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04.05.2017

Benötigen wir eine dynamische Paket-Priorisierung?

Soll Ihre Web-Anwendungen um 30 Prozent im Netz beschleunigt werden? In diesem fall müssen Sie sich mit der dynamischen Paket-Priorisierung auseinandersetzen.

Mathias Hein

Bei der Vernetzung spricht man von einem Paketstrom, welcher anhand der  Folge folgenden Merkmale definiert werden kann: Alle Pakete im Datenstrom verfügen über die folgenden gemeinsamen Merkmale: die gleiche Quell-IP-Adresse, den gleichen Quell-Port, die gleiche Ziel-IP-Adresse, den gleichen Ziel-Port und die gleiche Protokollnummer (TCP, UDP, usw.). Im IP-Header ist zusätzlich noch die Protokoll-ID enthalten, welche zur Identifikation der Reihenfolge genutzt wird.

Im Netz gibt es Datenströme mit einem kleinen Übertragungsvolumen, welche in der Regel nur kurzzeitig auftreten. Das Gegenteil sind die großen, langlebigen Datenströme. Einschlägige Forschungen zu diesem Thema deuten darauf hin, dass mehr als 90 Prozent aller in einem Netzwerk eines Rechenzentrums übermittelten Datenströme aus extrem kurzen Bursts besteht. Die Bursts machen weniger als 10 Prozent der gesamten im Netzwerk übertragen Daten aus. Kurze Daten-Bursts sind typischerweise weniger als 10 KByte groß und können daher mit wenigen Pakete übermittelt werden. Die großen Datenströme verhalten sich genau gegenteilig, machen jedoch nur 10 Prozent der gesamten datenströme aus. Die großen Datenströme übertragen 90 Prozent aller im Netz übermittelten Daten.

Könnten wir die kurzen Daten-Bursts automatisch identifizieren und diesen Strömen einen Vorrang über die extrem langen Datenströme geben, dann könnten viele Prozesse optimiert werden, da die kleinen Daten-Bursts schneller übermittelt würden. Durch die Optimierung der Weiterleitungsfunktionen im Netzwerk für die kleinen Datenströme kann die Leistung vieler Anwendungen verbessert werden.

Identifizieren der Datenströme

Wie definiert man einen kurzen Daten-Burst? Ein genauer Schwellwert ist schwierig festzulegen. Cisco klassifiziert kleine Datenströme als einen Burst der mit weniger als 15 Paketen übermittelt werden können. Dabei können über 20 KByte bei 1500 Byte-Paketen oder 125 KByte bei Jumbo-Frames übermittelt werden. Die Netzkomponenten müssen die betreffenden  Datenströme durchgehend verfolgen können, um die notwendige Priorisierung durchführen zu können.

Wie identifizieren die Netzwerk-Komponenten die kurzen Daten-Bursts? Ein beliebiger Datenfluss wird übermittelt. Die Übermittlung wurde gerade erst begonnen und es wurden erst weniger als die Identifikationsrate für Daten-Bursts (beispielsweise 15 Pakete) übermittelt. Ein langer Datenstrom ist größer als ein Daten-Burst. Trotzdem wird dem langen Datenfluss für die ersten 14 Pakete die gleiche Behandlung zu teil wie die Daten-Bursts. Erst beim 15. Paket wird der lange Datenfluss eindeutig identifiziert und kann aus der Priorisierung herausgenommen werden.

Wie funktioniert dieser Mechanismus für die unterschiedlichen Datenströme (bei Audio und Video)? Diese Anwendungen sind nicht als Daten-Bursts klassifiziert, obwohl diese Priorisiert werden müssen.

Einhaltung von Richtlinien

Mit der dynamischen Paket-Priorisierung lassen sich die von den Netzadministratoren eingerichteten Richtlinien besser umgesetzt. Es ist jedoch dabei zu beachten, dass die heute genutzten Tools für die Paket-Priorisierung nicht die Dauer eines Datenflusses beachten. Die gängigen QoS-Werkzeuge klassifizieren das Paket und markieren es mit Hilfe der QoS-Bits. Diese QoS-Markierung (Sprache, Video, Signalisierung, Transaktionsdaten, Netzmanagement, Basisdienst und Dienst mit niedriger Priorität) legt fest, wie das Paket auf dem Transportweg behandelt werden soll. Bei der dynamischen Paket-Priorisierung muss das Netzwerk in der Lage sein, automatisch kurze Flüsse zu identifizierten und diesen die notwendige Priorität innerhalb ihrer jeweiligen Verkehrsklasse zukommen zu lassen.

Bei genauerer Analyse der dynamischen Paket-Priorisierung stellt man jedoch fest, dass sich der Mechanismus zum Behandlung von Datentransaktionen, aber nicht für Streaming-Protokolle eignet. Die dynamische Paket-Priorisierung entspricht viel mehr einem Express-Checkout in einem Supermarkt als den klassischen Priorisierungsmechanismen (DSCP oder CoS) der Netzwerktechnik. Da durch diesen Mechanismus nur kleine Datenströme priorisiert werden, optimiert das Verfahren den Transaktionsdurchsatz.

Eine interessante Beobachtung lautet, dass auch die langen Datenströme Elefanten zumindest für die ersten 14 Pakete schneller bzw. priorisierter übermittelt werden. Nach den ersten 14 Paketen erkennt der Mechanismus, dass es sich nicht um einen kurzen Datenstrom handelt und löst die Priorisierung für die Dauer des langen Datenflusses auf.

Die reinen Sprach-, Video- und viele Collaborationsströme übersteigen schnell die Paketzählschwelle für die kurzen Datenflüsse. Dies stellt jedoch kein Problem dar, da diese Echtzeitströme immer auf Basis der normalen QoS-Definitionen weitervermittelt werden.

Aber wie verhält sich die dynamische Paket-Priorisierung bei Anwendungen, die viele Transaktionen über eine einzige TCP-Verbindung multiplexen? Diese Anwendungen vermeiden die Verzögerung des TCP-Dreiwege-Handshakes und nutzen auch nicht den Window-Mechanismus. Diese betreffenden Datenströme werden bis sie die Schwelle von 15 Paketen wie kurze Datenströme behandelt und danach werden diese entsprechend der Definitionen für lange Datenströme übertragen.

Fazit

Mit der dynamischen Paket-Priorisierung verfügen wir über neuen Übertragungsmechanismus. Dieser Mechanismus erfordert keine komplexen Konfigurationen und "funktioniert nur" in Geräten, die diesen Mechanismus bereitstellen. Die ersten Implementierungen werden wohl im Bereich der Rechenzentren zu finden sein, wo man viele kleine Paketströme antrifft. Die dynamische Paket-Priorisierung scheint auch ein idealer Mechanismus für SD-WAN-Geräte zu sein. Mit der dynamischen Paket-Priorisierung steht uns zukünftig ein effektiver Mechanismus zur Verfügung, um Anwendungen deutlich zu beschleunigen. +