolat: Computer Science Division, University of California at Berkeley • Működés: TCP congestion window (cwnd): a hálózatban úton levő csomagok száma • AIMD: átlagos cwnd = 1.2 / sqrt (P) p: packet loss • A cwnd másképpen: AIMD helyett 3 paraméteres algoritmus, • Ez gyakorlatilag több párhuzamos adatfolyam emulálása • Implementáció: Linux Nagy sebességű Internet hálózatok

Scalable TCP • Fejlesztő: Laboratory for Communication Engineering, Cambridge University, Engineering Department (Tom Kelly, CERN IT division) • Működés: • egyszerű módosítás a hagyományos TCP torlódás vezérlésében: cwnd := cwnd + 0.01 ha nyugta érkezett cwnd := 0.875 * cwnd ha csomagvesztés van • gyorsabban növel, csomagvesztésnél kevésbbé csökkent • Implementáció: Linux Nagy sebességű Internet hálózatok

XCP • Fejlesztő: MIT's Lab for Computer Science • Működés: • Az Explicit Congestion Notification (ECN) módszer általánosítása • Csomagokhoz congestion header hozzáadása: pontos információ a torlódás állapotáról • Congestion header-ben a küldő fél sávszélességet igényelhet • Közbenső router-ek ezt felülbírál(hat)ják • Router-ekben is módosítás szükséges ! Nagy sebességű Internet hálózatok

Mérések • TCP Stacks on production links (SLAC, Web100 projekt):Internet End-to-end Performance Monitoringhttp://www-iepm.slac.stanford.edu/monitoring/bulk/tcpstacks/index.html • Single és multiple stream mérések működö hálózaton • Néhány példa: “single stream” mérések • Mérési konfiguráció a single stream méréseknél: Nagy sebességű Internet hálózatok

Mérések Fast TCP Throughput Average = 233.2 MbpsStd Dev = 82.1 Mbps Reno TCP Throughput Average = 89.4 Mbps Std Dev = 69.9 Mbps RTT RTT Average = 230 msStd Dev = 9 ms Nagy sebességű Internet hálózatok

Mérések High Speed TCP Throughput Average = 252.5 Mbps Std Dev = 70.9 Mbps Reno TCP Throughput Average = 58.0 Mbps Std Dev = 52.4 Mbps RTT RTT Average = 229.8 ms Std Dev = 9.8 ms Nagy sebességű Internet hálózatok

Mérések Scalable TCP Throughput Average = 261.5 Mbps Std Dev = 64.6 Mbps Reno TCP Throughput Average = 35.9 Mbps Std Dev = 16.2 Mbps RTT RTT Average = 229.2 ms Std Dev = 10.4 ms Nagy sebességű Internet hálózatok

TCP javaslatok összehasonlítása Mathieu Goutelle et al.:A Survey of Transport Protocols other than Standard TCP (2004.) Nagy sebességű Internet hálózatok

UDP alapú módszerek • UDP alapú módszerek • Előnyök: • egyszerűbb implementálni: felhasználói könyvtárak • jó hatásfok • Hátrányok: • Nincs torlódásvezérlés (torlódásvezérlést a hálózat végzi) • Több projekt van itt is: UDT (UDP-based Data Transport). Reliable Blast UDP TSUNAMI . . . . . Nagy sebességű Internet hálózatok

UDT (UDP-based Data Transport) • Fejlesztő: University of Illinois in Chicago • URL: http://www.lac.uic.edu/ projekt: http://www.dataspaceweb.net/sabul.htm • SABUL: Simple Available Bandwidth Utilization Library • UDP: az adat átvitelre: sorszámozott csoamgok • TCP: kontrol információ és hibajavítás • nyugta (ACK, NAK), RTT • elveszett csomagok ismétlése • Flow control: • adatküldés: • lényegében állandó "interpacket time" (rate control) • az RTT és a csomagvesztés szerint szabályozva • Implementáció: Linux, BSD, Unix Nagy sebességű Internet hálózatok

UDT Implementáció: Teljesítmény Nagy sebességű Internet hálózatok

UDT Implementáció Intra-protocol Fairness Nagyobbléptékben Nagy sebességű Internet hálózatok

UDT Implementáció TCP Friendliness Nagy sebességű Internet hálózatok

UDP javaslatok összehasonlítása Mathieu Goutelle et al.:A Survey of Transport Protocols other than Standard TCP (2004.) Nagy sebességű Internet hálózatok

Más módszerek • DWDM optikai hálózatok • Optikai kapcsolók • National Lambda Rail • Optikai Hálózati Protokollok Pl.: JIT (Just in Time) protokol (MCNC – North Carolina Univ.) • Előjelzés a kapcsolóberendezésnek az adatokról • A kapcsoló elemeket konfigurálják az adatokhoz (Tell & Go) nem Tell & Wait • Valamennyi késleltetéssel mennek az adatok • Adat lehet egy blokk vagy hosszab kapcsolat Nagy sebességű Internet hálózatok

Hazai fejlesztési tervek Egyetemközi Távközlési és Informatikai Központ (ETIK) • Nagy sebességű transzport protokollok • Új TCP verziók teljesítményelemzése és összehasonlítása • szimuláció és kísérleti hálózati mérés • vizsgálandó: throughput, link kihasználtsága, igazságosság (fairness) • Paraméterek optimalizálása • az egyes TCP variánsok optimális környezetének meghatározása • Szabályozáselmélet-alapú vizsgálat • globális stabilitás vizsgálata • Állapot-alapú modellezés • Csomagsorozatok módszerének alkalmazása • Sorbaállási késleltetés mérése • Potenciális együttműködök: • ETIK, BME, KFKI RMKI, MTA SZTAKI, MATÁV, stb. Nagy sebességű Internet hálózatok

Zárszó • Többféle elgondolás van, egyik sem domináns • Vannak implementációk is • További vizsgálatok kellenek • Kell ez nekünk? • "Commodity" internetnek egyenlőre valószínűleg nem • Kutatás és néhány speciális terület: biztosan kell • Egyéb, pl. orvosi alkalmazások (hype effektus) • Epilogus: egy internet átviteli rekord Nagy sebességű Internet hálózatok

Epilógus • SUNET Internet2 Single stream Land Speed Record • From San Jose, CA, USA to Lulea*, Sweden • 40 router-en keresztül • 4.226 Gbit/sec (26m 28s) • software: ttcp (test TCP) • Hogyan is történt, mi nincs rendben ? • modell, protokoll, hibaarány ? Nagy sebességű Internet hálózatok

Köszönöm a figyelmet Nagy sebességű Internet hálózatok

Nagysebességű Internet Hálózatok