Nagysebességő Internet Hálózatok Hogyan lehet kihasználni egy Gbit/s sebességő adatcsatorna kapacitását? Telbisz Ferenc RMKI szeminárium 2004 június 14. Nagy sebességő Internet hálózatok 1
Tartalomjegyzék Az alapvetı Internet protokollok fejlıdése Problémák a TCP protokollal Új TCP protokoll javaslatok Új UDP protokoll javaslatok Egyéb javaslatok Mérések Hazai fejlesztési tervek Zárszó RMKI szeminárium 2004 június 14. Nagy sebességő Internet hálózatok 2
Az Internet protokollok Az internet réteges szerkezető OSI 7 réteg Internet 5 réteg Alkalmazások Telnet FTP SMTP IMAP POP3 HTTP Szállítási réteg Hálózati réteg TCP IP UDP Az internet máig a TCP/IP protokoll "stack"-en alapszik Adatkapcsolati réteg ( media control is ) HDLC PPP Ethernet ATM FDDI Fizikai réteg Sodrott érpár Koax. kábel Üvegszál (D)WDM Rádió RMKI szeminárium 2004 június 14. Nagy sebességő Internet hálózatok 3
3. Hálózati réteg: IP Az Internet protokollok 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 RMKI szeminárium 2004 június 14. Nagy sebességő Internet hálózatok 4
Az IP protokoll változásai Az IP protokoll fejlıdése: Útválasztó (routing) protokollok fejlıdése: RIP, BGP, IS-IS, OSPF, QoS (Quality of Service) fejlıdése: DiffServ (Differentiated Services) IP headerben 6 bit: osztály (prioritás) jelzésre (IPv4, IPv6) Az egyes osztályok kezelése eltérı: prioritás allokált sávszélesség... Eredmény: VoIP (Voice over IP),... MPLS: kapcsolástechnika (switching) használata ( "jó" ATM ) routing: célcím kikeresése táblázatból kapcsolás: csomagban levı címke használata táblázat indexként RMKI szeminárium 2004 június 14. Nagy sebességő Internet hálózatok 5
MAC header RMKI szeminárium 2004 június 14. Nagy sebességő Internet hálózatok 6
Az IP protokoll változásai Az IP protokoll fejlıdése: Útválasztó (routing) protokollok fejlıdése: RIP, BGP, IS-IS, OSPF, QoS fejlıdése: DiffServ (Differentiated Services) IP headerben 6 bit: osztály (prioritás) jelzésre (IPv4, IPv6) Az egyes osztályok kezelése eltérı Eredmény: VoIP (Voice over IP),... MPLS: kapcsolástechnika (switching) használata ( "jó" ATM ) Routing: célcím kikeresése táblázatból kapcsolás: csomagban levı címke használata táblázat indexként Eredmény: Traffic Engineering, Virtual Private Networks (VPN),.... Az IP összhangban van a korszerő követelményekkel: adatátviteli technikák, az Internet mérete és forgalma RMKI szeminárium 2004 június 14. Nagy sebességő Internet hálózatok 7
A TCP protokoll változása A TCP az elmúlt 20 évben lényegében nem változott Túlélte az Internet robbanásszerő fejlıdést, a lassú vonalakat Inkább más szállítási protokolokkal foglakoztak, pl. RTP A TCP torlódásvezérlése a csomagvesztésen alapul jól követte az Internet fejlıdését: méret, sebesség, terhelés, konnektivitás: több nagyságrendő változás jól mőködött a kis sebességő 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) RMKI szeminárium 2004 június 14. Nagy sebességő Internet hálózatok 8
A TCP protokoll változása A jelenlegi TCP (Reno) nem hatékony a nagy sávszélességő és nagy késleltetéső (a sávszélesség X késleltetés nagy) high bandwidth-delay product és kis csomagvesztéső 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? RMKI szeminárium 2004 június 14. Nagy sebességő Internet hálózatok 9
TCP torlódásvezérlés Congestion window: az "úton levı" 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 RMKI szeminárium 2004 június 14. Nagy sebességő Internet hálózatok 10
Tipikus torlódási ablak méret változás RMKI szeminárium 2004 június 14. Nagy sebességő Internet hálózatok 11
TCP torlódásvezérlés Nagy "congestion window" fenntartása nem megy: Sally Floyd (ICIR) Standard TCP kapcsolatnál: 1500 Byte-os csomagok, 100 ms round-trip idı, stacionárius átvitel 10 Gbps-nál szükséges lenne a "csı" 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 ("csı" kitöltéséhez): a csomageldobási arány: 1 csomag 500 000 -bıl (egy csomag eldobása percenként) Egy kapcsolaton elérhetı max. sebesség: ~ 200 Mbps RMKI szeminárium 2004 június 14. Nagy sebességő Internet hálózatok 12
Teljesítmény Szempontok az új protokollhoz 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-tıl Protokollon belüli "tisztességesség" Bevezetés, telepítés egyszerősége: a. felhasználói könyvtár módosítása b. operációs rendszer kernel módosítása c. router-ek módosítása Analitikus modell a viselkedés ellenırzése fejlesztık segítsége Univerzális használhatóság? ("One size fits all") RMKI szeminárium 2004 június 14. Nagy sebességő Internet hálózatok 13
Lehetıségek az új protokollokra TCP alapú módszerek UDP alapú módszerek Egyéb módszerek RMKI szeminárium 2004 június 14. Nagy sebességő Internet hálózatok 14
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/..... RMKI szeminárium 2004 június 14. Nagy sebességő Internet hálózatok 15
Fast TCP Fejleszti: California Institute of Technology Flow control: sorbanállási késleltetés (RTT) + csomagvesztés Csak a küldınél kell implementálni AIMD RMKI szeminárium 2004 június 14. Nagy sebességő Internet hálózatok 16
HighSpeed TCP Fejlesztı: 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 Mőködés: TCP congestion window (cwnd): a hálózatban úton levı 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 RMKI szeminárium 2004 június 14. Nagy sebességő Internet hálózatok 17
Scalable TCP Fejlesztı: Laboratory for Communication Engineering, Cambridge University, Engineering Department Mőködés: (Tom Kelly, CERN IT division) egyszerő módosítás a hagyományos TCP torlódás vezérlésében: cwnd := cwnd + 0.01 cwnd := 0.875 * cwnd ha nyugta érkezett ha csomagvesztés van gyorsabban növel, csomagvesztésnél kevésbbé csökkent Implementáció: Linux RMKI szeminárium 2004 június 14. Nagy sebességő Internet hálózatok 18
XCP Fejlesztı: MIT's Lab for Computer Science Mőködés: Az Explicit Congestion Notification (ECN) módszer általánosítása Csomagokhoz congestion header hozzáadása: pontos információ a torlódás állapotáról Congestion header-ben a küldı fél sávszélességet igényelhet Közbensı router-ek ezt felülbírál(hat)ják Router-ekben is módosítás szükséges! RMKI szeminárium 2004 június 14. Nagy sebességő Internet hálózatok 19
Mérések TCP Stacks on production links (SLAC, Web100 projekt): Internet End-to-end Performance Monitoring http://www-iepm.slac.stanford.edu/monitoring/bulk/tcpstacks/index.html Single és multiple stream mérések mőködö hálózaton Néhány példa: single stream mérések Mérési konfiguráció a single stream méréseknél: RMKI szeminárium 2004 június 14. Nagy sebességő Internet hálózatok 20
Mérések Fast TCP Throughput Average = 233.2 Mbps Std Dev = 82.1 Mbps Reno TCP Throughput Average = 89.4 Mbps Std Dev = 69.9 Mbps RTT RTT Average = 230 ms Std Dev = 9 ms RMKI szeminárium 2004 június 14. Nagy sebességő Internet hálózatok 21
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 RMKI szeminárium 2004 június 14. Nagy sebességő Internet hálózatok 22
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 RMKI szeminárium 2004 június 14. Nagy sebességő Internet hálózatok 23
TCP javaslatok összehasonlítása Mathieu Goutelle et al.:a Survey of Transport Protocols other than Standard TCP (2004.) RMKI szeminárium 2004 június 14. Nagy sebességő Internet hálózatok 24
UDP alapú módszerek Elınyök: UDP alapú módszerek egyszerőbb 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..... RMKI szeminárium 2004 június 14. Nagy sebességő Internet hálózatok 25
UDT (UDP-based Data Transport) Fejlesztı: 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 RMKI szeminárium 2004 június 14. Nagy sebességő Internet hálózatok 26
UDT Implementáció: Teljesítmény RMKI szeminárium 2004 június 14. Nagy sebességő Internet hálózatok 27
UDT Implementáció Intra-protocol Fairness Nagyobb léptékben RMKI szeminárium 2004 június 14. Nagy sebességő Internet hálózatok 28
UDT Implementáció TCP Friendliness RMKI szeminárium 2004 június 14. Nagy sebességő Internet hálózatok 29
UDP javaslatok összehasonlítása Mathieu Goutelle et al.:a Survey of Transport Protocols other than Standard TCP (2004.) RMKI szeminárium 2004 június 14. Nagy sebességő Internet hálózatok 30
DWDM optikai hálózatok Optikai kapcsolók National Lambda Rail Optikai Hálózati Protokollok Más módszerek Pl.: JIT (Just in Time) protokol (MCNC North Carolina Univ.) Elıjelzés 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 RMKI szeminárium 2004 június 14. Nagy sebességő Internet hálózatok 31
Hazai fejlesztési tervek Egyetemközi Távközlési és Informatikai Központ (ETIK) Nagy sebességő 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 együttmőködök: ETIK, BME, KFKI RMKI, MTA SZTAKI, MATÁV, stb. RMKI szeminárium 2004 június 14. Nagy sebességő Internet hálózatok 32
Zárszó Többféle elgondolás van, egyik sem domináns Vannak implementációk is További vizsgálatok kellenek Kell ez nekünk? "Commodity" internetnek egyenlıre valószínőleg nem Kutatás és néhány speciális terület: biztosan kell Egyéb, pl. orvosi alkalmazások (hype effektus) Epilogus: egy internet átviteli rekord RMKI szeminárium 2004 június 14. Nagy sebességő Internet hálózatok 33
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? RMKI szeminárium 2004 június 14. Nagy sebességő Internet hálózatok 34
Köszönöm a figyelmet RMKI szeminárium 2004 június 14. Nagy sebességő Internet hálózatok 35