TechTrend Talk Series vol.11

L4Sで低遅延インターネットは実現できるか？

IIJ技術研究所 長 健二朗
2024-05-28

背景：低遅延サービス•

スループットより低遅延（ジッタ）- いまや遅延の差が品質を左右（ゲームだけでない）•

低遅延の実現に特別なプロトコルはいらない？

- 既存のアプローチはエンドで頑張る方向•

問題の本質はTCP/IPの輻輳フィードバック（の欠如）- バッファリング遅延を200msから1msに出来る！？
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現状TCPは必要以上の遅延• バッファリング遅延（待ち行列遅延）- 普段5msの遅延でも輻輳時は100ms超に！
- TCPのcwndは帯域幅xRTT• 多くがボトルネックのバッファに溜まる• バッファブロート問題- 負荷時の遅延計測の必要性が認識されてきている[NokiaL4S]

3[Nichols2012]

L4Sとは• TCPの遅延を劇的に減らす技術（TCPに限らない）- ECN改良によるスケーラブルな輻輳制御 (CC)•

技術的には、DCTCPを広域インターネットで利用可能に- レガシーTCPとの安全な共存- インクリメンタルなディプロイメント

4Low Latency, Low Loss, and Scalable
Throughput (L4S)• DCTCP [SIGCOMM2010]のアイデア- スケーラブルな輻輳制御： Scalable TCP[Kelly2003]- ECNを即時信号に変更し送信側で解釈- 2015年からIETFで標準化に向けた活動• 2023年1月にRFC 3本- RFC9330: L4S architecture- RFC9331: ECN protocol for L4S- RFC9332: DualQ coupled AQM for L4S• 実装- TCP Prague in Linux, Apple next MacOS/iOS, Google QUIC, DOCSIS 3.1- Comcastが実証実験
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L4Sの簡単な歴史• いろんな話が関連、情報が散らばっていて分かりにくい- IETFでも複数のWGで標準化が進行：tsvwg, tcpm, iccrg, etc• 90年代からのQoSやIPngのアイデアの発展の歴史- L4Sは誰かの提案というよりコミュニティの知見の集大成• RED (CCR1991), ECN (CCR1994, RFC3168 2001)- di serv (RFC2475, 1998), IPv6 (RFC2460, 1998)• Scalable TCP (2003), high-speed TCP, Fast TCP, etc.
• DCTCP (SIGCOMM2010)- accurate ECN (ID2011-)• IETF: TCP Prague requirements for L4S (2015) ここからすでに9年
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6scalable congestion control•

recovery timeがスループットに拘らず一定
Renoではスループットが10倍になると、リカバリタイムも10倍に
100Mbps x 30msRTT
reno cnwd: 250 pkts
recv time: 125 RTTs

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Scalable TCP[Kelly2003]

[iccrg104-2019]

DCTCP• データセンター利用を前提にTCPとECNを改造 (SIGCOMM2010, RFC8257 2017)- ECN: 輻輳信号を即時信号に変え、その平滑化を送信側で実施- TCP: 輻輳信号割合だけcwndを縮小- 大幅に性能改善

9[tsv84-2012]

L4Sアーキテクチャ• 低遅延: スケーラブル輻輳制御で実現- ボトルネックのキューにパケットを貯めない (<1ms)• レガシートラフィックとはキューを分離して共存- ECNビットで区別[iccrg104-2019]10

L4Sを利用可能にするには•受信側：accECNフィードバック•
ボトルネックルータ：L4Sサポート•

送信側：accECNを使ったスケーラブル輻輳制御- L4Sのトラフィック分離、L4SにはaccECNマーキング•

インクリメンタルなディプロイメントが可能
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More Accurate ECN feedback• Accurate ECN: 3ビットのカウンタ値をフィードバック- 既存のTCPフラグの3ビットを読み替える- コネクション確立時にaccECNを使うかをネゴ• ECN++: ECN for control packets (e.g. SYN)
• （ちなみにQUICはECNカウンタ値を返す仕様となっている）

3 bits in TCP header ag eld

2 bit ECN eld in IP header
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Dual Queue Coupled AQM• L4Sを実現する最小限の機能を定義- RFC9332付録に具体的なアルゴリズム：DualQ coupled PI2• カプリング: Reno/L4Sの定常状態のcwndサイズが同等になるようにマーキ
ング確率を調整

13[Schepper2022]

標準化ステータス• RFC9330 (2023-01 Informational): Low Latency, Low Loss, and Scalable Throughput (L4S) Internet Service: Architecture- B. Briscoe (editor, Independent), K.D. Schepper (Nokia Bell Labs), M. Bagnulo (Universidad Carlos III de Madrid), G. White(CableLabs)• RFC9331 (2023-01 Experimental): The Explicit Congestion Noti cation (ECN) Protocol for Low Latency, Low Loss, and Scalable
Throughput (L4S)- K.D. Schepper (Nokia Bell Labs), B. Briscoe (editor, Independent)• RFC9332 (2023-01 Experimental): Dual-Queue Coupled Active Queue Management (AQM) for Low Latency, Low Loss, andScalable Throughput (L4S)- K.D. Schepper (Nokia Bell Labs), B. Briscoe (editor, Independent), G. White (CableLabs)• Internet Drafts:- More Accurate ECN Feedback in TCP- ECN++: Adding Explicit Congestion Noti cation (ECN) to TCP Control Packets- Non-Queue-Building Per-Hop Behavior (NQB PHB) for Di erentiated Services- Operational Guidance on Coexistence with Classic ECN during L4S Deployment- ISP Dual Queue Networking Deployment Recommendations

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実装状況• Linux Prague TCP/QUIC: L4S development hub- https://github.com/L4STeam• Apple- WWDC2023: Reduce network delays with L4S- developer: testing̲and̲debugging̲l4s̲in̲your̲app• L4S on iOS,iPadOS,MacOS can be turned on in Developer settings• appleʼs QUIC supports L4S, TCP supports only receiver-side• Google- BBRv2 TCP/QUIC supports L4S• Comcast: Low Latency DOCSIS eld tests since 2023, reported at [tsvwg118-2023][nanog90-2024]• Nokia and Vodafone: rst trial of L4S technology over an end-to-end PON (April 2024)
fifi15まとめ• L4S
- スケーラブルな輻輳制御、同時に、遅延を劇的に減らす技術！
- ECNを即時信号へ改良して再定義- レガシーTCPとの安全な共存• 技術は20年以上議論されてきた（L4Sだけでもほぼ10年）- インターネットに必要な技術、かつ、よく考えられている• もちろん今後改善が必要な部分は出てくる• 輻輳がなくなるわけではない：伝搬速度とフィードバック制御の限界- 標準化、研究、実装、実証実験、ベンダーとISPのサポート（課題は認知度？）- 輻輳フィードバックを普及させる最後のチャンス？

• 懐疑派- うまくいかなかった技術の蒸し返しでは？
- ECN試したけど期待外れ- linuxパッチの完成度
16展望：L4Sは普及するか？
• 低遅延のメリットの認知度向上- 1Gbps回線より1msジッタのサービスの価値• スケーラブルなトランスポート: 1Gbps超えると必要• L4Sはメリットしかない、導入のハードルも比較的低い- アクセス収容ルータでのサポートが課題- とはいえECNもなかなか普及しなかったが、L4Sは違いをアピールしやすい？
- メリットを視覚化する分かり易いツールが欲しい• ケーブルインターネット：DOCSISとComcastが先導（WiFiとの連携も）- L4Sの成否を占う試金石• モバイル：5Gの低遅延を活かすには有線区間も• ファイバ：他と比較してメリットが見えにくい- 日本ではFLETʼS網が対応しないと、、、
17References• [NokiaL4S] https://www.bell-labs.com/research-innovation/projects-and-initiatives/l4s/• [Nichols2012] https://doi.org/10.1145/2208917.2209336• [Kelly2023] https://doi.org/10.1145/956981.956989• [iccrg104-2019] https://datatracker.ietf.org/meeting/104/materials/slides-104-iccrg-implementing-the-praguerequirements-in-tcp-for-l4s-01• [Schepper2022] https://arxiv.org/pdf/2209.01078• [tsv84-2012] https://datatracker.ietf.org/meeting/84/materials/slides-84-tsvarea-3• [tsvwg118-2023] https://datatracker.ietf.org/meeting/118/materials/slides-118-tsvwg-sessa-61-l4s-experience-00• [nanog90-2024] https://storage.googleapis.com/site-media-prod/meetings/
NANOG90/4976/20240213̲Livingood̲Dual̲Queue̲Networking̲̲v1.pdf

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