RMKI szeminárium 2004 június 14.Nagy sebességű Internet hálózatok 1 Nagysebességű Internet Hálózatok Telbisz Ferenc Hogyan lehet kihasználni egy Gbit/s.

Az előadások a következő témára: "RMKI szeminárium 2004 június 14.Nagy sebességű Internet hálózatok 1 Nagysebességű Internet Hálózatok Telbisz Ferenc Hogyan lehet kihasználni egy Gbit/s."— Előadás másolata:

1 RMKI szeminárium 2004 június 14.Nagy sebességű Internet hálózatok 1 Nagysebességű Internet Hálózatok Telbisz Ferenc Hogyan lehet kihasználni egy Gbit/s sebességű adatcsatorna kapacitását?

2 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

3 RMKI szeminárium 2004 június 14.Nagy sebességű Internet hálózatok 3 Az Internet protokollok Az internet réteges szerkezetű –OSI7 réteg –Internet5 réteg Adatkapcsolati réteg ( media control is ) Fizikai réteg Hálózati réteg Szállítási rétegAlkalmazások Sodrott érpár Koax. kábel Üvegszál ( D)WDM Rádió HDLCPPPEthernetATMFDDI TelnetFTPSMTPIMAPPOP3HTTP TCPUDP IP Az internet máig a TCP/IP protokoll "stack"-en alapszik

4 RMKI szeminárium 2004 június 14.Nagy sebességű Internet hálózatok 4 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

5 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

6 RMKI szeminárium 2004 június 14.Nagy sebességű Internet hálózatok 6 MAC header

7 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 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

8 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 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)

9 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 hálózatokban Csomagvesztés oka lehet: –adathibákma:  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?

10 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

11 RMKI szeminárium 2004 június 14.Nagy sebességű Internet hálózatok 11 Tipikus torlódási ablak méret változás

12 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

13 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 módosítása b.operációs rendszer kernel módosítása c.router-ek módosítása –Analitikus modell a viselkedés ellenőrzése fejlesztők segítsége –Univerzális használhatóság ? ("One size fits all")

14 RMKI szeminárium 2004 június 14.Nagy sebességű Internet hálózatok 14 Lehetőségek az új protokollokra TCP alapú módszerek UDP alapú módszerek Egyéb módszerek

15 RMKI szeminárium 2004 június 14.Nagy sebességű Internet hálózatok 15 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/.....

16 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

17 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

18 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 + 0.01ha nyugta érkezett cwnd := 0.875 * cwndha csomagvesztés van –gyorsabban növel, csomagvesztésnél kevésbbé csökkent Implementáció: Linux

19 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 !

20 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:

21 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

22 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

23 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

24 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

25 RMKI szeminárium 2004 június 14.Nagy sebességű Internet hálózatok 25 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.....

26 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

27 RMKI szeminárium 2004 június 14.Nagy sebességű Internet hálózatok 27 UDT Implementáció: Teljesítmény

28 RMKI szeminárium 2004 június 14.Nagy sebességű Internet hálózatok 28 UDT Implementáció Intra-protocol Fairness Nagyobb léptékben

29 RMKI szeminárium 2004 június 14.Nagy sebességű Internet hálózatok 29 UDT Implementáció TCP Friendliness

30 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.)

31 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

32 RMKI szeminárium 2004 június 14.Nagy sebességű Internet hálózatok 32 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.

33 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

34 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 ?

35 RMKI szeminárium 2004 június 14.Nagy sebességű Internet hálózatok 35 Köszönöm a figyelmet