BufferbloatとLinux Yutaro Hayakawa 1

Agenda LinuxカーネルのBufferbloat対策を概観する 1. Bufferbloatとは何か 2. Approach 1: Queuing (BQL, TCQ, AQM, FQ) 3. Approach 2: BBR Congestion Control 2

Bufferbloatとは? ネットワーク装置がパケットをバッファリングしすぎることで起こる望まぬ遅延 * 現代インターネットには大きなバッファを備えた装置がそこかしこにあり過度にバッファリングをしている なぜバッファリングが必要か？ 3 10G 1G 帯域の差を埋める 10G 10G 処理遅延を吸収する Forwarding待ちのキュー 処理待ちのキュー *https://www.bufferbloat.net/projects/

パケットネットワークにおけるスループットと遅延の関係 4 Send er Recei ver 10G 1G 100G 出典: Bufferbloat: Dark Buffers in the Internet

パケットネットワークにおけるスループットと遅延の関係 5 Send er Recei ver 10G 1G 100G Bottleneck Link 出典: Bufferbloat: Dark Buffers in the Internet

パケットネットワークにおけるスループットと遅延の関係 6 Send er Recei ver 10G 1G 100G In flight packets => ネットワークの中に あるパケット => 「放たれた」パケット 出典: Bufferbloat: Dark Buffers in the Internet

パケットネットワークにおけるスループットと遅延の関係 7 Send er Recei ver 10G 1G 100G Bottleneck Bandwidth でスループットは頭打ち 出典: Bufferbloat: Dark Buffers in the Internet

パケットネットワークにおけるスループットと遅延の関係 8 Send er Recei ver 10G 1G 100G キューイングによる遅延 出典: Bufferbloat: Dark Buffers in the Internet

パケットネットワークにおけるスループットと遅延の関係 9 Send er Recei ver 10G 1G 100G Bufferbloatが起きている状態 出典: Bufferbloat: Dark Buffers in the Internet

パケットネットワークにおけるスループットと遅延の関係 10 Send er Recei ver 10G 1G 100G ちょうどいいライン 出典: Bufferbloat: Dark Buffers in the Internet

TCPとbufferbloat 11 出典: Bufferbloat: Dark Buffers in the Internet 現在主流のTCP輻輳制御はロスベース パケットロスを検出したら送信レートを下げる 現代インターネットのロスの多くはキュー溢れ (tail drop) ロスを検出した時点ではもうすでに激しい Bufferbloatが起きてしまっている 多分この辺でロスする

Active Queue Management (AQM) 12 ネットワーク装置がバッファの残量にかかわらず能動的にパケットを落とす キューを必要以上に長くしないことで遅延を減らす ロスベースの輻輳制御にパケロスを通じてレートを下げるよう促す パケットを落とさずにECNを使う場合もある 有名なもの - Random Early Detection (RED) (1993) - Controlled Delay (CoDel) (2017) - Common Application Kept Enhanced (CAKE) (2018)

Delay Based Congestion Control 13 パケットロスではなく遅延で輻輳を検出する輻輳制御アルゴリズム データを送信してからACKが返ってくるまでの時間をRTTとして管理する Bufferbloatによる遅延の増大にちゃんと反応できることが期待できる ロスベースの輻輳制御に追い出されやすいという弱点がある 有名なもの - Vegas (1994) - Bottleneck Bandwidth and Round trip propagation time (BBR) (2016)

LinuxにおけるBufferbloatへの対応 14 LinuxがBufferbloatの対応をすることには大きな意味がある サーバ、クライアント、ホームルータなどのベースになっているシェアの高い OSなため 輻輳制御のような全体で対応が必要なものの利用をユーザに促す効果 おもな対応 内部キューの制御 - BQL, TSQ - AQM (fq_codel, CAKE) 輻輳制御 (BBR) トラフィックShaping / Pacing (fq, EDT, ETF)

内部キューの制御 15 Byte Queue Limits (BQL) - ドライバーキューの長さを自動調整す る TCP Small Queues (TSQ) - TCPのソケットごとに使用できるQdisc キューの量を制限する拡張 fq, fq_codel, CAKE - TC Qdiscレイヤでlocally generated なトラフィックにAQMをする 出典: Queueing in the Linux Network Stack

fq / fq_codel 16 FQ (Fair Queuing / Flow Queueing) CoDel (Controlled Delay AQM) FQでフローごとにキューを分離した上で CoDelでAQMして遅延を制御 ... 5tuple hash CoDel Manage Schedular Schedule Driver Queue

BBR 17 Bufferbloatを念頭において作られた Delayベースの輻輳制御 RTprop (理想的なRTT) の推定 データを送信してから ACKが帰ってくるまでの RTTを一定時間 計測した最小値 BtlBw (理想的な帯域) の推定 データ送信量と送信時刻を記録、 ACKが返ってきた際にレート を計算する これを一定時間計測して最大値を輻輳ウィンドウの計算に使う 計測したRTpropとBtlBwの積、つまり帯域遅延積をとると理想 的なinflightなデータの量がわかる 出典: Bufferbloat: Dark Buffers in the Internet RTprop BtlBw ここを探す

PacingとEarliest Departure Time 18 ウィンドウは「どれくらい」送るかの指標「どれくら いのペースで」送るかは特に標準で規定されてい ない (How much vs How fast) Pacing 主にTCのレイヤでBpsでパケットの送信間隔を 調節する Earliest Departure Time TCPがパケットごとに出発時間を明示してそれを 元にTCレイヤでスケジューリング

出典 + 歴史のまとめ 19 Bufferbloat: Dark Buffers in the Internet (2011) bql: Byte Queue Limits (2011) tcp: TCP Small Queues (2012) fq_codel (2012) tcp: TSO packets automatic sizing (2013) fq packet schedular / SO_MAX_PACING_RATE (2013) Bottleneck Bandwidth and Roundtrip propagation time (2016) TCP internal pacing (2017) Earliest Departure Time (2018) Scheduled packet Transmission: ETF (2018) CAKE (2018) Linuxのキューイングに関する素晴らしいまとめ Queueing in the Linux Network Stack Bufferbloatに関する技術や動向をまとめたサイト https://www.bufferbloat.net/projects/ CoDelのRFC https://datatracker.ietf.org/doc/html/rfc8289 fq_codelのRFC https://datatracker.ietf.org/doc/html/rfc8290 主にTCP周りの活動のまとめ https://legacy.netdevconf.info/1.2/papers/bbr-netdev-1.2.new.ne w.pdf

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