ネットワークでなぜ遅延が生じるのか

1. ネットワークでなぜ遅延が⽣じるのか加藤淳 2016/12/25

2. Who am I ? • ネットワークエンジニア • 某外資系メーカ勤務 Twitter: @jkatojp Jun Kato / 加藤淳

3. Q. ネットワークの遅延 (Latency)は限りなくゼロに近づけることが可能である Yes or No

4. 1パケットの視点で⾒るネットワーク遅延

5. プロセス遅延 (Processing Delay) パケット出⼒先決定ヘッダ書き換えフィルタリング QoS 統計情報取得カプセル化筐体内転送 • 伝送装置 • メディアコンバータ • スイッチ • ルータ • NAT装置 • 仮想化装置, IPsec, etc • 通信機器の⼊⼒インターフェイスで受信して出⼒インターフェイスのキューへ送るまでにかかる時間出⼒キューパケットルータの例暗号化

6. キューイング遅延 (Queueing Delay) • 通信機器の出⼒インターフェイスキューに⼊ってから出⼒処理を⾏なうまでにかかる時間出⼒キュー • 出⼒処理より速いペースでパケットが届くとキュー待ちが増える • 広帯域回線から狭帯域回線への転送、⼀時的な輻輳 (バーストトラフィック) などへの対応優先制御キューイングスケジューリング

7. シリアル化遅延 (Serialization Delay) • 通信機器の出⼒インターフェイスからパケットを電気信号や光信号に変換して送信完了するまでにかかる時間出⼒キュー広帯域回線では短い狭帯域回線では⻑いパケットパケット信号変換 1500バイトのパケットの送出にかかる時間は • 10GEでは1.2マイクロ秒 • ISDN(64Kbps)では187.5ミリ秒 (187,500マイクロ秒)

8. 伝搬遅延 (Propagation Delay) • パケットが通信経路上を伝わるのにかかる時間 • 光ファイバの伝搬速度はおよそ 2.0*108 m/s • 媒体により速度固定。光速より遅い (屈折率, 波⻑短縮率) パケットパケット伝搬遅延の理論値 • 東京〜⼤阪間 500km 往復 5ミリ秒 • ⽇本〜アメリカ⻄海岸海底ケーブル 9,000km 往復 90ミリ秒 • ⼈⼯衛星静⽌軌道上空36,000km 2往復 500ミリ秒 ※ 実際には他の遅延も含めもっと⻑くなる

9. 半⼆重通信 (Half Duplex) • データの送信と受信を共通の伝送路上で⾏う • 伝送路上に3台以上の装置が存在可能 • 送信が可能なのは同時に1台のみ (帯域を共有) • Wi-Fi (CSMA/CA⽅式) や初期の Ethernet (CSMA/CD⽅式) ßà全⼆重通信: データの送信と受信が独⽴な伝送路 • 他の装置が送信している時、⾃分は送信できない • 伝送路を共有する装置やトラフィックが多いと待ちの確率が⾼まる • 送信に失敗した場合は⼀定時間を待って再送する Wi-Fi Access Point 送信中

10. 広帯域回線 ≠ ⾼速回線 • 広帯域回線はキャパシティは⼤きいが「速い」のはシリアル化遅延のみ • 伝搬速度は物理法則(光速)を超えられない広帯域回線狭帯域回線通称⾼速回線低速回線例 100G Ethernet ISDN 64K プロセス遅延トラフィック量と処理により変動キューイング遅延出⼒側回線帯域使⽤状況により変動シリアル化遅延短い⻑い伝搬遅延物理媒体ごとに⼀定

11. エンドツーエンドで⾒るネットワーク遅延

12. RTT (Round Trip Time) • RTT とは宛先にリクエストを送って応答を受け取るまでのエンドツーエンドの往復所要時間 • 往復ではなく⽚道のみの所要時間を計測するのは難しいリクエスト応答 (Ack) RTT = ① 往路のネットワーク遅延 + ② 宛先ノードの処理時間 + ③ 復路のネットワーク遅延 + ④ 発信元ノードの処理時間 ① ② ③ ④

13. エンドツーエンドの経路 • 利⽤している通信端末とサービス提供者の間には様々なネットワーク事業者が介在する • RTT はこの経路全体の遅延を合計した値携帯キャリアA ISP B クラウド事業者 C D社サーバ MVNO 事業者 E ISP F MVNO事業者(格安SIM)利⽤時の経路携帯キャリア利⽤時の経路 • ⽬的のサーバにどのネットワーク事業者を経由するのか⼀つの事業者ではすべてコントロールできない • 事業者間の相互接続点がエンドツーエンドで最適な場所にあるとは限らない à 札幌同⼠の通信でも異なる事業者間では東京を経由したりする公衆WiFi 事業者 G

14. TCPフロー制御 • TCP は送信パケット(セグメント)に対する応答 (Ack) を常に要求する • 仮に1セグメントずつ応答を要求すると、最低でも「セグメント数 x RTT」の時間を要し⾮効率となる • TCP では⼀度に送受信可能なデータ量 (TCPウィンドウサイズ) をネゴシエーションしまとめて送信することで、ネットワーク遅延の影響を⼤きく軽減している • TCPウィンドウサイズは動的に変更されるデータ応答 (Ack) データデータ TCPウィンドウサイズ

15. アプリケーションの性質 • アプリケーションの通信パターンによって体感速度や体感遅延は⼤きく異なる – バースト型 • Webブラウジング • ネットラジオ • チャット – リアルタイム型 • ⾳声通話アプリ • オンラインシューティングゲーム – ストリーミング型 • ビデオストリーミング

16. ネットワーク遅延の増⼤要因

17. TCPアプリケーションでの遅延 • TCP の場合、ネットワーク遅延の影響はフロー制御で少なからず軽減される • むしろ通信経路上のパケット消失による再送の⽅がTCPセッション全体の処理時間に⼤きな影響を及ぼす • パケット消失の原因としては – 輻輳や処理性能超過による破棄 – 伝送経路の信頼性低下によるエラー – ルーティングの変化による⼀時的なループ – その他

18. 使⽤率の増加、輻輳 (Congestion) • 回線帯域使⽤率が100% (ラインレート) に近づくにつれ出⼒キューの⻑さが急激に伸びる à キューイング遅延増⼤ • キューの⻑さ (バッファ) は有限 • キューイングできないパケットは破棄される (輻輳の発⽣) 出⼒キューキューイングパケット破棄 (輻輳の発⽣) 帯域使⽤率ほぼ100%

19. 使⽤率の増加、輻輳 (Congestion) • M/M/1待ち⾏列モデル • Tw = ! "#! ×Ts Tw: 平均待ち時間 Ts: 平均サービス時間 ρ: 利⽤率利⽤率が100%に近づくにつれ待ち時間が急激に伸びる利⽤率平均待ち時間 • 回線帯域使⽤率の他、サーバの処理性能にも同様のことが⾔える • 遅延や輻輳の観点からは、リソースを処理性能の限界まで使い倒さないこと!

20. 特定トラフィックの優先制御 • 優先制御 (プライオリティキューイング) 低遅延を保証する QoS 機能の⼀つ • あなたのインターネットトラフィックは通常ここには含まれない (他事業者 (OTT) が提供するインターネット⾳声通話含む) • 優先される通信 – ネットワーク維持に必要な制御パケット – ルーティングプロトコル – ネットワーク事業者⾃⾝が提供する⾳声、ビデオ – ネットワーク事業者⾃⾝が提供するサービス – など

21. QoS: ポリシングとシェイピング Shaping Traffic Time Traffic Rate Traffic Time Traffic Rate PolicingTraffic Time Traffic Rate Traffic Time Traffic Rate 指定帯域超えのアクション遅延ジッタ⽤途ポリシング破棄低遅延⼩⾳声、ビデオなどシェイピングキューイング増⼤⼤ TCPアプリケーション

22. 伝送経路の迂回 • ISPや回線業者はメンテナンスや障害対応などで伝送経路を迂回させることがある • 迂回経路は同⼀設備や中継点を通らないことが望ましい • ところが… 東京⼤阪 • 迂回経路は通常経路よりも概して遅延が⼤きい • 国内で数⼗ミリ秒増加するケースもある • ISP関係者から聞いたお客様からのクレーム「いつもより遅延が5ms⼤きいんだけど、どうなってんの?」その低遅延要求、本当に必要ですか?? 東海廻り北陸廻り

23. まとめ A. どんな回線も光の速さは超えられない