Zusammenfassung

Echtzeitanwendungen wie AR/VR, Telepräsenz und interaktive KI-Dienste erhöhen die Anforderungen an Heimnetze deutlich. Neben Bandbreite wird dabei vor allem geringe Latenz entscheidend, denn schon kleine Verzögerungen oder Paketverluste können die Nutzererfahrung beeinträchtigen. Während klassische Verfahren zur Qualitätssicherung zunehmend an Grenzen stoßen, ermöglicht L4S eine kooperierende Qualitätssteuerung zwischen Anwendungen und Netzwerk. So lassen sich Latenzen und Paketverluste gezielt reduzieren. Der Beitrag zeigt, welches Potenzial L4S für künftige Echtzeitanwendungen im Heimnetz hat, insbesondere bei einer Implementierung im Heimnetzrouter, und veranschaulicht dies anhand eines praktischen Beispiels.

Wachsende Anforderungen an Latenz und Übertragungsqualität

Recherchiert man im Internet nach der Zufriedenheit der Kunden mit ihrem Telekommunikationsanbieter, so findet man überwiegend gute bis sehr gute Einschätzungen, die in der Regel auf dem Erlebnis der Nutzer mit ihren Anwendungen beruhen. Das liegt auch daran, dass die meisten alltäglichen Anwendungen vergleichsweise geringe Anforderungen an die Übertragungsqualität stellen.

Websurfen, Streaming, soziale Medien oder Cloud-Dienste funktionieren selbst dann noch zufriedenstellend oder werden als akzeptabel wahrgenommen, wenn seltene oder geringfügige Störungen die technische Qualität der Übertragung beeinträchtigen. Ausnahmen davon bilden die Anforderungen spezieller Nutzergruppen wie Online- und Cloud Gamer, die bereits heute dauerhaft niedrige Latenzen, minimalen Jitter und nahezu verlustfreie Übertragungen erwarten.

Aber auch andere Anwendungen werden zukünftig solch hohe Qualitätsanforderungen haben. Beispiele dafür sind AR/VR-Anwendungen, interaktive KI-Dienste oder Remote-Steuerungen, die im Zuge der zunehmenden Digitalisierung künftig auch im Heimnetz alltäglich werden könnten.

Dabei zeigt sich, dass die Beherrschung dieser Qualitätsansprüche mit derzeit üblichen Methoden nicht mehr gesichert werden kann.

Kooperatives Verkehrsmanagement

Bereits heute versuchen sowohl Anwendungen als auch Netze, die vorhandenen Ressourcen möglichst effizient auszunutzen, allerdings weitgehend unabhängig voneinander. Auf Anwendungsebene kommen beispielsweise adaptive Codecs, dynamische Bitratensteuerung oder vorausschauende Puffermechanismen zum Einsatz, um schwankende Übertragungsbedingungen zu kompensieren. Auf Netzebene wiederum sorgen Verfahren wie Active Queue Management (AQM) dafür, Überlastsituationen frühzeitig zu erkennen, Paketverluste zu reduzieren und gleichzeitig einen hohen Linkdurchsatz zu erhalten. Beide Ansätze verbessern die wahrgenommene Qualität deutlich, stoßen jedoch an Grenzen, sobald harte Anforderungen an dauerhaft niedrige Latenz und sehr geringe Verlustwahrscheinlichkeiten erfüllt werden müssen. Anwendungen reagieren meist erst dann, wenn die Übertragungsqualität bereits sichtbar schlechter geworden ist, während Netzmechanismen nicht ausreichend sensibel und reaktiv auf die Lastsituation reagieren. Erst das koordinierte Zusammenspiel beider Ebenen ermöglicht ausreichend schnelle Reaktionen auf Laständerungen, um kritische Grenzwerte für Latenz und Paketverlust tatsächlich mit hoher Verlässlichkeit einzuhalten.

L4S als Option

Ein Lösungsansatz für diese Anforderungen ist die Architektur von Low Latency, Low Loss and Scalable Throughput (L4S). Ziel von L4S ist es, auch bei hoher Netzauslastung dauerhaft minimale Warteschlangen und damit niedrige Latenzen zu ermöglichen. Der zentrale Gedanke besteht darin, Überlastsituationen nicht erst durch Paketverluste zu signalisieren, sondern bereits sehr früh über Explicit Congestion Notification (ECN). Dazu werden speziell ausgelegte Active-Queue-Management-Verfahren eingesetzt, die bereits bei sehr kleinen Warteschlangen mit einer kontinuierlichen und fein abgestuften Congestion-Signalisierung arbeiten. Die Häufigkeit dieser Signalisierung informiert Transport- und Anwendungsprotokolle darüber, wie stark sie ihre Datenrate anpassen sollten (Skalierbarkeit). Dadurch können sie wesentlich schneller – innerhalb einer Roundtripzeit (RTT) – und präziser auf entstehende Überlast reagieren, noch bevor längere Queues oder Verluste entstehen. Ergänzt wird dies durch das Dual-Queue-Konzept, bei dem L4S-fähiger Verkehr getrennt von klassischem Internetverkehr behandelt wird, um niedrige Latenzen sicher zu stellen, ohne die Kompatibilität zum bestehenden Internet zu verlieren. Die grundlegende Architektur und Motivation von L4S werden in RFC 9330 beschrieben, die Anforderungen an skalierbare Congestion-Control-Verfahren in RFC 9331 und das Dual-Queue-Coupled-AQM-Verfahren in RFC 9332. Zusammen bilden diese Mechanismen einen Ansatz, bei dem Anwendung und Netz deutlich enger zusammenarbeiten als im klassischen Best-Effort-Internet und dadurch die Voraussetzungen für dauerhaft geringe Latenz- und Verlustwerte geschaffen werden.

Wird sich L4S durchsetzen?

L4S befindet sich mittlerweile nicht mehr ausschließlich im Forschungsumfeld, sondern wird bereits in ersten realen Netzen und Plattformen eingesetzt beziehungsweise vorbereitet. Im Kabelnetzbereich treiben insbesondere CableLabs, Vodafone und andere führende Betreiber die Integration von L4S in DOCSIS-Netzen voran, um auch unter hoher Auslastung minimale Latenzen zu garantieren. Im Mobilfunk setzen Netzbetreiber wie T-Mobile gemeinsam mit Partnern wie NVIDIA auf L4S-Mechanismen für latenzkritische 5G-Anwendungen.
Parallel dazu wurde im Linux-Kernel eine wesentliche technische Grundlage geschaffen: Neben modernen Queue-Management-Mechanismen sind dort bereits erste L4S-relevante Komponenten verfügbar, insbesondere eine Implementierung des Dual-Queue-Konzepts auf Basis von DualPI2.[1]
Im WLAN-Umfeld hat die Wireless Broadband Alliance (WBA) zudem erste „Implementation Guidelines for L4S in Wi-Fi Networks“ veröffentlicht, um die Übertragung der L4S-Konzepte auf moderne Wi-Fi-Netze zu standardisieren und interoperabel zu gestalten.
Auch das Broadband Forum (BBF) beginnt inzwischen, L4S in zukünftige Architektur- und Betriebsmodelle für Breitbandzugangsnetze aufzunehmen, derzeit noch im Working-Draft WT-519.

Einführung/Migration

Die Einführung neuer Verfahren in bestehende Internet- und Zugangsnetze stellt grundsätzlich eine erhebliche Herausforderung dar, da sie zum einen mit erheblichen Investitionen verbunden ist, und zum anderen die Interoperabilität mit der bestehenden Internetwelt gewährleistet sein muss. Eine wesentliche Stärke von L4S ist die Möglichkeit einer schrittweisen Einführung bei gleichzeitig hoher Kompatibilität zum bestehenden Internet. Besonders relevant ist dabei, dass die eigentlichen Engpasssituationen typischerweise nur an wenigen, klar identifizierbaren Stellen auftreten — insbesondere an den Netzrändern und Übergängen mit begrenzter Bandbreite, etwa in Heimroutern, Mobilfunkzellen oder Zugangsaggregationen. Für die Wirksamkeit von L4S ist es daher ausreichend die Dual-Queue-AQM primär an den erwartbaren Congestion-Punkten im Edge-Bereich zu platzieren. Dadurch reduziert sich der Einführungsaufwand erheblich und eröffnet die Möglichkeit einer evolutionären Migration hin zu latenzoptimierten Netzen.

Wirksamkeit im Heimnetz

Um die Wirksamkeit von L4S auf die Latenz für das Heimnetz zu untersuchen, haben wir in unserem Labor ein Setup aufgebaut, das eine typische Heimnetzsituation nachstellt. Typischerweise ist eine CPE per xDSL oder Glasfaser mit dem Internet verbunden. In unserem Fall ist die CPE ein RPi5[2] der als Router und WLAN Accesspoint konfiguriert wurde. Den Internetzugang leistet ein typischer DSL-Router, zusammen mit dem Broadband Network Gateway (BNG) des Internet Service Providers. Auf der WAN-Schnittstelle des RPi5 wurde für den eingehenden Verkehr ein virtuelles Interface mit DualPI2 eingerichtet. Entscheidend ist dabei, die verfügbare Bandbreite auf einen Wert leicht unterhalb der tatsächlichen Anschlussbandbreite des Internetanschlusses zu begrenzen. Dadurch werden die Puffermechanismen des BNG umgangen und durch die DualPI2-Mechanismen am Softinterface ersetzt. Auch für den upstream Verkehr wurde an der WAN-Schnittstelle ein DualPI2 Queueuing eingerichtet.

Als L4S fähige Anwendung benutzten wir Nvidia GeForce Cloud Gaming. Die von GeForce Now gemessenen Latenzwerte haben wir sekundenweise erfasst. In verschiedenen Szenarien haben wir unterschiedliche Lastsituation des Heimnetzes nachgestellt und in A / B Tests jeweils mit und ohne aktiviertem DualPI2 gemessen.

Die Wirkung von L4S und DualPI2 zeigt sich besonders deutlich anhand der gemessenen Ping-Zeiten. Dafür sind üblicherweise drei Darstellungsformen geeignet.

  • Der direkte Vergleich der Zeitreihen verdeutlicht unmittelbar das unterschiedliche Verhalten der Ping-Zeit. Ist DualPI2 deaktiviert, schwankt die Latenz bei diesen Messungen beständig zwischen 10 ms und 40 ms. Bei aktiviertem DualPI2 bleibt der PING nahezu fixiert auf 9ms.
  • Der direkte Vergleich in der aggregierten Form einer kumulierten Verteilungsfunktion zeigt, dass bei aktiviertem DualPI2 99% der Ping-Zeiten kleiner als 10ms sind. Dieser Wert ist hier ohne DualPI2 nahezu viermal so hoch.
  • Eine Gegenüberstellung im Boxplot belegt noch einmal besonders anschaulich, wie eine Aktivierung von DualPI2 die ehedem breite Verteilung der Ping-Zeiten drastisch reduziert.

 

Abbildung 1: Latenzmessungen mit/ohne L4S und DualPI2

Neben der Latenz gibt es mit der jeweiligen Bildauflösung einen weiteren Effekt, der das Spielerlebnis unmittelbar beeinflusst. Verschlechtern sich die Übertragungsbedingungen, reduzieren die Spieleserver gegebenenfalls die Bildauflösung, um so die erforderliche Bandbreite zu verringern und die Spielbarkeit aufrechtzuhalten.

Aus der unteren Abbildung lässt sich unmittelbar erkennen, dass mit L4S / DualPI2 die Auflösung während der gezeigten Spieldauer nahezu konstant im UHD+ Bereich verbleibt, während ohne wirksames L4S die Auflösung auf einen Bereich von SD (Standard Definition) sinkt, was bei einem hochauflösenden Monitor zu einem unscharfen, verwaschenen Bild führt.

 

Abbildung 2: Auflösung der Bildschirmdarstellung

Fazit

Zusammenfassend lässt sich festhalten, dass L4S ein enormes Potenzial bietet: Es ermöglicht die Bereitstellung anspruchsvoller Echtzeitanwendungen im Heimnetz bei einem für Provider überschaubaren Implementierungsaufwand. Eine flächendeckende Einführung wird jedoch stark vom wirtschaftlichen Nutzen und der Marktakzeptanz abhängen. Der entscheidende Hebel liegt nun vor allem bei den Entwicklern der häufig cloudbasierten Anwendungen: Wie bewerten diese L4S und wie tief integrieren sie die Technologie in ihre Software? Es bleibt spannend, die weitere Akzeptanz und Entwicklung von L4S zu verfolgen.

Möchten Sie wissen, wie L4S Ihre Netzstrategie beeinflussen kann oder welche Auswirkungen die Technologie auf Ihre spezifischen Anwendungen hat? Nehmen Sie Kontakt zu uns auf! Wir beraten Sie gerne bei der Planung und Implementierung zukunftssicherer Netzwerkarchitekturen.

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[1] DualPI2 ist ein Active-Queue-Management-Verfahren für L4S, das zwei gekoppelte Warteschlangen nutzt: eine sehr latenzarme L4S-Warteschlange und eine klassische Warteschlange für herkömmlichen Verkehr. Durch die Kopplung beider Warteschlangen sorgt DualPI2 dafür, dass L4S-Verkehr sehr niedrige Verzögerungen erreicht, ohne klassischen TCP-Verkehr unangemessen zu benachteiligen.

[1] RPi5 mit aktualisiertem Linux Kernel 6.18y und iproute2 Version 7