Réseaux Haut Débit : où est le maillon faible?

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1 Réseaux Haut Débit : où est le maillon faible? Années 1980 LAN 10 Mb/s mais WAN ~ 100 Kb/s Années 2000 LAN 100 M, 1G, 10G ou +, WAN 2,5Gb/s, 10G, IEEE 802.3ba : étude de ethernet 40G (LAN) et 100G (WAN) Exemple Renater5 (ouvert 2008) Liaisons à 10G Fibres noires pour Grilles de calcul (WDM) RHD

2 RHD

3 Haut débit : niveau physique Niveau physique : fibre 10 Giga et au delà Multiplexage en longueur d onde WDM, DWDM par exemple 10 Giga par λ très grandes distances câbles transocéaniques => très grands progrès pas le facteur limitatif RHD

4 Haut Débit niveaux 2 et 3 Commutateurs Giga ethernet Catalyst /100/1000T + 4 SFP : 4800 $ (niveau 2) 7000 $ (niveau 2/3) Routeurs haute performance Juniper M160 Chassis $ carte OC192/sonet (1 port 10G) $ carte routage $ carte 2 ports 1 G $ Cisco (jusqu à 16 slots à 40G) Cisco chassis $217,500 Cisco Gbps Switch Fabric Card $45,000 Cisco Port 10GE Card, 1550nm $165,000 => limiter le nombre de routeurs (VLAN) RHD

5 Comment commuter à haut-débit? accélérer le «routage» meilleurs algorithmes de «longest match» MPLS accélérer la commutation elle-même switch fabric bus, cross connect, anneau, sans blocage = la commutation interne ne ralentit pas pas toujours vérifié si on avait 24 ports 1G sur un bus à 10G? nécessite que débit fabric >> débit lignes RHD

6 Switch simple Ex : routeur PC architecture simple accès mémoire simultanés bus IO de débit > somme débits interfaces double copie des paquets cartes interfaces simples process centralisé amélioré si DMA carte => mémoire RHD

7 cartes «intelligentes» RHD

8 Cartes intelligentes (2) buffers, FIB, calculs distribués sur les cartes accès direct carte à carte limitation : accès au bus débit concurrence CPU signalisation (proto routage => RIB) contrôle cartes, charge FIBs opérations + complexes (tunnels, ) RHD

9 CEF cisco express forwarding RHD

10 dcef Distributed CEF (doc cisco) RHD

11 Switch haute performance RHD

12 Switch haute performance(2) «switch fabric» circuit de commutation circuit à N entrées et N sorties entrée (et sortie) des paquets en // remarque : systèmes «crossbar» en téléphonie plus simple si petits paquets de taille fixe voir ATM que se passe-t-il si 2 paquets pour la même sortie (contention)? RHD

13 Ex : crossbar avec arbitre et buffer si plusieurs demandes pour même sortie arbitre sélectionne autres paquets : buffer coûteux NxN buffers RHD

14 N bus broadcast Paquet contient adresse sortie Analogue ethernet RHD

15 switch et blocage 2 types de blocage dans le switch en sortie Solutions surcapacité du switch (ou switchs //) buffers contrôle (arbitre => buffers en entrée) RHD

16 Switchs cascadés Elément de base 2x2 Si adresse 0 => haut sinon bas si conflit : buffer -Eléments de base cascadés -utilisent bits successifs adresse RHD

17 Ex : Banyan (self routing) X contention interne ou en sortie possible RHD

18 Solutions Buffering dans cellules intermédiaires coûteux réservation du chemin solutions basées sur le tri des entrées Batcher Banyan : pas de contention interne tri (Batcher sort) détection doublons (conflits de sortie : trap) doublons réinjectés à l entrée mélange (shuffle exchange) Banyan RHD

19 Tri par fusion RHD

20 exemple composite Batcher-Banyan RHD

21 Où mettre les buffers? en entrée? RHD

22 Buffers en entrée le switch n a pas besoin d être plus rapide que les liens de sortie arbitre gère les conflits de sortie problème du Head of Line Blocking HoL si la tête de la file bloquée (= sortie occupée) => paquets suivants dans la file bloqués même si leur sortie est libre RHD

23 Buffers en sortie RHD

24 Buffers en sortie Très courant permet de gérer les flux concurrents pour une sortie = utilisation lien sortant Pas de HoL blocking Buffers doivent être rapides pour ne pas bloquer les entrées au pire N fois vitesse de ligne RHD

25 Buffers partagés adresses transmises par switch données en mémoire double accès RHD

26 Solutions hybrides buffers en entrée et en sortie et/ou dans la fabric complexes à analyser utilisées en pratique RHD

27 Cas particulier : multicast Eviter recopies multiples bus en broadcast adaptés augmente le risque de blocage dans les switchs RHD

28 RHD

29 RHD

30 Structure switch fabric cisco (12000) RHD

31 Files virtuelles en entrée => évite HoL blocking Possibilité de plusieurs switch fabrics fonctionnent en parallèle augmentent débit Ex : Cisco switch permet 40 G Full Duplex sur chaque carte interface (slot) 16 slots => 1,28 Tb/s utilisé même pour ré-émission même carte (équitable) RHD

32 Archi routeur cisco FIB (Forwarding base) distributed CEF (Cisco Express Forwarding) paquets segmentés en cellules de 44 octets + entête pour fabric (analogue ATM) RP (Route Processor) reçoit/envoie messages routage calcule RIB envoie FIB/CEF aux cartes rem : peux prendre du temps ~ centaines ms le tout via fabric RHD

33 Arrivée paquet cisco engine 2 7 émission cellules vers fabric 1 par 1 6 requête fabric 5 paquet fragmenté en cellules 4 paquets dans CEF 3 mise en file virtuelle 2 consultation CEF dans PSA (Packet Switching Asic) 1 arrivée trame RHD

34 Emission paquet 8 arrivée des cellules 9 allocation buffer/réassemblage 10 mise en file de sortie (ou drop) 11 émission RHD

35 Haut débit Et la couche transport? limitations de TCP? limitations des systèmes? RHD

36 La couche transport session transport service de bout en bout session transport réseau (A) réseau réseau réseau (B) liaison liaison liaison liaison physique physique physique physique extrémité 1 lien 1 routeur 1 lien 2 routeur 2 lien 3 extrémité 2 RHD

37 TCP (Transmission Control Protocol) Décrit dans les RFC 793, 1122, 1323, constante évolution Modèle de service TCP orienté connexion, bidirectionnelle fiable : gère les pertes, remet les données dans l ordre assure un contrôle de flux entre émetteur et récepteur une connexion TCP est identifiée par deux extrémités (adresses des sockets émetteur et destinataire) les données sont véhiculées sous forme de flots d octets pas de délimitation des messages de bout en bout équivalent d un tube Unix il existe un service de données urgentes assure (implicitement) contrôle de congestion d Internet RHD

38 TCP : principes un message TCP (segment) est transmis dans un paquet IP tout octet de données transmis sur une connexion TCP est référencé par un n de séquence (32 bits) un message TCP est formé d un en-tête d au moins 20 octets suivi éventuellement d options et de données la taille d un segment est limitée par : la charge utile d IP (maximum octets) le «Path MTU discovery» peut être mis en oeuvre par TCP pour éviter la fragmentation la fragmentation ralentit beaucoup la transmission TCP utilise une fenêtre d anticipation en émission fenêtre de taille variable (contrôle de flux et congestion) et éventuellement en réception (SACK) l entité réceptrice acquitte avec le n du prochain octet attendu (ACK cumulatif) RFC 1106 implémente la retransmission sélective RHD

39 Format entête TCP bits 0 31 Port Source Port Destination Numéro Séquence Numéro Acquittement Taille entête et flags Fenêtre W Checksum Pointeur Urgent Options éventuelles + bourrage Données éventuelles (nb entier d octets) RHD

40 taille de fenêtre W (16 bits) : contrôle de flux explicite option : si = 0 : blocage de l émetteur si > 0 : indique combien d octets peuvent être transmis à partir de N Acquittement certaines options utilisées à la connexion (négociation des capacités) d autres utilisées en cours de connexion RHD

41 Exemples d options MSS (Maximum Segment Size) : taille maximale que l entité TCP peut recevoir dans son tampon (minimum du MSS des deux extrémités). le MSS est l unité de mesure de la fenêtre de congestion Window scale permet d augmenter la taille de la fenêtre Timestamp : horodatage Possibilité de retransmission sélective (SACK accepted) RHD

42 Transfert de données (1) Transfert bidirectionnel simultané Transfert de données la gestion des fenêtres d anticipation est liée : aux réceptions d acquittements au rythme de lecture / écriture des applications L émetteur peut envoyer les octets compris entre dernier N ACK reçu et dernier N ACK reçu + dernier W reçu W permet donc au récepteur de ralentir émetteur W = «crédit émission» RHD

43 Transfert de données (2) Fiabilité récepteur accepte dans l ordre et acquitte émetteur arme délai de retransmission RTO associé au plus ancien octet non acquitté si RTO se déclenche : retransmission (continue) Efficacité dépend estimation RTO très variable suivant connexion principe RTT calculé pour chaque paquet acquitté : dernierrtt NouveauRTT = a*ancienrtt + (1-a)*dernierRTT RTO = b * NouveauRTT (0 < a < 1, b > 1) algo de Karn : ne pas tenir compte paquets retransmis RHD

44 Exemple échange Syn, S=100,A=0,W=4000 Syn,Ack, S=250, A=101, W=2000 Ack, S=101,A=251,W=4000,(1000) S=1101,A=251,(1000) (attente) S=2101,A=1751,W=4000,(1000) S=3101,A=1751,W=4000,(1000) bloqué X S=251,A=1101,W=1000,(1500) S=1751,A=2101,W=2000,(0) perte S=1751,A=2101,W=2000,(0) (pas accepté) Retransmission timeout (RTO) S=2101,A=1751,W=4000,(1000) RHD

45 Contrôle de flux (1) Débit avec TCP standard W < 64 Ko (souvent moins : paramètre système) au plus W par RTT Ex : RTT = 1ms (LAN) Esplanade Illkirch ~0,8 ms 64Ko /ms => 64 Mo/s ~500 Mb/s RTT = 640ms (satellite) 64 Ko / 640 ms ~800 Kb/s intérêt du paramètre Wscale (Window scale) Wscale = n => multiplie W par 2 n RHD

46 Wscale Analyse des flux Osiris <=> Renater - trace de 15 - sur plus de connexions - moins de utilisent option wscale wscale > 0 RHD

47 Contrôle de flux (2) Emetteur bloqué dans 2 cas W = 0 (récepteur saturé) => attendre de recevoir segment avec W >0 La fenêtre d émission est pleine W octets envoyés et non encore acquittés si perte d un Ack : attendre Ack suivant (cumulatif) si perte données : attendre RTO et retransmettre si aucune erreur : attendre Ack (au plus RTT) peut indiquer que W trop petit RHD

48 Contrôle de flux (3) Exemple (Mac OS) paramètres TCP sudo sysctl -a grep net.inet.tcp.*space net.inet.tcp.sendspace: net.inet.tcp.recvspace: fenêtres limitées à 32 Ko RTT 1ms => ~256 Mb/s RTT 100 ms => 2,56 Mb/s peut être changé, ex : sudo sysctl -w kern.ipc.maxsockbuf= sysctl -w net.inet.tcp.sendspace= sysctl -w net.inet.tcp.recvspace= RHD

49 Contrôle de congestion Dans Internet, contrôle distribué dans les stations émettrices TCP s en charge, en diminuant le débit des données émises =>TCP fait varier dynamiquement la taille de la fenêtre d émission perte (et retransmission) interprété par TCP comme congestion dans le réseau => TCP surveille les temporisateurs de retransmission pour détecter une congestion TCP gère deux fenêtres : «fenêtre de contrôle de flux» : relative à la capacité du récepteur (paramètre W) «fenêtre de congestion» : relative à la capacité du réseau (paramètre CW) => le nombre d octets qui peut être envoyé doit être le minimum de ces fenêtres FE = min (W, CW) RHD

50 Contrôle de congestion (2) TCP basique (Tahoe, années 80) Débit initial : doit être faible (capacité réseau inconnue) La fenêtre de congestion CW est mesurée en MSS algorithme du «démarrage lent» (Jacobson 88) à l établissement de la connexion, CW = 1 émetteur envoie un segment de taille maximum à chaque acquittement sans timeout, CW = CW +1 => à chaque RTT sans perte CW double (croissance exponentielle) CW est limité à W => si W faible CW n augmente plus Lors d une retransmission (Timeout) considère qu il s agit d une congestion redémarre en slow start avec CW = 1 RHD

51 Contrôle de congestion (3) Tahoe (suite) Pour éviter les oscillations quand la fenêtre CW atteint un seuil S on augmente CW de 1 par RTT (au lieu de 1 par ACK) augmentation linéaire phase d évitement de congestion Calcul de S : initialement S = Wmax (64 Ko ou limite système) à chaque retransmission sur timeout (= congestion) on prend S égal à la moitié du dernier CW S := CW/2 CW := 1 RHD

52 Pertes aux temps 4, 13, 24, 36 RHD

53 Contrôle de congestion (4) Si perte, attente RTO : peu efficace «fast retransmit» (TCP Reno) Si 3 Ack dupliqués 3 paquets sont arrivés après un «trou» réseau congestionné mais «pas trop» fast retransmit (RFC 2581) retransmettre toiut de suite sans attendre timeout Fast recovery : ne pas repasser CW à 1 S := CW/2 CW := S évitement de congestion si Timeout S := CW/2 CW := 1 slow start RHD

54 Perte et triple ACK au temps 4, 10,19,Timeout au temps 26 RHD

55 Retransmission sélective Nouveau mécanisme introduit RFC2018 négocié à la connexion option SACK_permitted si récepteur détecte une perte N Seq segment reçu > N Seq segment attendu récepteur envoie Ack avec option SACK : contient n fois (début, fin) indique réception de n blocs «isolés» évite retransmission continue permet de déclencher le fast retransmit/recovery RHD

56 Fenêtres : synthèse Côté émetteur Ni DA S1 DE DA +FE Envoyé Envoyé Peut être envoyé et acquitté non tous acquitté si DE < DA + FE Ni : Numéro initial choisi par l émetteur DA : dernier N Ack reçu S1 : segment acquitté par SACK DE : dernier octet envoyé FE: fenêtre émission, min(w, CW) A chaque acquittement DA avance FE est recalculé RHD

57 Fenêtres : synthèse (2) Côté récepteur Ni PA S1 S2 PA + W Reçu et acquitté Peuvent être acceptés Ni : Numéro initial choisi par l émetteur PA : Prochain attendu = dernier N Ack envoyé W : Fenêtre réception (fonction des capacités) S1, S2 blocs reçus dans le désordre (SACK éventuel) non encore fournis à l application A chaque segment attendu reçu PA avance W est éventuellement recalculé Acquittement éventuellement envoyé RHD

58 Protocole stable TCP : conclusion amélioration algo retransmission/congestion Optimisation pour réseaux très haut débit Wscale, SACK Manque d efficacité si réseau peu fiable perte congestion Exemple : réseaux sans fil RHD

59 TCP et haut débit Problème des Long Fat Pipe Formule de Mathis (approchée, avec TCP Reno) calcul des «dents de scie» Si bande passante pas limitée par W BP < MSS * C / (RTT * p ) où p est la probabilité de perte de paquet Ex MSS = 1500o, RTT = 100 ms, p = 1% BP < 1500 * 8 * C /(0,1 * racine (0,01)) = 1,2 Mb/s (en prenant C = 1) Si p = 0,0001, BP < 12 Mb/s RHD

60 TCP et haut débit fiabilité RTT : limiter les routeurs : commutateurs vitesse du signal : pas de gain possible (vitesse lumière) Augmenter le MSS réseaux spécialisés avec MSS > 1500 octets exemple myrinet proposition de jumbo frame (pb de compatibilité) Améliorer retransmission TCP (dents de scie) A défaut régler taille fenêtres ouvrir connexions parallèles ( ~ multiplie le MSS) RHD

61 Renater sources Switching An engineering approach to computer networking, S. Keshav, Addison-Wesley Architecture CRS1 documentation cisco TCP les RFC RHD