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明示的輻輳通知( ECN ) は、インターネット プロトコルと伝送制御プロトコルの拡張機能であり、RFC 3168 (2001) で定義されています。ECN を使用すると、パケットをドロップすることなく、ネットワーク輻輳をエンドツーエンドで通知できます。ECN は、基盤となるネットワーク インフラストラクチャでもサポートされている場合に、2 つの ECN 対応エンドポイント間で使用できるオプション機能です。
従来、TCP/IP ネットワークはパケットをドロップすることで輻輳を通知します。ECN のネゴシエーションが成功すると、ECN 対応ルータはパケットをドロップする代わりに IP ヘッダーにマークを設定して、輻輳が迫っていることを通知します。パケットの受信者は輻輳の通知を送信者にエコーし、パケットのドロップを検出したかのように送信速度が低下します。
これまで、時代遅れまたは故障したネットワーク機器の中には、ECNビットが設定されたパケットを適切に応答したり無視したりするのではなく、ドロップしたり壊したりしてきたものがありました。[1] [2] [3] 2015年の時点で[update]、測定によると、ECNを設定するとネットワーク接続が妨げられるパブリックインターネット上のWebサーバーの割合は1%未満に減少しました。 [4]
パッシブサポートは、Ubuntu Linuxでは12.04から、Windows Serverでは2012年から存在しています。[5]最も人気のあるウェブサイトでのパッシブサポートは、2012年の8.5％から2017年5月には70％以上に増加しました。[5]インターネット全体での採用には、クライアントが積極的にECNを要求することが必要になりました。2015年6月、Appleは、業界全体でECNシグナリングの採用を促進するために、サポート対象製品と将来の製品でECNをデフォルトで有効にすると発表しました。[6]
手術
ECN では、次の理由により、 インターネット層とトランスポート層の両方で特定のサポートが必要です。
- TCP/IP では、ルーターはインターネット層内で動作し、伝送速度はトランスポート層のエンドポイントによって処理されます。
- 輻輳は送信側でのみ処理される可能性がありますが、輻輳が発生したことはパケットの送信後にのみ判明するため、受信側から送信側に輻輳の通知がエコーされる必要があります。
ECN がない場合、輻輳表示エコーは、失われたパケットの検出によって間接的に実現されます。ECN がある場合、輻輳は IP パケット内の ECN フィールドを CE (Congestion Experienced) に設定することによって示され、トランスポート プロトコルのヘッダーに適切なビットを設定することによって、受信側から送信側にエコー バックされます。たとえば、TCP を使用する場合、輻輳表示は ECE ビットを設定することによってエコー バックされます。
IPによるECNの運用
ECN は、 IPv4またはIPv6 ヘッダーのトラフィック クラスフィールドの最下位(右端) 2 ビットを使用して、4 つの異なるコード ポイントをエンコードします。
00– ECN 対応トランスポートではない、ECT ではない01– ECN対応トランスポート(1)、ECT(1)10– ECN対応トランスポート(0)、ECT(0)11– 混雑経験あり、CE。
両方のエンドポイントが ECN をサポートしている場合、パケットに ECT(0) または ECT(1) のマークが付けられます。ルータは、ECT(0) と ECT(1) のコードポイントを同等に扱います。パケットが、輻輳が発生しているアクティブ キュー管理(AQM) キュー (たとえば、ランダム早期検出(RED)を使用するキュー) を通過し、対応するルータがECN をサポートしている場合、パケットをドロップするCE代わりに、コードポイントを に変更することがあります。この動作は「マーキング」と呼ばれ、その目的は、受信エンドポイントに輻輳が差し迫っていることを通知することです。受信エンドポイントでは、この輻輳の通知は上位層プロトコル (トランスポート層プロトコル) によって処理され、送信ノードにエコーバックされて、送信速度を下げるように通知する必要があります。
CE 指示は、それをサポートする上位層プロトコルによってのみ効果的に処理できるため、ECN は、輻輳制御をサポートし、CE 指示を送信エンドポイントにエコーする方法を持つTCPなどの上位層プロトコルと組み合わせてのみ使用されます。
TCPによるECNの操作
TCP は、TCP ヘッダーの 2 つのフラグを使用して ECN をサポートします。1 つ目のECN-Echo (ECE) は、輻輳表示をエコーバックするために使用されます (つまり、送信者に伝送速度を下げるように通知します)。2 つ目のCongestion Window Reduced (CWR) は、輻輳表示エコーを受信したことを確認するために使用されます。TCP 接続での ECN の使用はオプションです。ECN を使用するには、SYN セグメントと SYN-ACK セグメントに適切なオプションを含めることで、接続の確立時にネゴシエートする必要があります。
TCP 接続で ECN がネゴシエートされると、送信者は、その接続の TCP セグメントを伝送する IP パケットに ECT コード ポイントをマークして、ECN 対応トランスポートからのトラフィックを伝送していることを示します。これにより、ECN をサポートする中間ルータは、差し迫った輻輳を通知するために、それらの IP パケットをドロップするのではなく、CE コード ポイントでマークすることができます。
輻輳経験コード ポイントを持つ IP パケットを受信すると、TCP 受信側は TCP ヘッダーの ECE フラグを使用してこの輻輳表示をエコー バックします。エンドポイントが ECE ビットを持つ TCP セグメントを受信すると、パケット ドロップに関して輻輳ウィンドウが縮小されます。次に、CWR ビットが設定されたセグメントを送信して輻輳表示を確認します。
ノードは、CWR ビットが設定されたセグメントを受信するまで、ECE ビットが設定された TCP セグメントを送信し続けます。
tcpdumpで影響を受けるパケットを確認するには、フィルター述語を使用します(tcp[13] & 0xc0 != 0)。
ECN および TCP 制御パケット
伝送制御プロトコル(TCP) は制御パケット (純粋な ACK、SYN、FIN セグメント) に対して輻輳制御を実行しないため、制御パケットは通常、ECN 対応としてマークされません。
2009年の提案[7]では、SYN-ACKパケットをECN対応としてマークすることを提案しています。ECN+として知られるこの改良は、短命のTCP接続のパフォーマンスを劇的に改善することが示されています。[8]
他のトランスポートプロトコルによる ECN の操作
ECN は、輻輳制御を実行する他のトランスポート層プロトコル、特にDCCPやStream Control Transmission Protocol (SCTP)にも定義されています。一般的な原理は TCP に似ていますが、伝送中のエンコードの詳細は異なります。
ECN は、UDPより上位のプロトコルで使用できます。ただし、UDP ではアプリケーションによる輻輳制御が必要であり、DNSなどの初期の UDP ベースのプロトコルでは ECN が使用されていませんでした。QUIC などの最近の UDP ベースのプロトコルでは、輻輳制御に ECN が使用されています。
パフォーマンスへの影響
ECN はアクティブ キュー管理(AQM) ポリシーと組み合わせた場合にのみ効果を発揮するため、ECN の利点は、使用されている正確な AQM によって異なります。ただし、いくつかの観察結果は、異なる AQM 間でも当てはまるようです。
予想通り、ECN は TCP 接続によってドロップされるパケットの数を減らし、再送信を回避することで遅延と特にジッターを減らします。この効果は、TCP 接続に未処理のセグメントが 1 つある場合、[9] RTOタイムアウトを回避できる場合に最も顕著になります。これは、リモート ログインなどの対話型接続や、HTTP 要求、SMTP の会話フェーズ、SQL 要求などのトランザクション プロトコルの場合によく見られます。
ECNがバルクスループットに与える影響は明確ではありません[10]。これは、最近のTCP実装では、送信者のウィンドウが大きい場合に、ドロップされたセグメントをタイムリーに再送信するのにかなり優れているためです。
パケットをドロップしないAQMアルゴリズムを使用する場合、ECNの使用は、非常に混雑したネットワークのパフォーマンスに悪影響を及ぼすことが判明しています。[8] 最新のAQM実装では、非常に高い負荷でパケットをマークするのではなくドロップすることで、この落とし穴を回避しています。
実装
TCP/IP プロトコル スイートの最近の実装の多くは ECN をサポートしていますが、通常は ECN が無効になっている状態で出荷されます。
ホストによるTCPのECNサポート
マイクロソフトウィンドウズ
Windows Server 2008およびWindows Vista以降のWindowsバージョンはTCPのECNをサポートしています。[11] Windows Server 2012以降では、データセンター伝送制御プロトコル（DCTCP）が使用されるため、Windows Serverバージョンではデフォルトで有効になっています。[12]以前のWindowsバージョンおよびサーバー以外のバージョンでは、デフォルトで無効になっています。
ECN サポートは、などのシェル コマンドを使用して有効にできますnetsh interface tcp set global ecncapability=enabled。
BSDA の
FreeBSDでは、TCPのECNはnet.inet.tcp.ecn.enable sysctlを使用して設定できます。デフォルトでは、ECNはそれを要求する着信接続に対してのみ有効になっています。また、すべての接続に対して有効にしたり、完全に無効にしたりすることもできます。[13]
NetBSD 4.0はTCPのECNサポートを実装しており、パラメータの値として1を設定することでsysctlインターフェース を介して有効にすることができますsysctl net.inet.tcp.ecn.enable。[14]
同様に、sysctl net.inet.tcp.ecnはOpenBSDでも使用できます。[15]
リナックス
2002年11月にリリースされたLinuxカーネルのバージョン2.4.20以降、[16] LinuxはTCPのECNの3つの動作モードをサポートしており、sysctlインターフェースでパラメータ/proc/sys/net/ipv4/tcp_ecnを次のいずれかの値に設定することで設定できます。[17]
- 0 – ECN を無効にし、開始も受け入れも行わない
- 1 – 着信接続で要求されたときに ECN を有効にし、発信接続の試行でも ECN を要求します。
- 2 – (デフォルト) 着信接続で要求されたときに ECN を有効にしますが、発信接続では ECN を要求しません。
2015年6月にリリースされたLinuxカーネルのバージョン4.1以降では、 ECNが有効（値1）の場合、 tcp_ecn_fallbackメカニズム[18] ：§6.1.1.1 がデフォルトで有効になっています[19]。フォールバックメカニズムは、送信接続の初期セットアップ時にECN接続を試行し、ECN機能のない送信に対しては適切なフォールバックを行い、ECN非耐性ホストまたはファイアウォールの問題を軽減します。
マックOSX
Mac OS X 10.5 および 10.6 は TCP の ECN サポートを実装しています。これはブールsysctl変数net.inet.tcp.ecn_negotiate_inおよびnet.inet.tcp.ecn_initiate_outを使用して制御されます。[20] 最初の変数は、ECN フラグがすでに設定されている着信接続で ECN を有効にします。2 番目の変数は、ECN が有効になっている発信接続を開始しようとします。両方の変数のデフォルトは0ですが、それぞれの動作を有効にするために1に設定できます。
2015年6月、Apple社はOS X 10.11でECNがデフォルトでオンになると発表しましたが[6]、OSはデフォルトでその動作をせずに出荷されました。macOS Sierraでは、TCPセッションの半分でECNが有効になっています。[21]
iOS
2015年6月、Apple社は次期iOSであるiOS 9でECNをサポートし、デフォルトで有効にすると発表しました。 [6] TCP ECNネゴシエーションは、iOS 9ではWi-Fi / Ethernet経由のランダムに選択された接続の5%で有効になり、 iOS 10ではWi-Fi / Ethernetと一部の携帯電話キャリア経由のランダムに選択された接続の50%で有効になります[22] [23] iOS 11では100%有効になります[24]
ソラリス
SolarisカーネルはTCPのECNの3つの状態をサポートしています: [25]
- 決して – ECNなし
- アクティブ – ECNを使用する
- パッシブ – 要求された場合にのみ ECN サポートをアドバタイズします。
Solaris 11.4以降では、デフォルトの動作はactiveです。ECNの使用はipadm set-prop -p ecn=active tcpで変更できます。[26]
ルータによる IP での ECN サポート
ルータでの ECN マーキングは何らかの形式のアクティブ キュー管理に依存しているため、ECN マーキングを実行するには、ルータに適切なキュー規則を設定する必要があります。
Cisco IOSルータは、バージョン12.2(8)T以降、 WREDキューイング規則が設定されている場合、ECNマーキングを実行します。
Linuxルータは、明示的なecnパラメータを持つREDまたはGREDキュー規律のいずれかが設定されている場合、sfb規律、 CoDel Fair Queuing（fq_codel）規律、またはCAKE [27]キューイング規律を使用してECNマーキングを実行します。
FreeBSD、NetBSD、OpenBSDなどの現代のBSD実装では、REDやBlueなど、いくつかのキューイング規則に対するALTQキューイング実装でECNマーキングをサポートしています。FreeBSD 11には、ECNマーキング機能を備えたipfw /dummynetフレームワークにCoDel、PIE、FQ-CoDel、FQ-PIEキューイング規則の実装が含まれていました。 [ 28 ]
データセンターTCP
データセンター伝送制御プロトコル（データセンターTCPまたはDCTCP）は、ECNを利用して伝送制御プロトコルの輻輳制御アルゴリズムを強化します。[29]これはデータセンターネットワークで使用されます。標準のTCP輻輳制御アルゴリズムは輻輳の存在を検出することしかできませんが、DCTCPはECNを使用して輻輳の程度を測定することができます。[30]
DCTCPはTCP受信側を変更し、受信パケットの正確なECNマーキングを常に中継するようにしますが、シグナリングの信頼性を維持するための機能を無視することになります。これにより、DCTCP送信側は受信側からのACKの損失に対して脆弱になりますが、これを検出したり対処したりするメカニズムはありません。[31] 2014年7月現在[update]、より信頼性の高いアプローチで同等以上の受信側フィードバックを提供するアルゴリズムが活発に研究されています。[31]
参照
- バックワード ECN (BECN)
- ネットワーク輻輳回避
- サービスの種類(ToS)
参考文献
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外部リンク
- サリー・フロイドによる ECN ウェブページ
- RFC 4774 (BCP 124)、明示的輻輳通知 (ECN) フィールドの代替セマンティクスの指定、S. Floyd、(2006 年 11 月)
- ルート/宛先ごとの輻輳制御アルゴリズムを定義するための Linux カーネルのサポート (Linux カーネル 4.0 に統合)