BufferbloatとLinux

最近勉強したLinuxのBufferbloat対応の動向まとめ

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1. BufferbloatとLinux
   Yutaro Hayakawa
   1
   

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2. 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
   

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3. 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/
   

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4. 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
   

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5. 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
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   Send
   er
   Recei
   ver
   10G 1G
   100G
   Bottleneck Link
   出典: Bufferbloat: Dark Buffers in the Internet
   

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6. 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
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   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
   

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7. 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
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   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
   

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8. 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
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   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
   

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9. 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
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   Send
   er
   Recei
   ver
   10G 1G
   100G
   Bufferbloatが起きている状態
   出典: Bufferbloat: Dark Buffers in the Internet
   

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10. 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
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    Send
    er
    Recei
    ver
    10G 1G
    100G
    ちょうどいいライン
    出典: Bufferbloat: Dark Buffers in the Internet
    

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11. TCPとbufferbloat
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    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
    

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12. Active Queue Management (AQM)
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    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)
    

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13. Delay Based Congestion Control
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    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)
    

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14. LinuxにおけるBufferbloatへの対応
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    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)
    

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15. 内部キューの制御
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    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
    

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16. fq / fq_codel
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    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
    

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17. BBR
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    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
    

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18. PacingとEarliest Departure Time
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    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
    

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19. 出典 + 歴史のまとめ
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    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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20. End of Slide
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