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4. Aktive Warteschlangenverwaltung (Active Queue Management)

Dieses Kapitel bietet einen Überblick über Active Queue Management (AQM), das eine wichtige Rolle bei der Verwendung von ECN spielt.

4.1. Überblick über AQM​

Active Queue Management (AQM) bezieht sich auf intelligente Paketverwerfungsstrategien (oder Markierungsstrategien mit ECN) in Router-Warteschlangen, die darauf abzielen, beginnende Überlastung zu erkennen und zu signalisieren, bevor Warteschlangen vollständig gefüllt sind.

4.1.1. Probleme mit traditionellem Tail-Drop​

Traditionelle Tail-Drop-Warteschlangen (die Pakete nur verwerfen, wenn die Warteschlange voll ist) haben mehrere Nachteile:

  1. Lock-Out: Mehrere gleichzeitige TCP-Verbindungen können synchronisiert werden
  2. Full Queues: Warteschlangen bleiben die meiste Zeit voll, was zu hoher Latenz führt
  3. Unfairness: Aggressive Flüsse können einen unfairen Anteil der Bandbreite erhalten
  4. Keine frühzeitige Warnung: Sender erhalten keine Warnung vor schwerer Überlastung

4.2. Random Early Detection (RED)​

Random Early Detection (RED) ist ein weit verbreiteter AQM-Mechanismus. RED funktioniert wie folgt:

4.2.1. RED-Prinzipien​

  1. Durchschnittliche Warteschlangenlänge: RED berechnet eine gewichtete durchschnittliche Warteschlangenlänge
  2. Probabilistisches Verwerfen: Wenn der Durchschnitt bestimmte Schwellenwerte überschreitet, werden Pakete zufällig mit zunehmender Wahrscheinlichkeit verworfen
  3. Sanfte Degradation: Die Verwerfungswahrscheinlichkeit steigt sanft mit der Warteschlangenlänge

4.2.2. RED-Parameter​

RED verwendet mehrere konfigurierbare Parameter:

  • min_th: Minimaler Schwellenwert - unterhalb dessen keine Pakete verworfen werden
  • max_th: Maximaler Schwellenwert - oberhalb dessen alle Pakete verworfen werden
  • max_p: Maximale Markierungs-/Verwerfungswahrscheinlichkeit bei max_th
  • wq: Warteschlangen-Gewichtungsfaktor für Durchschnittsberechnung

4.3. ECN mit AQM​

Wenn ECN aktiviert ist, kann ein AQM-Mechanismus wie RED:

  1. Für ECN-fähige Pakete (ECT(0) oder ECT(1)): Das CE-Codepoint setzen, anstatt das Paket zu verwerfen
  2. Für nicht-ECN-fähige Pakete (Not-ECT): Das Paket verwerfen wie zuvor

4.3.1. Vorteile der Kombination von ECN und AQM​

Die Kombination von ECN mit AQM bietet mehrere Vorteile:

  • Reduzierter Paketverlust: ECN-fähige Pakete werden markiert statt verworfen
  • Niedrigere Latenz: Weniger Neuübertragungen führen zu geringerer Gesamtlatenz
  • Bessere Durchsatzleistung: Insbesondere für kurze TCP-Verbindungen
  • Verbesserte Anwendungsleistung: Besonders für latenzempfindliche Anwendungen

4.4. AQM-Algorithmen und ECN​

Verschiedene AQM-Algorithmen können mit ECN verwendet werden:

4.4.1. RED (Random Early Detection)​

  • Am weitesten verbreiteter AQM-Algorithmus
  • Gut dokumentiert und verstanden
  • ECN-Unterstützung in RED ist als RED-with-ECN oder RED/ECN bekannt

4.4.2. Andere AQM-Algorithmen​

Andere AQM-Algorithmen, die ECN unterstützen können, umfassen:

  • BLUE: Verwendet Paketverlust- und Link-Auslastungsereignisse
  • REM: Random Exponential Marking
  • PI-Controller: Proportional-Integral-Controller
  • CoDel: Controlled Delay
  • PIE: Proportional Integral Controller Enhanced

4.5. AQM-Konfiguration für ECN​

Bei der Konfiguration von AQM für die Verwendung mit ECN:

  1. Router SOLLTEN AQM-Mechanismen bereitstellen, die ECN unterstützen
  2. Die AQM-Parameter SOLLTEN sorgfältig abgestimmt werden, um geeignetes Markierungsverhalten zu gewährleisten
  3. Router SOLLTEN ECN-fähige und nicht-ECN-fähige Pakete mit der gleichen Wahrscheinlichkeit markieren/verwerfen
  4. Die Konfiguration SOLLTE die Netzwerkeigenschaften und Verkehrsmuster berücksichtigen

4.6. Persistente vs. vorübergehende Überlastung​

AQM-Mechanismen unterscheiden zwischen:

4.6.1. Persistente Überlastung (Persistent Congestion)​

  • Überlastung, die über einen längeren Zeitraum anhält
  • Erfordert Überlastungskontrollreaktion von Endpunkten
  • Wird durch durchschnittliche Warteschlangenlänge erkannt

4.6.2. Vorübergehende Überlastung (Transient Congestion)​

  • Kurzzeitige Verkehrsspitzen
  • Kann von Warteschlangenpuffern absorbiert werden
  • Erfordert nicht unbedingt Überlastungskontrollreaktion

ECN und AQM sind darauf ausgelegt, hauptsächlich auf persistente Überlastung zu reagieren, nicht auf vorübergehende Spitzen.

4.7. Fairness-Überlegungen​

AQM-Mechanismen mit ECN SOLLTEN:

  1. Fairness zwischen Flüssen aufrechterhalten
  2. Keine Bevorzugung für ECN-fähige gegenüber nicht-ECN-fähigen Flüssen zeigen
  3. Langzeitfairness über verschiedene Verkehrsbedingungen hinweg gewährleisten

4.8. Empfehlungen für Router​

Router, die ECN implementieren, SOLLTEN:

  1. Einen AQM-Mechanismus implementieren (RED empfohlen)
  2. ECN-Unterstützung in ihrem AQM-Mechanismus bereitstellen
  3. Konfigurationsoptionen für ECN-bezogene Parameter bereitstellen
  4. Standardmäßig ECN aktivieren oder einfache Aktivierung ermöglichen
  5. Geeignete Dokumentation über ECN-Konfiguration bereitstellen

4.9. Interaktion mit Puffergrößen​

Die Effektivität von AQM und ECN hängt von den Router-Puffergrößen ab:

  • Zu kleine Puffer: Können vorübergehende Spitzen nicht absorbieren
  • Zu große Puffer: Führen zu übermäßiger Latenz (Bufferbloat)
  • Richtig dimensionierte Puffer: Ermöglichen effektive AQM und geringe Latenz

4.10. Überwachung und Diagnose​

Router SOLLTEN Mechanismen zur Überwachung der AQM/ECN-Leistung bereitstellen:

  • Anzahl der markierten Pakete
  • Anzahl der verworfenen Pakete
  • Durchschnittliche Warteschlangenlänge
  • Momentane Warteschlangenlänge
  • Verhältnis von ECN-fähigen zu nicht-ECN-fähigen Paketen
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