Le vrai regroupement des canaux Internet — OpenMPTCPRouter

Est-il possible de combiner plusieurs canaux Internet en un seul ? Il y a beaucoup d'idées fausses et de mythes autour de ce sujet, même les ingénieurs réseau expérimentés ne savent souvent pas que c'est possible. Dans la plupart des cas, la combinaison de canaux est à tort confondue avec l'équilibrage au niveau NAT ou le failover. Mais le véritable agrégat permet d'établir une seule connexion TCP simultanément sur tous les canaux Internet, par exemple une diffusion vidéo, de sorte qu'en cas de coupure de l'un des canaux Internet, la diffusion ne soit pas interrompue.

Il existe des solutions commerciales coûteuses pour les diffusions vidéo, mais ces appareils coûtent plusieurs milliers de dollars. Cet article décrit la configuration du paquet gratuit et open-source OpenMPTCPRouter, et aborde les mythes populaires sur l'agrégation de canaux.

Mythes sur l'agrégation de canaux

Il y a beaucoup de routeurs domestiques qui prennent en charge la fonction Multi-WAN. Parfois, les fabricants appellent cela l'agrégation de canaux, ce qui n'est pas tout à fait exact. De nombreux techniciens croient qu'en dehors de LACP et de l'agrégation au niveau L2, il n'existe pas d'autre type d'agrégation de canaux. J'ai souvent entendu dire par des personnes travaillant dans les télécommunications que c'est en fait impossible. Essayons donc de démêler les mythes populaires.

Équilibrage au niveau des connexions IP

C'est le moyen le plus accessible et populaire d'utiliser plusieurs canaux Internet en même temps. Pour simplifier, imaginons que vous avez trois fournisseurs d'accès Internet, chacun vous attribuant une adresse IP réelle de son réseau. Tous ces fournisseurs sont connectés à un routeur prenant en charge la fonction Multi-WAN. Cela peut être OpenWRT avec le paquet mwan3, mikrotik, ubiquiti ou tout autre routeur domestique, car maintenant cette option n'est plus rare.

Pour modéliser la situation, imaginons que les fournisseurs nous ont attribué les adresses suivantes :

WAN1 — 11.11.11.11
WAN2 — 22.22.22.22
WAN3 — 33.33.33.33

C'est-à-dire, en se connectant à un serveur distant example.com À travers chaque fournisseur, le serveur distant verra trois adresses IP source indépendantes du client. L'équilibrage permet de répartir la charge sur les canaux et de les utiliser simultanément. Pour simplifier, imaginons que nous répartissons la charge entre tous les canaux de manière égale. En fin de compte, lorsque le client ouvre un site contenant par exemple trois images, il charge chaque image via un fournisseur distinct. Du côté du site, cela apparaît comme des connexions provenant de trois adresses IP différentes.

Avec l'équilibrage au niveau des connexions, chaque connexion TCP passe par un fournisseur distinct.

Ce mode d'équilibrage est souvent problématique pour les utilisateurs. Par exemple, de nombreux sites lient strictement les cookies et les jetons à l'adresse IP du client, et si celle-ci change soudainement, la requête est rejetée ou le client est déconnecté du site. Cela se reproduit souvent dans les systèmes de banques en ligne et sur d'autres sites avec des règles strictes concernant les sessions utilisateur. Voici un simple exemple : les fichiers musicaux sur VK.com ne sont disponibles que par un jeton de session valide, qui est lié à l'IP, et les clients utilisant cet équilibrage rencontrent souvent des problèmes de lecture audio, car la requête est passée par un autre fournisseur que celui auquel la session est liée.

Lors du téléchargement de torrents, l'équilibrage au niveau des connexions cumule la bande passante de tous les canaux.

Cet équilibrage permet d'additionner la vitesse de la connexion Internet en utilisant plusieurs connexions. Par exemple, si chaque fournisseur a une vitesse de 100 Mbit, lors du téléchargement de torrents, nous obtiendrons 300 Mbit. Car un torrent ouvre de nombreuses connexions, qui sont réparties entre tous les fournisseurs et exploitent ainsi toute la bande.

Il est important de comprendre qu'une seule connexion TCP passera toujours par un seul fournisseur. Ainsi, si nous téléchargeons un gros fichier via HTTP, cette connexion sera réalisée par l'un des fournisseurs, et si la connexion avec ce fournisseur est interrompue, le téléchargement échouera également.

Une seule connexion utilise toujours un seul canal Internet.

Cela est également vrai pour les diffusions vidéo. Si vous diffusez un flux vidéo sur une plateforme comme Twitch, l'équilibrage au niveau des connexions IP ne sera d'aucune utilité, car le flux vidéo sera transmis par une seule connexion IP. Dans ce cas, si l'un des fournisseurs WAN rencontre des problèmes de connexion, comme des pertes de paquets ou une diminution de la vitesse, vous ne pourrez pas instantanément basculer vers un autre fournisseur. La diffusion devra être arrêtée et reconnectée à nouveau.

Agrégation de canaux

L'agrégation réelle de canaux permet d'envoyer une seule connexion vers Twitch à travers tous les fournisseurs, de sorte que si l'un des fournisseurs tombe en panne, la connexion ne sera pas interrompue. C'est une tâche étonnamment complexe qui n'a pas encore de solution optimale. Beaucoup de personnes ne savent même pas que c'est possible !

D'après les illustrations précédentes, nous savons qu'un serveur Twitch ne peut accepter notre flux vidéo que d'une seule adresse IP source, ce qui signifie qu'elle doit toujours rester constante, peu importe quels fournisseurs sont en panne ou fonctionnent. Pour cela, nous aurons besoin d'un serveur d'agrégation qui terminera toutes nos connexions et les combinera en une seule.

Le serveur d'agrégation combine tous les canaux en un seul tunnel. Toutes les connexions se font via l'adresse du serveur d'agrégation.

Dans ce schéma, tous les fournisseurs sont utilisés, et la coupure de l'un d'eux ne provoquera pas d'interruption de la connexion au serveur Twitch. En essence, c'est un tunnel VPN spécial, dont les fondements reposent sur plusieurs canaux Internet à la fois. L'objectif principal de ce schéma est d'obtenir un canal de communication de la meilleure qualité possible. Si l'un des fournisseurs rencontre des problèmes, des pertes de paquets ou des augmentations de latence, cela ne doit pas affecter la qualité de la communication, car la charge sera automatiquement redistribuée sur d'autres canaux de meilleure qualité disponibles.

Solutions commerciales

Ce problème préoccupe depuis longtemps ceux qui réalisent des diffusions en direct d'événements et n'ont pas accès à une connexion Internet de qualité. Pour de telles tâches, il existe plusieurs solutions commerciales, par exemple, l'entreprise Teradek fabrique des routeurs monstrueux qui peuvent accueillir des lots de modems USB :

Routeur pour la diffusion vidéo avec fonction de sommation des canaux

Ces dispositifs intègrent généralement la possibilité de capturer des signaux vidéo via HDMI ou SDI. Un abonnement au service de sommation des canaux, ainsi qu'à la gestion des flux vidéo, leur réencodage et leur retransmission, est vendu avec le routeur. Le prix de ces appareils commence à partir de 2 000 $ avec un ensemble de modems, plus un abonnement séparé au service.

Parfois, cela peut sembler suffisamment intimidant :

Configurer OpenMPTCPRouter

Protocole MP-TCP (MultiPath TCP) a été conçu pour permettre de se connecter simultanément par plusieurs canaux. Par exemple, il est pris en charge par iOS et peut se connecter simultanément à un serveur distant via WiFi et un réseau mobile. Il est important de comprendre qu'il ne s'agit pas de deux connexions TCP distinctes, mais bien d'une seule connexion établie sur deux canaux. Pour que cela fonctionne, le serveur distant doit également prendre en charge MPTCP.

OpenMPTCPRouter est un projet de routeur logiciel open source permettant de véritablement sommer des canaux. Les auteurs affirment que le projet est en version alpha, mais qu'il est déjà utilisable. Il se compose de deux parties : un serveur de sommation qui est hébergé sur Internet, et un routeur auquel se connectent plusieurs fournisseurs d'accès à Internet et les appareils clients eux-mêmes : ordinateurs, téléphones. Un Raspberry Pi, certains routeurs WiFi ou un ordinateur ordinaire peuvent servir de routeur utilisateur. Des versions prêtes à l'emploi sont disponibles pour différentes plateformes, ce qui est très pratique.

Principe de fonctionnement d'OpenMPTCPRouter

Configuration du serveur de sommation

Le serveur de sommation est hébergé sur Internet et termine les connexions de tous les canaux du routeur client en une seule. L'adresse IP de ce serveur sera l'adresse externe lors de la connexion à Internet via OpenMPTCPRouter.

Pour cette tâche, nous allons utiliser un serveur VPS sous Debian 10.

Exigences pour le serveur de sommation :

• MPTCP ne fonctionne pas sur la virtualisation OpenVZ
• Il doit être possible d'installer un noyau Linux personnalisé

Le serveur est déployé en exécutant une seule commande. Un script installera un noyau prenant en charge mptcp ainsi que tous les paquets nécessaires. Des scripts d'installation sont disponibles pour Ubuntu et Debian.

wget -O - http://www.openmptcprouter.com/server/debian10-x86_64.sh | sh

Résultat de l'installation réussie du serveur.

Nous enregistrons les mots de passe, nécessaires pour configurer le routeur client, et nous redémarrons. Il est important de noter qu'après l'installation, SSH sera disponible sur le port 65222. Après le redémarrage, il faut s'assurer que nous avons démarré avec le nouveau noyau.

uname -a 
Linux test-server.local 4.19.67-mptcp

Nous voyons à côté du numéro de version l'inscription mptcp, ce qui indique que le noyau a été installé correctement.

Configuration du routeur client

Sur site du projet des versions prêtes à l'emploi sont disponibles pour certaines plateformes, par exemple Raspberry Pi, Banana Pi, routeurs Lynksys et machines virtuelles.
Cette partie d'openmptcprouter est basée sur OpenWRT, utilisant LuCI comme interface, familière à quiconque a déjà travaillé avec OpenWRT. La distribution pèse environ 50 Mo !

Pour la plateforme de test, j'utiliserai Raspberry Pi et quelques modems USB avec différents opérateurs : MTS et MegaFon. Je suppose qu'il n'est pas nécessaire d'expliquer comment écrire l'image sur une carte SD.

Initialement, le port Ethernet de Raspberry Pi est configuré comme lan avec une adresse IP statique. 192.168.100.1. Pour éviter l'encombrement des câbles sur la table, j'ai connecté Raspberry Pi à un point d'accès WiFi et j'ai attribué une adresse statique à l'adaptateur WiFi de l'ordinateur. 192.168.100.2. Le serveur DHCP par défaut n'est pas activé, il faut donc utiliser des adresses statiques.

Vous pouvez maintenant accéder à l'interface web. 192.168.100.1

Lors de la première connexion, le système vous demandera de définir le mot de passe root, avec lequel SSH sera également accessible.

Dans les paramètres LAN, vous pouvez définir le sous-réseau souhaité et activer le serveur DHCP.

J'utilise des modems qui sont reconnus comme des interfaces USB Ethernet avec un serveur DHCP séparé, ce qui a nécessité l'installation de paquets supplémentaires.. La procédure est identique à celle de la configuration des modems dans un OpenWRT standard, je ne l'examinerai donc pas ici.

Ensuite, il faut configurer les interfaces WAN. Par défaut, deux interfaces virtuelles WAN1 et WAN2 sont créées dans le système. Il faut leur attribuer un appareil physique, dans mon cas, ce sont les noms des interfaces des modems USB.

Pour ne pas me perdre dans les noms des interfaces, je recommande de consulter les messages dmesg après s'être connecté par SSH.

Étant donné que mes modems agissent comme des routeurs et possèdent leur propre serveur DHCP, j'ai dû modifier les paramètres de leurs plages réseau internes et désactiver le serveur DHCP, car à l'origine, les deux modems attribuaient des adresses d'un même réseau, ce qui provoquait un conflit.

OpenMPTCPRouter nécessite que les adresses des interfaces WAN soient statiques, il faut donc attribuer des sous-réseaux aux modems et configurer dans le menu system → openmptcprouter → interface settings. Il est également nécessaire de spécifier l'adresse IP et la clé du serveur obtenue lors de l'étape d'installation du serveur de sommaire.

En cas de configuration réussie, la page d'état devrait afficher une image similaire. On peut voir que le routeur a réussi à se connecter au serveur de sommaire et que les deux canaux fonctionnent normalement.

Par défaut, le mode utilisé est shadowsocks + mptcp. C'est un proxy qui encapsule toutes les connexions. Il est initialement configuré pour traiter uniquement le TCP, mais il est possible d'activer également l'UDP.

Si la page d'état ne présente pas d'erreurs, on peut considérer que la configuration est terminée.
Avec certains fournisseurs, il peut y avoir une situation où le drapeau mptcp est coupé en cours de route, ce qui entraînerait une telle erreur :

Dans ce cas, il est possible d'utiliser un autre mode de fonctionnement, sans MPTCP ; pour plus de détails ici.

Conclusion

Le projet OpenMPTCPRouter est très intéressant et important, car c'est peut-être la seule solution ouverte et complète au problème de la somme des canaux. Tout le reste est soit complètement fermé et propriétaire, soit juste des modules distincts, difficiles à comprendre pour un utilisateur ordinaire. À ce stade de développement, le projet est encore assez brut, avec une documentation très limitée, de nombreuses choses ne sont tout simplement pas décrites. Mais il fonctionne néanmoins. J'espère qu'il continuera à évoluer et que nous obtiendrons des routeurs domestiques capables de combiner les canaux de manière satisfaisante dès leur sortie de la boîte.

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Source : habr.com