Methodologies and Tools for the Evaluation of Transport Protocols in the Context of High-Speed Networks - TEL - Thèses en ligne Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2009

Methodologies and Tools for the Evaluation of Transport Protocols in the Context of High-Speed Networks

Méthodologies et Outils pour l'évaluation des Protocoles de Transport dans le contexte des réseaux très haut débit

Résumé

Over the last twenty years, there has been a large increase both in terms of number of interconnected hosts and in terms of link capacities. At the beginning of the ARPANET in 1969, more than forty years ago, there were four nodes, all located in the USA and connected with a link speed of 50 kilobits per second. In 1986, when the NSFNET, the network of the US universities, was created, the number of hosts was over a few thousands, but the backbone links' speeds were still of 56 kilobits per second. From that moment on, the growth in number of interconnected hosts and in link capacity has been exponential, thanks to the success of popular applications like the WWW and technological advances like SDH, SONET or DWDM in the fiber optics networks domain or like ATM and the DSL technologies derived from it. The current-day Internet interconnects billions of users (half a billion hosts in late 2006) all around the world, has a cumulated core links speed over several Terabits per second and access links up to 10 Gbps. Another fundamental technological change is also that nowadays, access links start having speeds in the same order of magnitude as the backbone link's speed. For instance, it is common to find data centers where the nodes are interconnected with 1 Gbps or 10 Gbps links and have a connection to the outside with a similar speed. This change is important as only a few connections would be necessary to cause saturation in the backbone. This situation is likely to spread as DSL technologies are gradually replaced by Fiber-To-The-Home (FTTH). 5 Mbps connections aggregated on OC48 (2.5 Gbps) links will then be replaced by 100 Mbps to 1 Gbps links aggregated over 10 Gbps links or less depending on the actual optical technology used in the access network. In such environments, high congestion levels might not be rare and might cause disruption to high-end applications. Lots of promising applications have emerged and would benefit from this increase in capacity like Video On Demand (VoD) that allows end-users to host their own high-definition movie entertainment whenever they want or scientific experiments that gather huge volumes of data (e.g. LHC) that need to be transported to computational facilities scattered all around the globe. The interaction of users with remote objects through the use of communication networks, also known as Telepresence, starts to have a paramount role in a variety of domains ranging from medical or military applications to space exploration. But these applications are still built on top of the very successful softwares or protocols like TCP and IP that were designed a long time ago for a context of low-speed networks. Their design was dictated by one goal: providing a robust and fair interconnection between existing networks. Now put in a high-speed networks context, these extremely robust and scalable protocols are still able to deliver but they are starting to show their limits in terms of performance, security, functionalities and flexibility. The most typical example is the quasi ``one-size-fits-all'' TCP protocol at the transport layer. This protocol was designed to provide a connection-oriented ``virtual circuit'' service for applications like remote login or file transfer. These two applications have two nearly conflicting sets of requirements: the first one needs a low delay and has low requirements for bandwidth while the second one mostly requires high bandwidth. Both require reliable transmissions. TCP was designed as a ``one-size-fits-all'' protocol but as the capacity of the links increased in the wired networks, as the intrinsic characteristics changed for the wireless networks and as the application requirements diverged, TCP is no longer able to scale up in performance. Multiple solutions have been proposed over time, but today's protocol designers have a large disadvantage over those forty years ago: making four similar computers interact is not exactly the same thing as designing a communicating software or protocol fit to be used by billions of vastly heterogeneous computers. Introducing change in a system of such a scale is problematic: it makes it very improbable to make a complete overnight migration of every element in the network, especially if it requires an upgrade of all physical equipments. Thus the change can only be gradual and as software updates in the end-hosts at the very edge of the networks, as it would be easier than changing core hardware elements. The fear to see congestion collapse events in the Internet as in the late 80s is coming back. Caused by too much traffic on crowded links leading to poor performance for everybody over long periods of time, it had advocated for the introduction of a congestion control mechanism in the transport protocol. If the new solutions are behaving selfishly when sharing the common resources (the links), this fear is grounded. It is then necessary to provide ways to assert if a given solution has the appropriate properties before allowing it to roam freely over a large-scale shared system.
Au cours des vingt dernières années, c'est une évolution très rapide non seulement en termes de nombre d'éléments inter-connectés mais surtout en termes de capacités des liens qui a pu être constatée au sein des réseaux de communications. A la création du réseau ARPANET en 1969, il y a plus de quarante ans, quatre ordinateurs, tous situés aux États-Unis étaient connectés avec des liens avec un débit de 50 kilobits par seconde. En 1986, à la création du réseau des universités américaines, le NSFNET, le nombre de machines dépassait déjà plusieurs milliers mais le débit des liens de coeur était encore de 56 kilobits par seconde. A partir de ce moment, la croissance à la fois en termes de nombre d'éléments inter-connectés et de capacités des liens a été exponentielle, grâce au succès de nouvelles applications populaires comme le WWW ou les avancées technologiques comme SDH, SONET ou DWDM dans le domaine des réseaux de fibres optiques et ATM et les protocoles DSL qui en dérivent. L'Internet actuel interconnecte des milliards d'utilisateurs (un demi-milliard de machines fin 2006) répartis partout dans le monde, pouvant utiliser des liens de coeur dont les débits cumulés sont supérieurs à plusieurs Térabits par seconde et dont les liens d'accès peuvent atteindre jusqu'à 10 Gigabits par seconde. Une autre évolution technologique fondamentale est que, aujourd'hui, certains liens d'accès ont des débits du même ordre de grandeur que les débits des liens de coeur auxquels ils sont connectés. Il est aujourd'hui courant de trouver des fermes de serveurs où les noeuds sont interconnectés avec des liens à 1 Gbps ou 10 Gbps et qui ont une connexion vers l'extérieur avec un débit similaire. Cette modification est importante car désormais quelques connexions suffisent à provoquer une saturation des liens de coeur. Cette situation risque d'empirer au fur et à mesure du remplacement des technologies DSL par la Fibre-Jusqu'à-La-Maison (FTTH). Des connexions à 5 Mbps agrégées sur des liens OC48 (2.5 Gbps) vont alors être remplacées par des connexions à 100 Mbps, voire 1 Gbps, agrégées sur des liens à 10 Gbps, voire moins suivant la technologie optique utilisée sur le réseau d'accès. Il est fort probable que dans de tels environnements des niveaux de congestion élevés ne soient pas rares, engendrant des perturbations pour de nombreuses applications. Un grand nombre d'applications prometteuses ont émergé et pourraient bénéficier de capacités de communication accrues, comme par exemple la Vidéo-à-la-Demande (VoD) qui permet aux utilisateurs de regarder des films en haute définition chez eux quand ils le désirent ou les expériences scientifiques générant des quantités massives de données (comme le LHC) qui doivent être acheminées dans des centres de calcul répartis tout autour du globe. L'interaction d'utilisateurs avec des objets distants via un réseau de communication ou Téléprésence commence également à prendre un rôle prépondérant dans de nombreux domaines allant du médical au militaire en passant par l'exploration spatiale. Mais ces applications sont encore construites au dessus de logiciels ou de protocoles à succès comme TCP et IP, conçus il y a longtemps pour un contexte de réseaux bas-débit. Le conception était dirigé par un but principal: fournir une interconnexion robuste entre des réseaux existants. Plongés maintenant dans un contexte de réseaux très haut-débit, ces protocoles extrêmement robustes et capables de passer à l'échelle sont toujours en activité mais commencent à montrer leurs limites en termes de performance, sécurité, fonctionnalités et flexibilité. L'exemple le plus typique est TCP au niveau de la couche de transport. TCP a été conçu comme un protocole ``à tout faire'' mais à mesure que la capacité des liens augmente dans les réseaux fixes, que les caractéristiques intrinsèques changent pour les réseaux sans fils et que les besoins des applications divergent, TCP n'est plus capable de permettre une utilisation performante pour tous des capacités nominales des liens du réseau. De nombreuses solutions ont été proposées, mais les concepteurs de protocoles d'aujourd'hui ont un large désavantage par rapport à ceux d'il y a quarante ans. Faire fonctionner ensemble quatre machines identiques n'est pas exactement pareil que concevoir un logiciel de communication ou protocole susceptible d'être utilisé entre des milliards de machines hétérogènes. Apporter du changement dans un système d'une telle ampleur est problématique: il n'est pas possible d'envisager une migration massive du jour au lendemain surtout si des équipements physiques sont concernés. Le changement ne peut être que graduel et via des mises à jour logicielles dans les hôtes d'extrémité. La peur d'un effondrement de l'Internet dû à la congestion comme à la fin des années 80 resurgit. Causés par une surabondance de trafic réseau sur des liens saturés, ces troubles ont mis en avant la nécessité d'introduire un mécanisme de contrôle de congestion dans les protocoles de transport. Si les nouvelles solutions introduites se comportent de façon égoïste quand elles partagent une ressource commune (un lien), alors cette peur est fondée. Il est donc nécessaire de fournir des moyens de vérifier si une solution donnée possède les propriétés adéquates avant de l'introduire dans un système partagé à très large échelle.
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tel-00529664 , version 1 (26-10-2010)

Identifiants

  • HAL Id : tel-00529664 , version 1

Citer

Romaric Guillier. Methodologies and Tools for the Evaluation of Transport Protocols in the Context of High-Speed Networks. Networking and Internet Architecture [cs.NI]. Ecole normale supérieure de lyon - ENS LYON, 2009. English. ⟨NNT : ENSL537⟩. ⟨tel-00529664⟩
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