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MRU : Monobit Reliable UDP ~5G世代のモバイルゲームに最適な通信プロトコルを目指して~
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MRU : Monobit Reliable UDP ~5G世代のモバイルゲームに最適な通信プロトコルを目指して~
1.
■ Monobit Reliable
Udp β版(MRU) 詳細 MRU : Monobit Reliable UDP 〜5G世代のモバイルゲームに最適な通信プロトコルを目指して〜 • モノビットエンジン 取締役CTO • 中嶋謙互 • Twitter @ringo • https://github.com/kengonakajima
2.
■ Internet Protocol
Stack https://www.w3.org/People/Frystyk/thesis/TcpIp.html ハードウェア 1個1個のパケットを マシンまで届ける マシンの中のプロセスや ソケットにデータを届ける それぞれのアプリケーション
3.
■ IPv4, IPv6の基本動作 引用元:
atmarkit
4.
■ WeBの発達 • インターネット黎明期:
1994年より前 – サーバーのリモート操作(telnet/ssh)や電子メール、FTPのために、データを正しい順序 で確実に届ける方法が必要だった。 TCPがこのために普及し、標準になった。 • ウェブ普及期: 1994年〜2005年 – TCPの上に実装されたHTTPがウェブの発展を支えた。 • モバイル普及期: 2005年〜 – 特にモバイルにおいて、HTTP(TCP)の遅さやIPアドレス変化が問題になった。 – WebSocketのようなつなぎっぱなしアプリではさらに問題が悪化した。 • TCP限界期: 2012年〜 – TCPを今さら捨てることはできないので、UDPをうまく使って、TCPの問題を解決する ための挑戦が始まった。 Google社がSPDYを提案した。その後QUIC、HTTP3と概念と 仕様の発展が続く。
5.
http://itpro.nikkeibp.co.jp/atcl/column/17/040400119/040400003/ ■ TCP改善の歴史 • 1981年の使用開始から現在に至るまで改善の連続。。!
6.
■ TCPの時代分け • 1980年代
: TCP登場、telnetでマシンを遠隔操作 • 1990年代 : メールやHTTPなどで大ブレイク • 2000年代 : モバイルで長時間のストールを防ぎたい! • 2010年代 : 動画や音声を高速送信したい!
7.
■ ゲームにおける通信の歴史 • シリアル通信時代:
1990年台前半まで – ゲームの通信は、RS-232Cを使ってPCを接続してローカルマルチプレイを行うことが多かった。 • PCマルチプレイ発展期: 1990年台後半 – Windows95以降はソケットライブラリを使えるようになり、IPv4/UDPを用いてマルチプレイを実装するのが普通に なった。パケットの順序制御や再送を行うロジックは、ゲームごとに作っていた。MMOでは、TCPもよく使われるよ うになった。 • ゲーム機でも通信: 2000年〜 – PS2のネットワークアダプタなど、ゲーム機でもIPv4で通信ができるようになった。UDPを使うことが多かった。 UDPとTCPの併用。 – スマホ以前の携帯電話ではUDPが使えないこともあった。 • モバイルゲーム時代: 2010年〜 – スマホが一般化し、IPv4/IPv6上でUDP/TCPを用いて自由にマルチプレイを実装できるようになった。 – UDPの再送や順序制御用のライブラリがオープンソースで利用可能になった。 ゲームは最初からUDPと友達であった
8.
■ TCPとUDPのでどちらををつかえばいいの? • TCPはどんどん良くなり続けてきた •
TCPはとても使いやすくアプリのバグを減らせる 。ゲームでもできればTCPを使いたい。でもTCP はストールするから。。 • ネットワークプログラマは何十年も迷っている
9.
■ TCPがどうしても解決できない問題 • ストリームが1本しかない
: head-of-line blocking • IPアドレスの変化に対応できない
10.
■ TCP: head
of line blocking TCP こんなふうにしたい packet1の影響で、全体が長時間ストールする packet1はストールするがpacket2,3は早く届く packet1の再送 packet1の再送
11.
■ TCP: IPアドレスの変化に対応できない TCPのヘッダ 送り元のIDがヘッダに含まれていないので、 TCPはIPアドレスを使って送り元を識別している。
12.
■ インターネットの性能 • パケットロス率 –
有線LAN : スイッチとケーブルがちゃんとしてたら、ほぼ0だが 、完全に0ではない – 無線LAN : 負荷がないときでも10000個に1個ぐらい消える。負 荷が高いと、100個に1個消えるときもある – モバイルネットワーク : 電波がいいときでも100個に1個消える かも、電波が悪いと1割消えたりする
13.
■ 1990年代からのゲームにおける解決策 • 信頼性を保証しないUDPを使うのでOK。最初からUDP。 –
ただし、どうしても確実性が必要なデータだけ、再送の工夫を 追加して対処する。 – 確実さが必要な例:ショップでの売買。1回しかやらないから 。 – 確実さが不要な例:モブの座標。何度も送り続けるので、1個 消えても、後のやつが届いたらいいから。
14.
■ RUDP (Relible
UDP) • UDPに信頼性を追加した通信プロトコル • ビデオゲームでは、1990年代から、各ゲー ムで独自に実装していた。 • Webでは、2012年ごろから、Googleが主導 して、QUICの標準化が進められている。
15.
■ RUDPの実装 • ENet
(2004~) MRSでも採用している。少人数用 • LiteNetLib(2016~) ピュアC#実装 • netcode.io (2016~) C, Glenn Fiedler氏による • quicly (2017~) C, QUICのドラフト15? • gQUIC : GoogleのQUIC実装、最新版ドラフト+実験用 • iQUIC : IETFのリファレンス実装 • ほかにも用途に合わせて、数え切れないほどある
16.
■ MRU :
Monobit RUDP • C++(ほぼC) • IPアドレス変化への対応 • 正しい順序で送る • 確実に送る (早めの再送) • 順序も確実さも保証しない方法で送ることもできる • 0RTTハンドシェイク • チェックサム • C10K以上のMMO向けにチューニング(少人数ももちろんOK) • スロット飽和攻撃対策 – IP偽装対策 – 大量接続対策 • Linux/Windows/iOS/Android/MacOSに対応、ゲーム機は対応予定 • 実装していない機能 – ストリーム内の多重化チャネル (ゲームでは必要性が薄いため) – 暗号化(MRSのレイヤで実装するため)
17.
■ MRU: IPアドレス変化への対応 •
MRUでは、すべてのパケットに、送り元ID(64bit)と送り先ID(64bit)が付加されているので、IPアドレ スが変わっても、接続のやりなおしが不要で、0RTT(往復時間ゼロ)で通信が継続できる。 • IPv6からIPv4に変わっても問題なし。 (iOSでのNAT64にも対応)
18.
■ MRU: 順序制御と再送制御 •
TCPを単純にしたものでだいたい同じ – 受信側でパケットをキューにためて順番どおり取 り出す(詳細は省略) • QUICにはない「早めの再送」を実装している。 – データをあえて2回(設定次第でN回)づつ冗長に送 って、 再送の必要性自体を無くす
19.
■ MRU: 早めの再送 早めの再送なし 早めの再送あり 1が消えたので再送が必要! 2,3はストールしている 1が消えたが、次のパケットに1が 含まれている。再送の必要なし ※IP/UDPのヘッダが48バイトあるので、 ゲームのデータが小さい場合は、送信量は単純 に2倍にはならない
20.
■ 0RTTハンドシェイク https://jacobianengineering.com/blog/2016/11/1543/ 1RTT (Round Trip
Time, 往復時間) 2~3RTT MRUはこれ
21.
■ MRU: チェックサム •
CRC32を使っている • ON/OFFができる。OFFにすると少し軽い。 • サーバ間通信ではOFFでOK
22.
■ MRU: MMO向けのチューニング •
Linux カーネル3以降で追加された send/recvmmsgシステムコールを使用。 – Linux以外ではsendmsgを使用 • カーネルコールオーバーヘッドを減らしている • クラウドインスタンスでも効果を発揮している。 • 測定値は後述
23.
■ MRU: IPアドレス偽装攻撃への対応 •
IPアドレス偽装とは – 典型的なDDoS攻撃であるスロット飽和攻撃 で使われる。使われていないIPアドレスを送 り元に設定したIPパケットを送って、サーバ ーの接続スロットを飽和させる。
24.
■スロット飽和攻撃 (IP偽装なし)
25.
■スロット飽和攻撃 (IP偽装あり)
26.
• 1秒あたりの接続回数が設定値を越えたときは、攻撃防御モードに入る。 • 攻撃防御モードでは、0RTTハンドシェイクをやめて、3Wayハンドシェ イク(1RTT)を採用する。このとき、サーバのメモリを確保しない。 •
3Wayハンドシェイクでは、サーバーが発行した予測できない鍵(32ビッ ト値)をクライアントに送り、それを返したクライアントだけ、メモリを 確保する。 サーバー クライアント 接続要求 鍵 ここではメモリを確保しない ここでメモリを確保する 鍵 ※TCPの SYN クッキーとだいたい同じ ■MRU: IPアドレス偽装攻撃への対応
27.
• IPアドレスを偽装しなくても、大量に接続をす ることで攻撃ができる。 • 同じIPアドレスからの連続的な接続は設定され た頻度以上ではできない。 ■MRU:
一般的飽和攻撃への対応
28.
低品質ネットワークのシミュレーション機能 – パケットロス率 – パケット重複率 –
パケット遅延 – CRCエラー率 ※TCPの SYN クッキーとだいたい同じ ■MRU:デバッグ機能
29.
■MRU: ベンチマーク • ハードウェア ・
ニフクラ east-1 ・Large8インスタンス x 2 ・Intel Xeon CPU E5-2697A @ 2.6GHz ・4vCPU, 8GB RAM ・10Gbps ネットワーク(観測による) ・Linux カーネル 3.10.0, CentOS 7.6
30.
Linux Socket MRU MRS アプリコード libuvENet マシン 物理層ベンチマーク MRU層ベンチマーク MRS層ベンチマーク ■MRU: システム階層(Linux)
31.
• udpmax (MRUを使わない、UDP高負荷ツール) –
iperf3は性能が不足しているため、自作した sv1 sv2 シングルスレッド sendmmsgテスト size=1 udpmax udpmax 71万pkt/s 40Mbytes/s sv1 sv2 4スレッド sendmmsgテスト size=1 udpmax udpmax 108万pkt/s 78Mbytes/s udpmax udpmax udpmax udpmax udpmax udpmax 4スレッド sendmmsgテスト size=1472 70万pkt/s 1.06Gbytes/s 8Gbps出ている、速い ■物理層ベンチマーク
32.
• udptestプログラム – 同時接続数32768までのテストに使える –
早めの再送 ON/OFF – CRC ON/OFF – エコーON/OFF – 攻撃防御モードの閾値設定 – 送信サイズ、送信頻度設定 ■MRU層ベンチマーク
33.
sv1 sv2 udptest udptest シングルスレッドサーバの限界性能測定を行う。 負荷 udptest udptest ・・・ ■ベンチマーク構成
34.
• データ受信コールバック関数の呼び出し回数を 測定する。 – 送信側でアプリケーションデータを送るとき は、mru_peer_send(data)
を1回呼び出す。 – それに対応して、受信側で受信関数が1回呼ば れる。この1秒あたり回数を数える。 • 送信タイミングが近いと、1個のMRUパケット に複数のアプリケーションデータが詰め込まれ る場合がある。 ■MRU層の測定内容
35.
• 同時接続1, 間隔0.1秒、サイズ24,
早めの再送OFF – ./udptest 10.100.xx.xx —interval=0.1 -- fast_retransmit=0 --conn=1 – 10コールバック/s – 20pkt/s(send+recv) – 平均パケットサイズ 60bytes – サーバCPU : 5% (ほぼ空ループ毎秒1万回、調整可 能) ■MRU層の動作確認
36.
• 同時接続12000, 間隔0.01秒、サイズ24,早めの再 送OFF –
./udptest 10.100.xx.xx --interval=0.01 -- fast_retransmit=0 --conn=4000 x 3プロセス – 108万コールバック/s – 71万8000pkt/s (物理限界) – 84Mbytes/s, 平均パケットサイズ 111bytes – サーバ側CPU : 80% (1スレッド. 4vCPUなので 最大400%) これ以上負荷をかけると、物理層が耐えられないので再送が増えすぎ、 接続が切れてエラー。 ■MRU層最大帯域毎秒
37.
• 同時接続12000, 間隔0.1秒,
早めの再送なし, エコーあ り、 サイズ1000 –./udptest 10.100.xx.xx --interval=0.1 -- fast_retransmit=0 --echo --conn=4000 -- size=1000 x 3 –39000コールバック/s –25万pkt/s –256Mbytes/s, 平均パケットサイズ 1026bytes –サーバ側CPU : 70%(1スレッド) ■MRU層最大域毎秒
38.
• mrs_bench – MRUだけでなくTCP,ENet,WebSocket,と切 り替えて比較が可能 –
暗号化通信 ON/OFF (今回は省略) – 受信コールバック関数の呼び出し回数を測定 する。 ■MRS層ベンチマーク
39.
• MRU, 同時接続1、間隔0.1秒、サイズ24、早めの再送な し –./mrsbenchcl
10.100.xx.xx 1 100 — fast_retransmit=0 –10コールバック/s –20pkt/s(send+recv) –平均パケットサイズ 72bytes (MRSのヘッダ12バイト) –サーバCPU : 6% (ほぼ空ループ毎秒1万回、調整可能) ■MRS層の動作確認
40.
・MRU, 同時接続4800、間隔0.005秒、サイズ24、早めの再送なし echoなし ・./mrsbenchcl
10.100.102.80 1200 5 —fast_retransmit=0 x 4 ・62万コールバック/s ・72万pkt/s(send+recv) 物理限73Mbytes/s ・平均パケットサイズ 100bytes ・サーバCPU : 58% (1スレッド) ■MRS層の最大コールバック毎秒(MRU)
41.
• TCP, 同時接続2000、間隔0.005秒、サイズ24、echoなし ・./mrsbenchcl
10.100.102.80 1000 5 —tcp x 4 ・34万コールバック/s ・69万pkt/s(send+recv) 物理限界 56Mbytes/s ・ 平均パケットサイズ 81bytes ・ サーバCPU : 100% (1スレッド) ■MRS層の最大コールバック毎秒(TCP)
42.
• MRU, 同時接続3000、間隔0.01秒、サイズ512、早めの再送なし
echo なし ・./mrsbenchcl 10.100.102.80 1500 10 —fast_retransmit=0 — size=512 x 2スレッド ・24万コールバック/s ・55.7万pkt/s(send+recv) 303Mbytes/s ・平均パケットサイズ 544bytes ・サーバCPU : 70% (1スレッド) ■MRS層の最大帯域毎秒(MRU)
43.
• TCP, 同時接続1200、間隔0.01秒、サイズ1400、 echoなし ・./mrsbenchcl
10.100.102.80 1200 10 —size=1400 x 2スレッド ・22万コールバック/s ・55.7万pkt/s(send+recv) 340Mbytes/s ・平均パケットサイズ 872bytes ・サーバCPU : 90% (1スレッド) ■MRS層の最大帯域毎秒(TCP)
44.
TCP MRU 最大コールバック回数 34万/s
62万/s 上記時点での サーバCPU 100% 58% 上記時点での UDPパケット数 69万pkt/s 72万pkt/s 最大帯域 340Mbytes/s 303Mbytes/s 上記時点での サーバCPU 90% 70% 上記時点での データサイズ 1400 (MTU合わせ) 512 (MRS現状仕様による) シングルスレッドサーバーの最高性能を示している。 ■スロット飽和攻撃 (IP偽装あり)
45.
• 同時接続1万のとき、UDPはソケット1個で よいが、TCPはソケットが1万個必要。 • 1万のソケットに対して1回のシステムコー ルで書き込みをするAPIがLinuxでは存在し ない。(デバイスドライバを直接叩くライ ブラリを使えば可能) •
Linuxのシステムコールをまとめて呼び出 せるようにする議論が、カーネルメーリン グリストで進行中。早く実現されたら素晴 らしい! (今後に期待) ■TCP性能がなぜ低いのか
46.
• MRS側を長いメッセージに対応させる • パケットヘッダ圧縮
(長いIDをパックする) • さらなる高速化:ゼロコピーに近づける(MRSも) • 暗号化する場合も0RTTにする ■MRUロードマップ
47.
• モノビットエンジン MRS
バージョン 2.0.0から 、MRUは選択可能です。ぜひお試しください! ■スロット飽和攻撃 (IP偽装あり)
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