Mécanismes de bout en bout pour améliorer la latence dans les réseaux de communication

End-to-end mechanisms to improve latency in communication networks

• Auteur / Autrice : Baptiste Jonglez
• Direction : Martin Heusse, Bruno Gaujal
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Informatique
• Date : Soutenance le 23/10/2020
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale mathématiques, sciences et technologies de l'information, informatique (Grenoble ; 199.-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'informatique de Grenoble
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : Équipe-projet Évaluation et optimisation des performances des grandes infrastructures (Montbonnot-Saint-Martin, Isère ; 2016-....) - Drakkar
• Jury : Président / Présidente : Isabelle Guérin-Lassous
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Guillaume Urvoy-Keller, Anna Karin Brunstrom
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : André-Luc Beylot, Guillaume Urvoy-Keller

Mots clés

Mots clés contrôlés

Internet à haut débit

Mots clés libres

Protocole de transport

Performance

Multi-Chemin

Internet

Réseaux de données

Délai

Transport protocol

Network

Delay

Internet

Performance

Multipath

Résumé

Les technologies réseau qui font fonctionner Internet ont beaucoup évolué depuis ses débuts, mais il y a un aspect de la performance des réseaux qui a peu évolué : la latence. En 25 ans, le débit disponible en couche physique a augmenté de 5 ordres de grandeur, tandis que la latence s'est à peine améliorée d'un ordre de grandeur. La latence est en effet limitée par des contraintes physiques fortes comme la vitesse de la lumière.Cette évolution différenciée du débit et de la latence a un impact important sur la conception des protocoles et leur performance, et notamment sur les protocoles de transport comme TCP. En particulier, cette évolution est indirectement responsable du phénomène de "Bufferbloat" qui remplit les tampons des routeurs et exacerbe encore davantage le problème de la latence. De plus, les utilisateurs sont de plus en plus demandeurs d'applications très réactives. En conséquence, il est nécessaire d'introduire des nouvelles techniques pour réduire la latence ressentie par les utilisateurs.Le but de cette thèse est de réduire la latence ressentie en utilisant des mécanismes de bout en bout, par opposition aux mécanismes d'infrastructure réseau. Deux mécanismes de bout en bout sont proposés. Le premier consiste à multiplexer plusieurs messages ou flux de données dans une unique connexion persistante. Cela permet de mesurer plus finement les conditions du réseau (latence, pertes de paquet) et de mieux s'y adapter, par exemple avec de meilleures retransmissions. J'ai appliqué cette technique à DNS et je montre que la latence de bout en bout est grandement améliorée en cas de perte de paquet. Cependant, en utilisant un protocole comme TCP, il peut se produire un phénomène de blocage en ligne qui dégrade les performances. Il est possible d'utiliser QUIC ou SCTP pour s'affranchir de ce problème.Le second mécanisme proposé consiste à exploiter plusieurs chemins, par exemple du Wi-Fi, une connexion filaire, et de la 4G. L'idée est d'utiliser les chemins de faible latence pour transporter le trafic sensible en priorité, tandis que le reste du trafic peut profiter de la capacité combinée des différents chemins. Multipath TCP implémente en partie cette idée, mais ne tient pas compte du multiplexage. Intégrer le multiplexage donne davantage de visibilité au scheduler sur les besoins des flux de données, et permettrait à eux-ci de coopérer. Au final, on obtient un problème d'ordonnancement qui a été identifié très récemment, "l'ordonnancement multi-chemins sensible aux flux". Ma première contribution est de modéliser ce problème. Ma seconde contribution consiste à proposer un nouvel algorithme d'ordonnancement pour ce problème, SRPT-ECF, qui améliore la erformances des petits flux de données sans impacter celle des autres flux. Cet algorithme pourrait être utilisé dans une implémentation de MPQUIC (Multipath QUIC). De façon plusgénérale, ces résultats ouvrent des perspectives sur la coopération entre flux de données, avec des applications comme l'agrégation transparente de connexions Internet.

The network technologies that underpin the Internet have evolved significantly over the last decades, but one aspect of network performance has remained relatively unchanged: latency. In 25 years, the typical capacity or "bandwidth" of transmission technologies has increased by 5 orders of magnitude, while latency has barely improved by an order of magnitude. Indeed, there are hard limits on latency, such as the propagation delay which remains ultimately bounded by the speed of light.This diverging evolution between capacity and latency is having a profound impact on protocol design and performance, especially in the area of transport protocols. It indirectly caused the Bufferbloat problem, whereby router buffers are persistently full, increasing latency even more. In addition, the requirements of end-users have changed, and they expect applications to be much more reactive. As a result, new techniques are needed to reduce the latency experienced by end-hosts.This thesis aims at reducing the experienced latency by using end-to-end mechanisms, as opposed to "infrastructure" mechanisms. Two end-to-end mechanisms are proposed. The first is to multiplex several messages or data flows into a single persistent connection. This allows better measurements of network conditions (latency, packet loss); this, in turn, enables better adaptation such as faster retransmission. I applied this technique to DNS messages, where I show that it significantly improves end-to-end latency in case of packet loss. However, depending on the transport protocol used, messages can suffer from Head-of-Line blocking: this problem can be solved by using QUIC or SCTP instead of TCP.The second proposed mechanism is to exploit multiple network paths (such as Wi-Fi, wired Ethernet, 4G). The idea is to use low-latency paths for latency-sensitive network traffic, while bulk traffic can still exploit the aggregated capacity of all paths. This idea was partially realized by Multipath TCP, but it lacks support for multiplexing. Adding multiplexing allows data flows to cooperate and ensures that the scheduler has better visibility on the needs of individual data flows. This effectively amounts to a scheduling problem that was identified only very recently in the literature as "stream-aware multipath scheduling". My first contribution is to model this scheduling problem. As a second contribution, I proposed a new stream-aware multipath scheduler, SRPT-ECF, that improves the performance of small flows without impacting larger flows. This scheduler could be implemented as part of a MPQUIC (Multipath QUIC) implementation. More generally, these results open new opportunities for cooperation between flows, with applications such as improving WAN aggregation.