Guide pour les Administrateurs Systèmes et Réseaux

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1 Guide pour les Administrateurs Systèmes et Réseaux 1 Introduction 3 2 Performances : Les bases Les critères de performance (perçu par l utilisateur) Le temps de réponse «applicatif» Capacité et débit Fiabilité Les métriques réseau liées à la performance One-Way Delay (OWD) Propagation Delay Serialization Delay Autres sources de délais Round-Trip Time (RTT) Delay Variation (Jitter/Gigue) Packet Loss Packet Reordering Maximum Transmission Unit (MTU) Bandwidth Delay Product (BDP) 6 3 Méthodologie pour la résolution de problèmes de performance Description du problème Collecte d'information 7 4 Les problèmes de performance rencontrés Les problèmes de performance liés aux équipements d extrémité : Eléments pouvant entraîner une dégradation du service au niveau d un site/campus: Boîtiers intermédiaires (Firewall, proxy, NAT, boîtiers de performances) Half/Full duplex et Auto-négociation Collision dans un LAN (utilisation de Hubs) Domaine de broadcast dans un réseau à base de commutateurs 9 4 Les réseaux traversés et les services offerts (dans le monde académique): 9 5 La métrologie : Evaluation des performances Métrologie proactive : Méthodes et Outils Mesures passives (SNMP, Netflow ) 10

2 5.2 - Métrologie réactive : Méthodes et Outils Mesures passives (SNMP, Ethereal, TCPdump ) Mesures actives (iperf, traceroute ) 11

3 Ce document décrit les procédures à utiliser par les administrateurs systèmes et réseaux (ASR) pour résoudre les problèmes de performance réseaux. Dans ce document, sont exposés les différents types d incidents ainsi que les procédures/outils à mettre en place pour aborder ces problèmes et tenter de les résoudre. Etant donné qu il existe déjà un grand nombre d outils permettant de déceler les pannes, nous nous focalisons ici principalement sur les incidents liés aux problèmes de performances dans les réseaux (dégradation plutôt que coupure d un service). 1 Introduction Lorsqu un problème de performance de bout en bout est constaté, la première étape est de bien le décrire. L utilisateur final a ici un rôle très important dans la compréhension et la description du problème tel qu il est perçu. L ASR doit ainsi récupérer un ensemble de données lui permettant de faire ensuite une investigation approfondie. Une fois ces informations recueillies, l étape suivante est de localiser le problème ; il s agit de savoir quel(s) maillon(s) du réseau est/sont en cause. Cette étape nécessite souvent l utilisation d outils. Enfin, une fois le problème repéré, l ASR tentera de le résoudre dans la mesure du possible. 2 Performances : Les bases 2.1 Les critères de performance (perçu par l utilisateur) La performance d'une application réseau observée par un utilisateur est fonction d un ensemble de critères qualitatifs. Certaines applications ne sont sensibles qu à l un de ces critères : Par exemple, les applications de voix sont principalement sensible au temps de réponse alors que les applications de transferts seront-elles sensibles au débit. Plus généralement, une combinaison de ces critères détermine la performance observée par l utilisateur final Le temps de réponse «applicatif» Un des critères les plus important dans l évaluation de la performance d une application est son temps de réponse. Il s agit ici du temps mis par l application pour répondre à une requête de l utilisateur. Ce critère est particulièrement critique pour les applications temps-réel telles que les systèmes de conférence audio/vidéo. Il est difficile cependant de définir des temps de réponse pour qualifier l application car ils varient considérablement d une application à l autre Capacité et débit Le débit est un paramètre qui n est pas directement perçu par l utilisateur. Cependant, le débit est souvent utilisé en tant que métrique commerciale pour mieux différencier les liaisons haut débit de

4 celles à bas débit. Les applications indiquent donc souvent ce paramètre, ce qui permet aux utilisateurs de vérifier si le débit observé correspond bien au débit attendu Fiabilité La fiabilité est souvent le critère le plus important pour un utilisateur. L application doit être disponible lorsque l utilisateur en a besoin. Ceci ne veut pas forcement dire que l application doit être toujours disponible bien que des applications comme un serveur web dans une compagnie importante doit avoir une disponibilité de 7 jours sur 7, 24 heures sur Les métriques réseau liées à la performance Une autre approche pour observer les performances est de se focaliser dans les caractéristiques du réseau qui sont mesurables. Il y a un ensemble de métriques qui sont utilisées pour caractériser les performances des réseaux. Les plus importantes sont décrites dans la suite du document ainsi que les méthodes pour les mesurer. La métrique qui représente le plus grand intérêt est souvent la bande passante. Cependant, avec l augmentation de la capacité des liens dans les dernières années, ce paramètre n est plus le facteur limitant dans les performances réseau. Le groupe de travail de l IETF, IP Performance Metrics (IPPM) a définit les métriques spécifiques aux performances réseau One-Way Delay (OWD) Le "One-Way Delay" ou délai unidirectionnel est le temps que prend un paquet pour atteindre sa destination. La RFC 2679 décrit cette métrique défini par le groupe IPPM. Le délai introduit par le réseau a souvent un impact sur la performance surtout dans les réseaux longue distance. Cette métrique peut être décomposée en plusieurs délais introduit par les différents éléments du réseau : Les liens introduisent des délais de propagation Les nœuds introduisent des délais de sérialisation, de «forwarding» et de «queuing» Propagation Delay Le "Propagation Delay" ou délai de propagation est le temps mis par le signal pour traverser le(s) lien(s) physique(s). Ce délai est fonction de la longueur des liens et de la vitesse de propagation du signal dans ces liens. La vitesse de propagation du signal dans une fibre optique est égale à km/s (2/3*c où c est la vitesse de propagation de la lumière dans le vide) alors qu elle peut varier pour le cuivre de 0.66c à 0.95c en fonction du type de ligne de transmission Serialization Delay Le "Serialization Delay" ou délai de sérialisation est le temps nécessaire pour qu'un paquet soit introduit dans la ligne de transmission. Ce délai dépend de la taille du paquet mais aussi de la capacité de la ligne.

5 Vu l augmentation des débits dans les backbones, le délai de sérialisation n est plus un problème majeur étant donné que la taille des paquets n a pas évolué énormément Autres sources de délais Aux délais de propagation et de sérialisation viennent s ajouter d autres délais Le Forwarding Delay Le Forwarding Delay est le temps que met un nœud pour traiter un paquet. Le traitement du paquet consiste en la lecture de l adresse destination (et des autres paramètres nécessaires dans l'en-tête), le calcul de la décision de forwarding (basé sur les tables de routage généralement) et l envoie du paquet vers l interface appropriée. Ceci implique la copie du paquet vers une interface différente à l intérieur du nœud, la réécriture de certains champs de l en-tête et d autres traitements tels que la fragmentation des paquets, l accounting, etc. La plupart des routeurs de cœur sont équipés aujourd hui de cartes matérielles dédiés pour traiter la fonction de forwarding. Dans le cas contraire, la fonction de forwarding est traitée par la CPU du routeur et peut donc être en concurrence avec d autres taches qu effectue le routeur entraînant des problèmes de performance. Queuing Delay Le Queuing Delay définie le temps que passe un paquet dans les files d attentes du routeur. Ce délai dépend de la charge de trafic dans les interfaces entrante et sortante, et de la priorité du paquet Round-Trip Time (RTT) Le Round-trip time (RTT) est le temps que met un paquet envoyé par A pour atteindre sa destination B plus le temps que met le paquet de réponse envoyé par la destination B pour atteindre A: C est la somme des OWD de A vers B et de B vers A plus le temps nécessaire à B pour envoyer un paquet de réponse. Lorsque la valeur du RTT est élevée, cela peut entraîner des problèmes au niveau de TCP. Ces problèmes seront décrits dans la suite du document. Pour les applications interactives telles que les applications audio/video, le RTT peut avoir un impact direct sur la perception du temps de réponse Delay Variation (Jitter/Gigue) Dans un réseau idéal, l ensemble des paquets empruntant un même chemin ont exactement le même OWD. Dans un réseau réel, le OWD n est pas constant ; La différence entre le OWD d un paquet donné et la moyenne du OWD représente le "Delay Variation" ou variation de délai. Ce paramètre est souvent appelé Jitter ou gigue. La gigue est souvent causée par des variations des temps d attente dans les files des routeurs. Lorsqu un réseau est fortement chargé, cela se traduit souvent par de la gigue. La gigue est définie dans La RFC 3393 : IP Delay Variation Metric (IPDV)

6 2.2.7 Packet Loss "Packet Loss" ou perte de paquet est définie comme la probabilité qu un paquet soit perdu lorsqu il est envoyé par la source A vers la destination B. 2 RFC définissent la notion de perte de paquets : La RFC 2680 définit une métrique sur la perte de paquets unidirectionnels. La RFC 3357 se base sur la RFC 2680 pour définir des métriques additionnelles permettant d établir un modèle sur la perte des paquets dans l Internet. En fonction des applications utilisées, les paquets perdus seront retransmis par la couche supérieure (TCP généralement). Par exemple, pour les applications de transfert de fichiers, la retransmission de paquets est indispensable alors que pour des applications vidéo temps réel, la retransmission des paquets perdus n a aucun sens (les paquets retransmis arriveraient en retard). La congestion et les erreurs (paquets corrompus) sont souvent la cause de pertes de paquets Packet Reordering Le protocole IP n assure pas l ordonnancement des paquets à l arrivée. Ce sont les couches supérieure (TCP dans la plupart des cas) qui assurent la fonction de Packet Reordering ou de réordonnancement de paquets. Cependant, le ré-ordonnancement des paquets peut avoir un impact important au niveau des performances sur certaines implémentations de la pile TCP. Des récentes implémentations de TCP, en particulier celles supportant les SACK (Selective Acknoledgements, accusé de réception sélectif) sont beaucoup plus robustes au phénomène de re-ordonnancement bien que le débit soit un minimum impacté Maximum Transmission Unit (MTU) La MTU correspond à la taille maximale d un paquet pouvant traverser un lien sans être fragmenté. Les valeurs courantes des MTU sont : 1500 octets (Ethernet, ) 4470 octets (valeur par défaut pour les interfaces POS) 9000 octets (convention entre Internet2 et GEANT correspondant également à la limite de nombreux adaptateurs Gigabit Ethernet) Path MTU: Le Path MTU est la taille maximale d un paquet pouvant traverser un chemin réseau. C est la valeur minimale de l ensemble des MTUs des liens du chemin. La valeur du Path MTU la plus répandue est 1500 octets (Ethernet MTU). Il existe des initiatives pour encourager l utilisation de valeurs de MTU plus grandes (Jumbo MTU), particulièrement dans les réseaux de la recherche, mais des problèmes sont souvent rencontrés : last-mile, non supporté par les équipements réseaux, lacunes au niveau de la définition du Path MTU Discovery (RFC1191, mécanisme permettant de découvrir la valeur du Path MTU). Un groupe de l IETF est en train de définir un nouveau mécanisme pour le Path MTU Discovery qui devrait résoudre ces problématiques Bandwidth Delay Product (BDP) Le Bandwidth Delay Product d un chemin de bout en bout correspond à la bande passante maximale que l'on peut obtenir sur le chemin (correspond au goulot d étranglement du chemin) multipliée par le délai du chemin. L unité utilisée pour représenter ce paramètre est généralement l octet. On associe souvent ce paramètre à la «capacité mémoire» du chemin, c est à dire la quantité de données qui peut être contenu dans le chemin réseau à un instant donné.

7 Les réseaux ayant un BDP élevé sont appelé «Long Fat Networks» ou LFN. Dans le monde de la recherche, certains projets internationaux utilisent ce type de réseaux. La caractéristique BDP est donc à tenir en compte dans la performance des protocoles tel que TCP. 3 Méthodologie pour la résolution de problèmes de performance Cette partie donne une méthodologie à suivre pour résoudre un problème de performance. L'expérience de l'utilisateur final est l'un des facteurs les plus important dans la résolution des problèmes de performances puisqu'il s'agit de savoir pourquoi les performances attendues ne sont pas atteintes. Par conséquent, l'utilisateur a un rôle très important dans la définition, la compréhension et la communication du problème perçu, d'autant plus que le nombre de domaines administratifs impliqués dans le problème est souvent important. 3.1 Description du problème Il faut toujours décrire clairement le comportement de l'application qui subit des problèmes de performances. Il est important de définir également le fonctionnement de l'application lorsque celle-ci ne subit pas de dégradation de service. Il faut s'assurer que l'utilisateur transmet les bonnes informations et est précis (spécifier les dates/heures de la dégradation, éviter les confusions entre bit et octet, etc). Les messages d'erreurs renvoyés par l'application ou des captures d'écran sont souvent appréciables pour la compréhension du problème. 3.2 Collecte d'information Bien que les administrateurs puissent demander simplement l'information manquante au fur et à mesure du diagnostic, il est préférable dans un premier temps collecter un certain nombre d'éléments afin de faciliter la documentation du problème et accélérer sa résolution. Ainsi, il devient également plus facile de demander à un tiers son expertise pendant l'investigation. Les premières informations qui doivent être collectées sont les suivantes concernant les extrémités. Il faut communiquer dans la mesure du possible les informations des deux systèmes finaux: Le type d'application/logiciel et son fonctionnement Les piles protocolaires employées (RTP, TCP, UDP, IPv4, IPv6,etc) Les systèmes d'exploitation (version, noyau, etc) Les adresses IP et les ports de niveau 4 des extrémités Le type de cartes réseau, processeur, mémoire. Une fois que les informations concernant les extrémités sont collectées, il faut récupérer les informations concernant le chemin. L'outil traceroute permet de connaître le chemin emprunté. Il est important que ce travail soit réalisé dans les deux sens.

8 4 Les problèmes de performance rencontrés Les problèmes de performance peuvent intervenir à plusieurs niveaux: Ils sont souvent liés à une mauvaise configuration des équipements terminaux. Ils peuvent aussi se situer au niveau du réseau local ou du réseau de campus. Ils peuvent être causés par des éléments traversés au niveau des réseaux de collecte nationaux ou internationaux 4.1 Les problèmes de performance liés aux équipements d extrémité : Les éléments d'extrémité sont souvent les responsables des problèmes de performance. L'ASR doit s'assurer que la machine est bien dimensionnée pour le type d'application (processeur puissant, mémoire suffisante, système d'exploitation adapté). L'ASR doit également vérifier que la machine est configurée correctement. Si l'application repose sur le protocole TCP, la vérification des paramètres TCP est importante surtout si des réseaux de type LFN sont traversés. 4.2 Eléments pouvant entraîner une dégradation du service au niveau d un site/campus: Boîtiers intermédiaires (Firewall, proxy, NAT, boîtiers de performances) Il existe un nombre important de boîtiers pouvant s'insérer entre les deux extrémités, la plupart sur le réseau local, chacun ayant des fonctions bien spécifiques. En voici quelques uns: Pare-feux Traffic shapers Boîtiers NAT Proxies Ces boîtiers offrent souvent des fonctionnalités intéressantes mais au détriment des performances réseaux. En effet, ces éléments introduisent des délais supplémentaires, de la gigue, causent des pertes de paquets. Il faut donc être vigilant et prendre en compte ces éléments dans la résolution des problèmes de performance Half/Full duplex et Auto-négociation Un segment Ethernet a deux mode de fonctionnement: half duplex ou full duplex. Dans le mode half duplex, uniquement une station peut émettre à un moment donné alors qu'avec le mode full duplex, les deux stations du segment peuvent émettre simultanément.

9 L'auto-négociation est un mécanisme qui permet à deux stations sur un lien point-à-point de négocier le mode half/full duplex. Il est évident que le mode full duplex est préféré si les deux stations le supportent. Ce mécanisme évite qu'une station soit en half-duplex et une autre en full duplex (duplex mismatch), ce qui cause des problèmes de performance. Il y a quelques années, des problèmes d'interopérabilité pouvaient apparaître avec l'autonégotiation, mais aujourd'hui ce mécanisme est devenu fiable. La recommandation est d'activer ce mécanisme afin d'éviter les problèmes de performance Collision dans un LAN (utilisation de Hubs) Même si cela a tendance à disparaître, certaines stations sont raccordées via des hubs dans les réseaux locaux. Le phénomène de collision peut donc être présent. Des pertes de paquets peuvent apparaître entrainant des problèmes de performance. Dans la mesure du possible, la solution est de faire évoluer son parc réseau vers un réseau à base de commutateurs plutôt que des hubs réduisant fortement le risque de collision Domaine de broadcast dans un réseau à base de commutateurs Bien que les commutateurs réduisent les domaines de collision, ils permettent de diffuser les requêtes broadcast et multicast. Dans un réseau commuté où il y a un grand nombre de stations sur le même réseau IP, cela peut avoir des conséquences néfastes pour les performances réseau du aux tempêtes broadcast. Afin d'éviter cela, il est conseillé est de segmenter le réseau en sous-réseaux, les domaines de broadcast seront ainsi réduits. L'utilisation de VLAN est conseillée pour faire cette segmentation du réseau car elle ne sera pas forcement physique. 4 Les réseaux traversés et les services offerts (dans le monde académique): Une bonne connaissance de la topologie des réseaux pouvant être traversés ainsi que les services offerts est essentielle dans le diagnostic et la résolution des problèmes de performance de bout en bout. Dans la plupart des cas, les sites sont raccordés à des réseaux de collecte. Ce sont généralement des réseaux haut débit offrant une bonne connectivité. Ces réseaux de collecte sont raccordés généralement à RENATER, le Réseau National de Télécommunication pour l'enseignement et la Recherche, qui offre également une bonne connectivité. Ces réseaux mettent à la disposition des utilisateurs un ensemble d'information qui pourra être utile pendant la phase de déboguage (coordonnées, outils réseau, etc): RENATER est raccordé à GEANT, le réseau paneuropéen de la recherche. Des informations concernant les outils employés par GEANT ainsi que les autres réseaux de la recherche en Europe sont disponibles:

10 5 La métrologie : Evaluation des performances La métrologie permet entre autre d évaluer la qualité d un réseau et ainsi déterminer les causes d une dégradation de service Métrologie proactive : Méthodes et Outils Mesures passives (SNMP, Netflow ) SNMP: L'utilisation de MRTG/RRDtool est conseillée pour connaître la charge des liens à tout moment. Il est ainsi simple de voir les liens qui sont surchargé. Netflow accounting: Si vos équipements réseau le permettent, l'utilisation de netflow peut s'avérer très utile. L'étude des flux révèle souvent des problèmes qui peuvent entraîner des problèmes de performances (boucle de routage, etc) Mesures actives (smokeping, iperf, boites de mesures ) Métrologie réactive : Méthodes et Outils Mesures passives (SNMP, Ethereal, TCPdump )

11 Mesures actives (iperf, traceroute ) Ping Ping6 telnet Traceroute Traceroute6 TCP Traceroute Iperf Pchar

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