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Transmission Control Protocol für Rechenzentren (DCTCP)

Letzte Aktualisierung: Mai 2012

Betrifft: Windows Server 2012

In Rechenzentren werden verschiedene Anwendungen gehostet, die im selben Netzwerk viele Workflows vermischen, die eine geringe, planbare Latenz erfordern, während andere Anwendungen einen großen anhaltenden Durchsatz erfordern. In dieser Umgebung bieten die modernen TCP-Überlastungssteuerungsmechanismen (Transmission Control Protocol) von heute nicht ausreichend genaue Überlastungssteuerungseinstellungen. Dies führt zur Warteschlangenbildung in Netzwerkswitches, wodurch Verzögerungen, Schwankungen bei der Latenz und Timeouts verursacht werden.

Um dieses Problem zu reduzieren, führt Windows Server 2012 DCTCP ein. Dieses Protokoll verwendet Explicit Congestion Notification (ausführliche Überlastungsbenachrichtigung, ECN) zum Schätzen des Ausmaßes der Überlastung an der Quelle und zum Reduzieren der Senderate in Höhe des Ausmaßes der Überlastung. Dies ermöglicht eine genauere Steuerung des Netzwerkdatenverkehrs, wodurch DCTCP mit sehr geringer Pufferbelegung verwendet werden kann und dennoch ein hoher Durchsatz erreicht wird.

In der folgenden Abbildung ist die Effektivität von DCTCP beim Erreichen des vollen Durchsatzes dargestellt, während im Vergleich zum herkömmlichen TCP nur sehr wenig Speicherbedarf in einem Ethernet-Switchpaketpuffer benötigt wird. Der Graph stellt die Warteschlangenlänge im Netzwerkswitch beim Verwenden von DCTCP und TCP dar. Zwei separate TCP/IP-Ströme mit 1 Gigabit pro Sekunde (GBit/s) werden zu zwei separaten Switchports geleitet und zu einem einzelnen ausgehenden Port mit 1 GBit/s kombiniert.

DCTCP-Leistung und TCP

Beim herkömmlichen TCP führen langlebige umfangreiche TCP-Flüsse dazu, dass die Länge der Engpasswarteschlange lange wächst, bis Pakete gelöscht werden. Dies verursacht ein Sägezahnmuster des TCP-Datenverkehrs. Wenn lange und kurze Flüsse dieselbe Warteschlange durchlaufen, treten zwei Beeinträchtigungen auf. Erstens kann bei den kurzen Flüssen wie oben beschrieben ein Paketverlust auftreten. Zweitens bildet sich eine Warteschlange, selbst wenn keine Pakete verloren gehen. Bei kurzen Flüssen tritt eine erhöhte Latenz auf, da sie hinter Paketen aus den großen Flüssen in die Warteschlange eingereiht werden.

DCTCP bietet jedoch frühere und genauere Reaktionen auf Überlastung, die die Senderate an den einzelnen Quellen effektiv so anpassen, dass sich weniger Nachrichtenwarteschlangen im Switch bilden und gleichzeitig derselbe aggregierte Durchsatz aufrecht erhalten wird. Je kürzer die Warteschlangenlängen für DCTCP, desto geringer sind die bei TCP auftretenden Latenzen und Schwankungen in der Latenz.

Bei Verwendung mit gewöhnlichen flachgepufferten Switches ermöglicht DCTCP denselben oder einen besseren Durchsatz als TCP und benötigt 90 % weniger Pufferspeicher in der Netzwerkinfrastruktur. Im Gegensatz zu TCP bietet es außerdem eine hohe Bursttoleranz und geringe Latenz für kurze Flüsse. Während Einschränkungen bei TCP zu Fehlübertragungen beim heute gesendeten Datenverkehr führen, ermöglicht es DCTCP Anwendungen, das Zehnfache des aktuellen Hintergrunddatenverkehrs zu verarbeiten, ohne den Vordergrunddatenverkehr zu beeinflussen. Außerdem verursacht eine zehnfache Erhöhung des Vordergrunddatenverkehrs keine Timeouts. Dadurch werden Probleme, die auftreten können, wenn Computer Nachrichten infolge vorheriger Timeouts erneut senden, weitestgehend beseitigt.

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