Upload
meris
View
36
Download
3
Embed Size (px)
DESCRIPTION
Nagysebességű Internet Hálózatok. Hogyan lehet kihasználni egy Gbit/s sebességű adatcsatorna kapacitását?. Telbisz Ferenc. Tartalomjegyzék. Az alapvető Internet protokollok fejlődése Problémák a TCP protokollal Új TCP protokoll javaslatok Új UDP protokoll javaslatok Egyéb javaslatok - PowerPoint PPT Presentation
Citation preview
RMKI szeminárium 2004 június 14. Nagy sebességű Internet hálózatok
1
Nagysebességű Internet Hálózatok
Telbisz Ferenc
Hogyan lehet kihasználni egy Gbit/s sebességű adatcsatorna kapacitását?
RMKI szeminárium 2004 június 14. Nagy sebességű Internet hálózatok
2
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
RMKI szeminárium 2004 június 14. Nagy sebességű Internet hálózatok
3
Az Internet protokollok• Az internet réteges szerkezetű
– OSI 7 réteg– Internet 5 réteg
Adatkapcsolati réteg( media control is )
Fizikai réteg
Hálózati réteg
Szállítási réteg
Alkalmazások
Sodrott érpárKoax. kábel
Üvegszál(D)WDM
Rádió
HDLC PPP Ethernet ATM FDDI
Telnet FTP SMTP IMAP POP3 HTTP
TCP UDP
IP
Az internet máig a TCP/IP protokoll
"stack"-en alapszik
RMKI szeminárium 2004 június 14. Nagy sebességű Internet hálózatok
4
Az Internet protokollok• 3. Hálózati réteg: IP
Feladata: a csomagok továbbítása a célállomásraKapcsolat 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 számáraFelhasználói program kapcsolat: portok
RMKI szeminárium 2004 június 14. Nagy sebességű Internet hálózatok
5
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
RMKI szeminárium 2004 június 14. Nagy sebességű Internet hálózatok
6
MAC header
RMKI szeminárium 2004 június 14. Nagy sebességű Internet hálózatok
7
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 eltérőEredmény: 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
RMKI szeminárium 2004 június 14. Nagy sebességű Internet hálózatok
8
A TCP protokoll változása • A TCP az elmúlt 20 évben lényegében nem változott
Túlélte az Internet robbanásszerű fejlődést, a lassú vonalakatInkább 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 sebességa web "emberi fogyasztásra" készült (emberi sebesség)
RMKI szeminárium 2004 június 14. Nagy sebességű Internet hálózatok
9
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 hálózatokbanCsomagvesztés 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 sebességű Internet hálózatok
10
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
RMKI szeminárium 2004 június 14. Nagy sebességű Internet hálózatok
11
Tipikus torlódási ablak méret változás
RMKI szeminárium 2004 június 14. Nagy sebességű Internet hálózatok
12
TCP torlódásvezérlés
– 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).
Nagy "congestion window" fenntartása nem megy:
Sally Floyd (ICIR)
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
RMKI szeminárium 2004 június 14. Nagy sebességű Internet hálózatok
13
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 módosításab. operációs rendszer kernel módosításac. router-ek módosítása
– Analitikus modell• a viselkedés ellenőrzése• fejlesztők segítsége
– Univerzális használhatóság ? ("One size fits all")
RMKI szeminárium 2004 június 14. Nagy sebességű Internet hálózatok
14
Lehetőségek az új protokollokra
• TCP alapú módszerek• UDP alapú módszerek• Egyéb módszerek
RMKI szeminárium 2004 június 14. Nagy sebességű Internet hálózatok
15
TCP protokoll javaslatok• Javaslatok a módosításra:
– Fast TCPCalifornia Institute of TechnologyURL: http://netlab.caltech.edu/FAST/
– HighSpeed TCPICIR (ICSI Center for Internet Research), BerkeleyURL: http://www.icir.org/floyd/hstcp.html
– Scalable TCPCambridge University, Engineering Department (CERN)URL: http://www-lce.eng.cam.ac.uk/~ctk21/scalable/
– XCP (eXplicit Congestion control Protocol)MIT's Lab for Computer ScienceURL: http://www.ana.lcs.mit.edu/dina/XCP/
. . . . .
RMKI szeminárium 2004 június 14. Nagy sebességű Internet hálózatok
16
Fast TCP– Fejleszti: California Institute of Technology – Flow control: sorbanállási késleltetés (RTT) + csomagvesztés – Csak a küldőnél kell implementálni
AIMD
RMKI szeminárium 2004 június 14. Nagy sebességű Internet hálózatok
17
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
RMKI szeminárium 2004 június 14. Nagy sebességű Internet hálózatok
18
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 érkezettcwnd := 0.875 * cwnd ha csomagvesztés van
– gyorsabban növel, csomagvesztésnél kevésbbé csökkent
• Implementáció: Linux
RMKI szeminárium 2004 június 14. Nagy sebességű Internet hálózatok
19
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 !
RMKI szeminárium 2004 június 14. Nagy sebességű Internet hálózatok
20
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 működö hálózaton• Néhány példa: “single stream” mérések• Mérési konfiguráció a single stream méréseknél:
RMKI szeminárium 2004 június 14. Nagy sebességű Internet hálózatok
21
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 sebességű Internet hálózatok
22
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 sebességű Internet hálózatok
23
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 sebességű Internet hálózatok
24
Mathieu Goutelle et al.:A Survey of Transport Protocols other than Standard TCP (2004.)
TCP javaslatok összehasonlítása
RMKI szeminárium 2004 június 14. Nagy sebességű Internet hálózatok
25
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. . . . .
RMKI szeminárium 2004 június 14. Nagy sebességű Internet hálózatok
26
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
RMKI szeminárium 2004 június 14. Nagy sebességű Internet hálózatok
27
UDT Implementáció: Teljesítmény
RMKI szeminárium 2004 június 14. Nagy sebességű Internet hálózatok
28
UDT ImplementációIntra-protocol Fairness
Nagyobbléptékben
RMKI szeminárium 2004 június 14. Nagy sebességű Internet hálózatok
29
UDT ImplementációTCP Friendliness
RMKI szeminárium 2004 június 14. Nagy sebességű Internet hálózatok
30
UDP javaslatok összehasonlítása
Mathieu Goutelle et al.:A Survey of Transport Protocols other than Standard TCP (2004.)
RMKI szeminárium 2004 június 14. Nagy sebességű Internet hálózatok
31
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
RMKI szeminárium 2004 június 14. Nagy sebességű Internet hálózatok
32
Hazai fejlesztési tervekEgyetemközi 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.
RMKI szeminárium 2004 június 14. Nagy sebességű Internet hálózatok
33
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
RMKI szeminárium 2004 június 14. Nagy sebességű Internet hálózatok
34
Epilógus
• 40 router-en keresztül• 4.226 Gbit/sec (26m 28s)• software: ttcp (test TCP)
• SUNET Internet2 Single stream Land Speed Record• From San Jose, CA, USA to Lulea*, Sweden
Hogyan is történt, mi nincs rendben ?modell, protokoll, hibaarány ?
RMKI szeminárium 2004 június 14. Nagy sebességű Internet hálózatok
35
Köszönöm a figyelmet