Optimización del rendimiento de las aplicaciones de WAN y LAN con TCP Express

Para las empresas que proporcionan aplicaciones de Internet y extranet, las ineficiencias de TCP/IP, junto con los efectos de la latencia de la WAN y la pérdida de paquetes, se combinan para afectar negativamente al rendimiento de las aplicaciones. ¿Cuál es el resultado? El aumento de los tiempos de respuesta de las aplicaciones y la reducción significativa de la eficacia de la utilización del ancho de banda (capacidad para «llenar la tubería de distribución»).

F5 BIG-IP Local Traffic Manager proporciona una pila TCP/IP de última generación que ofrece mejoras espectaculares en el rendimiento de las aplicaciones de WAN y LAN para su red del mundo real, y no aprovechamientos de prueba de proyección de paquetes que no son un modelo preciso de las condiciones reales del cliente y de Internet.

La pila TCP/IP altamente optimizada, llamada TCP Express, combina varias técnicas TCP/IP de vanguardia y mejoras en los últimos RFC. Son varias las mejoras y extensiones desarrolladas por F5 que minimizan el efecto de la congestión y la pérdida y recuperación de paquetes. Las herramientas de pruebas independientes y las experiencias de los clientes demuestran que TCP Express ofrece hasta 2 veces más rendimiento para los usuarios y un aumento de 4 veces en la eficiencia del ancho de banda sin tener que cambiar los servidores, las aplicaciones ni los escritorios de cliente.

TCP Express de F5 es una pila TCP/IP basada en estándares y de última generación que aprovecha las optimizaciones soportadas de forma nativa en varios sistemas operativos de cliente y servidor, así como las optimizaciones que no son específicas del sistema operativo. La pila TCP/IP de F5 incluye cientos de mejoras que incrementan la eficiencia tanto de la WAN como de la LAN, entre ellas:

• Para redes LAN de alta velocidad: la pila TCP de F5 amplía rápidamente el tamaño de los búferes y detecta la baja latencia para gestionar la congestión.
• Para las WAN de baja velocidad: la pila TCP de F5 detecta la velocidad del cliente y estima el ancho de banda para limitar la pérdida y la recuperación de paquetes en caso de paquetes perdidos.

En el corazón de BIG-IP Local Traffic Manager se encuentra la arquitectura TMOS, que proporciona la pila TCP/IP optimizada de F5 a todas las plataformas BIG-IP y a los módulos adicionales de software. Estas optimizaciones únicas, que se amplían a los clientes y servidores tanto en las comunicaciones LAN como WAN, sitúan a la solución de F5 por delante de los sistemas «paquete a paquete», que no pueden proporcionar una funcionalidad comparable, ni pueden acercarse a estos niveles de optimización, recuperación de pérdida de paquetes o intermediación entre clientes y servidores subóptimos.

La combinación de la arquitectura de proxy completo TMOS de F5 y TCP Express mejora drásticamente el rendimiento de todas las aplicaciones basadas en TCP. Utilizando estas tecnologías, se ha demostrado que BIG-IP:

• Mejora las tasas de transferencia para todos los tipos de clientes que se conectan.
  • Aumenta el rendimiento en un 79 % de media para los usuarios de banda ancha.
  • Aumenta el rendimiento en un 35 % de media para los clientes de acceso telefónico.
• Mejora la fiabilidad de la conexión para los clientes de acceso telefónico.
  • Reduce en un 56 % de media los errores de TCP/IP (sobre todo en los tiempos de espera de TCP).
• Aumenta la eficiencia del ancho de banda en los proveedores de servicios de Internet existentes.
  • Aumento del 224 % de los datos por cable (3,2 veces más de mejora).
  • Reduce el paquete en un 50 % por cable (2 veces más de mejora).
  • Elimina en un 63 % los paquetes de TCP «vacíos» (2,7 veces más de mejora).

En las siguientes secciones se describe la arquitectura de habilitación de TMOS, así como un subconjunto de los RFC TCP estándar y las optimizaciones que TCP Express utiliza para optimizar los flujos del tráfico. Dado que no existe una única solución, en este documento también se describe cómo personalizar los perfiles TCP y gestionar las comunicaciones con los sistemas heredados.

La mayoría de las organizaciones no actualizan los sistemas operativos de los servidores con frecuencia, y algunas aplicaciones siguen funcionando en sistemas muy antiguos. Esta infraestructura heredada puede originar retrasos significativos para las aplicaciones cuando se entregan a través de la WAN. BIG-IP Local Traffic Manager con TCP Express puede proteger y optimizar de forma transparente las pilas TCP más antiguas o que no estén en cumplimiento, y que puedan estar ejecutándose en los servidores de un centro de datos corporativo. Esto se consigue manteniendo la compatibilidad con esos dispositivos, al mismo tiempo que se aprovechan de forma independiente las optimizaciones de la pila TCP/IP de F5 en el lado del cliente de una conexión, proporcionando un comportamiento de TCP totalmente independiente y optimizado para cada dispositivo conectado y condición de red.

Como proxy completo que une varias pilas TCP/IP, TMOS es un elemento clave para muchas de las optimizaciones de WAN incluidas en el conjunto de funciones TCP Express exclusivo de F5. Las conexiones de cliente y servidor se aíslan, controlan y optimizan de forma independiente para proporcionar el mejor rendimiento para cada dispositivo que se conecta.

BIG-IP Local Traffic Manager elimina la necesidad de que los clientes y los servidores negocien el mínimo común denominador de las comunicaciones. Intermedia en nombre del cliente (lo que se conoce como Stack Brokering) y utiliza TCP Express para optimizar la entrega del lado del cliente mientras mantiene las conexiones optimizadas para el servidor en el interior de la red, como se muestra en la siguiente figura.

A menudo, las organizaciones no tienen (o no necesitan) los recursos para eliminar o sustituir los servidores y las aplicaciones heredados. Para dar cabida a estos sistemas, BIG-IP Local Traffic Manager ofrece mediación para traducir entre dispositivos no optimizados o incluso incompatibles, incluyendo:

• Mantenimiento de los MSS para clientes y servidores independientes para asegurar que ambos transmiten datos a una velocidad óptima. Los clientes y los servidores se comunican el MSS para determinar la cantidad máxima de datos que pueden ponerse en un segmento de comunicación TCP. Las dos partes negocian el MSS en un intento por crear la comunicación más compatible, pero esto con frecuencia hace que o el servidor o el cliente no funcionen a una capacidad óptima pues les obliga a negociar el valor común de MSS más bajo.
• Mantenimiento de las optimizaciones como Acuses de recibo selectivos de TCP (SACK) o Marcas de tiempo TCP (Timestamps) (entre otras) para los clientes cuando se conectan a servidores no compatibles.
• Optimización dinámica y automática del tamaño de las ventanas TCP y de la información de congestión TCP para cada dispositivo conectado (cada cliente y cada servidor).
• Mantenimiento de la interoperabilidad de pilas como Windows con sistemas Solaris antiguos que no interoperan con un TCP FIN-PUSHs. Este es solo un ejemplo de los diversos problemas de interoperabilidad de las pilas que a menudo representan un obstáculo para las empresas ofrecen sus servicios a una amplia población de usuarios.

Además de mejorar las comunicaciones WAN, BIG-IP Local Traffic Manager traslada estas capacidades a toda la infraestructura actuando como puente o dispositivo de traducción entre todos los clientes y los servidores back-end. El resultado final es que el BIG-IP Local Traffic Manager mejora el rendimiento a la vez que enmascara las ineficiencias de la red. Esto reduce el coste y la complejidad al eliminar la necesidad de actualizar y ajustar cada cliente y cada servidor.

Algunas de las mejoras más importantes de TCP/IP de F5 son:

• Aceleración de clientes y eliminación de errores
• Mejoras en la utilización de los enlaces
• Controles TCP personalizables

Estas mejoras se han realizado en los RFC estándar del sector. En las siguientes secciones se destacan algunas de los RFC clave de TCP Express.

• Acuses de recibo retardados y Algoritmo de Nagle (RFC 896, 1122) Permite a BIG-IP Local Traffic Manager acelerar la entrega de datos reduciendo el número de paquetes que se deben transmitir. Los Acuses de recibo retardados proporcionan un mecanismo estándar para decidir cuándo es necesario enviar paquetes de acuse de recibo para ayudar a reducir los paquetes de acuse de recibo redundantes. Además, el Algoritmo de Nagle proporciona un procedimiento estándar para unificar muchos paquetes pequeños en menos paquetes grandes.
• Acuses de recibo selectivos (RFC 2018, RFC 2883) Permite a BIG-IP Local Traffic Manager tratar de forma más eficaz y rápida los paquetes perdidos y reordenados en WAN y redes con pérdidas. Está habilitado por defecto en Windows XP y posteriores para las comunicaciones por Internet, así como en todas las demás pilas TCP modernas. Las extensiones permiten especificar el uso de una opción de Acuses de recibo selectivos (SACK) o reconocer paquetes duplicados.
• Notificación Explícita de Congestión (ECN) (RFC 3168, 2481) Permite a BIG-IP Local Traffic Manager señalar proactivamente a los pares que los enrutadores intermedios se están sobrecargando para que puedan retroceder y evitar la pérdida de paquetes. Las señales reservadas en el encabezado TCP (ECE y CWR) pueden utilizarse para comunicar la congestión al par.
• Retransmisiones limitadas y rápidas (RFC 3042, RFC2582) Permite la retransmisión eficiente de datos perdidos, lo que puede eliminar los efectos de los tiempos de espera por pérdida de paquetes.
• Ventanas de congestión inicial adaptativa (RFC 3390) Mitiga el coste de la eliminación de la congestión de inicio lento de TCP. Los estudios sobre ventanas de congestión inicial más amplias han demostrado una ganancia del 30 % para las transferencias HTTP mediante enlaces por satélite y una mejora del 10 % para los usuarios de acceso telefónico a 28,8 bps, sin que se produzca un aumento de la tasa de desconexión. Con conexiones TCP que comparten una ruta (transferencias de 16 KB a 100 hosts de Internet), un aumento del segmento de la ventana dio como resultado una mejora de aproximadamente el 25 % para las transferencias que utilizan la ventana inicial de cuatro segmentos (MSS de 512 bytes) en comparación con una ventana inicial de un segmento.

• Marcas de tiempo (RFC 1323) BIG-IP Local Traffic Manager permite el uso selectivo de marcas de tiempo que añaden datos al segmento TCP para permitir otras optimizaciones. Mientras que el beneficio de las marcas de tiempo es grande en una red moderna, algunos enrutadores heredados y dispositivos de NAT ponen a cero o no actualizan las marcas de tiempo, con lo que no se obtiene ese beneficio. Por lo tanto, estas y otras capacidades se pueden ajustar por perfil.
• Disminución de los peligros de asesinato de tiempo de espera de TCP (RFC 1337) Existen unos pocos errores de comunicación posibles que pueden evitarse optimizando el comportamiento del tiempo de espera (TIME-WAIT), especialmente evitando la acción cuando se reciben segmentos de reinicio mientras se está en el estado TIME-WAIT.
• Defensa contra los ataques de número de secuencia (RFC1948) TCP Express bloquea la mayoría de los ataques de adivinación de números de secuencia mediante la generación segura de ISN.
• Mejora de la gestión de la congestión TCP (RFC 3168) TCP Express implementa todos los métodos más recientes de evitación y recuperación de la congestión de TCP disponibles actualmente en Internet para aumentar el ancho de banda utilizable y acelerar la recuperación en caso de congestión.
• Mejora del inicio lento de TCP para TCP con ventanas de congestión grandes (RFC 3742) Utiliza un comportamiento de inicio lento más conservador para evitar grandes cantidades de pérdidas cuando en las conexiones se utilizan ventanas TCP muy grandes.
• Conteo apropiado de bytes (RFC 3465) Utiliza el número de bytes no reconocidos utilizado previamente por cada ACK para proporcionar un escalado de ventanas más inteligente y aumentar el rendimiento de TCP.
• Mejora del algoritmo de recuperación rápida de TCP (NewReno) (RFC 3782) La modificación NewReno para el algoritmo de recuperación rápida de TCP especifica una ligera modificación, por la que un emisor TCP puede utilizar acuses de recibo parciales para realizar inferencias que determinen el siguiente segmento a enviar en situaciones en las que SACK sería útil, pero no está disponible.

Dado que TCP Express implementa literalmente cientos de mejoras de interoperabilidad TCP en el mundo real, y corrige o proporciona una solución para las pilas de productos disponibles comercialmente (Windows 7 y posterior, IBM AIX, Sun Solaris, y demás), ninguna técnica de optimización por sí sola representa la mayoría de las mejoras de rendimiento. Estas optimizaciones dependen del tipo de cliente/servidor específico y de las características del tráfico. Por ejemplo:

• Con la banda ancha, en la que existe mucho más ancho de banda, la mayoría de TCP son naturalmente menos eficientes a la hora de utilizar toda la capacidad del enlace, por lo que BIG-IP ofrece optimizaciones adicionales.
• Con un cliente en acceso telefónico, las principales ventajas de TCP Express es que BIG-IP puede reducir el número total de paquetes transmitidos para una determinada transacción, así como proporcionar retransmisiones más rápidas.

BIG-IP sigue reduciendo los viajes de ida y vuelta de los paquetes y acelera las retransmisiones como si se tratara de un acceso telefónico, pero con conexiones más rápidas. BIG-IP Local Traffic Manager y TCP Express también optimizan el control de la congestión y el escalado de ventanas para mejorar los picos de ancho de banda. Aunque las mejoras para los usuarios de acceso telefónico pueden ser las más notables, las mejoras para los usuarios de banda ancha son las más obvias desde el punto de vista estadístico, debido a lo mucho que algunas mejoras incrementan el rendimiento máximo en los enlaces más rápidos.

Como regla general, cuantos más datos se intercambian, más optimizaciones de ancho de banda se aplican. Cuanto menos datos se intercambian, más optimizaciones de tiempo de retardo de ida y vuelta (RTT) se aplican. Por lo tanto, los perfiles de tráfico que no intercambian muchos datos, como la conexión telefónica, verán más optimizaciones que la banda ancha. Para los perfiles de tráfico que sí intercambian muchos datos, la banda ancha vería la mayor optimización. En ambos casos, se pueden obtener ganancias significativas utilizando TCP Express.

Mientras que TCP Express es automático y no requiere modificaciones, BIG-IP Local Traffic Manager ofrece a los usuarios un control avanzado de la pila TCP para ajustar las comunicaciones TCP según las necesidades empresariales específicas. Esto incluye la capacidad de seleccionar optimizaciones y ajustes a nivel de servidor virtual por aplicación que se presentando en el dispositivo. Los administradores pueden utilizar un perfil TCP para ajustar cada una de las siguientes variables TCP:

• time wait recycle
• delayed acks
• proxy mss
• proxy options
• deferred accept
• selective acks
• ecn
• limited transmit
• rfc1323
• slow start
• bandwidth delay
• nagle
• proxy buffer

Los administradores también pueden utilizar estos controles para ajustar la comunicación TCP a las condiciones de red especializadas o a los requisitos de las aplicaciones. Los clientes de los sectores de la telefonía móvil y los proveedores de servicios consideran que esta flexibilidad les permite mejorar el rendimiento, la fiabilidad y la utilización del ancho de banda adaptando la comunicación a los dispositivos conocidos (como los teléfonos móviles) y a las condiciones de la red.

TCP Express proporciona una configuración de pila flexible para optimizar los servicios personalizados; por ejemplo, puede ajustar esta configuración para optimizar una aplicación ASP entregada a usuarios móviles. En la siguiente tabla se describe la configuración de la pila modificable de BIG-IP Local Traffic Manager.

Si el tráfico en una LAN es altamente interactivo, F5 recomienda un conjunto diferente de configuraciones TCP para obtener el máximo rendimiento. F5 ha comprobado que el Algoritmo de Nagle funciona muy bien para la reducción de paquetes y la compresión general/almacenamiento en caché de RAM en una WAN. Además, los ajustes de varios tamaños de búfer pueden tener un impacto positivo en las comunicaciones altamente interactivas en las LAN de baja latencia, con el único coste posible de una mayor utilización de la memoria en BIG-IP Local Traffic Manager.

En la siguiente tabla se describen los ajustes modificables del perfil TCP.

TCP Express se complementa con otras funciones y productos de aceleración de F5 cuyo objetivo es reducir aún más los tiempos de descarga de los usuarios y optimizar los recursos de la infraestructura.

Otras funciones de aceleración integradas en BIG-IP Local Traffic Manager son:

• HTTP Compression, que utiliza capacidades de compresión GZIP altamente configurables para reducir el tamaño de los bytes que se transfieren en una línea.
• Fast Cache, que libera la carga de los servidores y ahorra la CPU del servidor al almacenar en caché las aplicaciones prioritarias y ampliar el control para alojar varias aplicaciones en un sistema compartido. El almacenamiento en caché de datos comprimidos permite una entrega de contenidos aún más rápida y mejora la escalabilidad de BIG-IP.
• OneConnect, que aumenta la capacidad de los servidores hasta en un 60 % al liberar la carga de las conexiones TCP de los servidores.
• Content Spooling, que reduce la sobrecarga de TCP en los servidores para aumentar su capacidad hasta en un 15 % disminuyendo la cantidad de segmentación TCP que debe realizarse en los servidores.

Para las organizaciones que buscan mejorar la capacidad y el rendimiento de su infraestructura, BIG-IP Local Traffic Manager proporciona una solución única que hace que cada cliente y servidor que se conecta trabaje de forma más eficiente. El exclusivo TCP Express de F5 proporciona mejoras inigualables en el rendimiento de la red y las aplicaciones del mundo real, y ofrece a las organizaciones un nivel de control sin precedentes en la optimización de las comunicaciones TCP para las aplicaciones de misión crítica.