Bequant – Quattro funzionalità per una QoE ottimale: lo stack di gestione della larghezza di banda di cui un ISP ha realmente bisogno

Panoramica

Abstract. La qualità dell’esperienza (QoE) dell’utente non è determinata da un unico meccanismo. Dipende dalla velocità con cui il traffico può fluire, da come viene ripartito un limite condiviso, dall’individuazione o meno del vero collo di bottiglia e dalle applicazioni che meritano protezione in caso di scarsa capacità. Si tratta di quattro problemi distinti, e BQN li affronta con quattro funzioni: Ottimizzazione TCP (TCPO), Gestione attiva delle code (AQM), Gestione automatica della congestione (ACM) e Ispezione approfondita dei pacchetti (DPI). Ciascuna di queste funzionalità è preziosa di per sé. Implementate insieme, formano un circuito chiuso in cui misurazione, applicazione, rilevamento e intento si rafforzano a vicenda — ed è proprio questa combinazione, non una singola funzionalità, a distinguere una piattaforma di gestione della larghezza di banda all’avanguardia da un semplice traffic shaper.

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Quattro domande diverse

Le quattro funzioni vengono spesso messe a confronto come se fossero alternative. Ma non lo sono: ciascuna di esse affronta un aspetto dell’ottimizzazione che le altre non sono in grado di affrontare.

TCPO determina la velocità massima che una determinata connessione può raggiungere e invia i dati a quella velocità massima ottimale.
AQM stabilisce come ripartire un limite di velocità condiviso tra i flussi in competizione e mantiene brevi le code dedicate informando i mittenti in merito al limite di velocità.
ACM verifica se il limite configurato corrisponda effettivamente al vincolo reale e adegua il punto di funzionamento al vero collo di bottiglia — un settore radio congestionato, un collegamento Wi-Fi debole, un nodo di accesso sovraccarico —, che spesso risulterà inferiore alla velocità massima configurata per ciascun utente.
Il DPI individua a quale applicazione appartiene un flusso, in modo che siano le priorità dell’operatore stesso a determinare quali debbano avere la precedenza e quali debbano cedere il passo.

Una piattaforma che affronti solo alcuni di questi aspetti lascia il resto al caso.

La tabella seguente riassume le quattro funzioni, il loro ruolo e il livello di traffico a cui operano.

Function	Role	Level at which it acts
TCP Optimization (TCPO) How fast can a given connection go?	Raises the effective speed of data transfers. Provides accurate TCP speed, latency, and retransmission signals. Controls TCP flow speeds natively.	At each individual TCP connection — the transport control loop.
Active Queue Management (AQM) How should a shared rate limit be divided among competing flows?	Divides an enforced rate limit among competing flows. Keeps queues short, by informing senders to adapt to the rate limit, to reduce latency, and protects interactive traffic from heavy transfers.	At each flow, enforcing the rate limit per flow, subscriber, or subscriber group.
Automatic Congestion Management (ACM) Where is the operating speed limit right now to provide the best performance?	Detects the real bottleneck from real-time speed, latency, and loss, and adjusts the operating rate.	At each subscriber, wherever the true bottleneck sits. It can also detect groups of subscribers facing a shared rate limit.
Deep Packet Inspection (DPI) Which application does a flow belong to?	Identifies the application so operator intent decides which traffic is prioritized or moderated. Obtains application usage and performance metrics.	Each application or application category for each subscriber.

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Perché tre su quattro non bastano

Il modo più chiaro per comprendere l'interdipendenza è quello di rimuovere una funzione alla volta:

Senza il TCPO, gli abbonati non raggiungono mai la velocità che il loro percorso potrebbe sostenere — i percorsi a lunga latenza, i collegamenti radio e il comportamento “slow-start” lasciano la capacità inutilizzata — e, allo stesso tempo, la piattaforma perde la sua fonte più accurata di metriche sul traffico in tempo reale.
Senza AQM, il raggiungimento di un limite imposto comporta un aumento eccessivo del buffer: un singolo trasferimento di grandi dimensioni fa aumentare il ritardo per ogni flusso interattivo che lo segue.
Senza l'ACM, tutto il controllo è vincolato a un piano di velocità configurato che spesso sovrastima la capacità effettiva del percorso; di conseguenza, la congestione al di sotto dei livelli previsti dal piano non viene rilevata né mitigata.
Senza il DPI, ogni flusso viene trattato come equivalente; di conseguenza, una videoconferenza in tempo reale potrebbe perdere inutilmente larghezza di banda a causa di un aggiornamento software in background, oppure un test di velocità non riceverà la priorità necessaria e, di conseguenza, un flusso concorrente farà sembrare che il piano tariffario configurato non sia stato raggiunto.

Ciascuna di queste lacune rappresenta un’insufficienza in termini di QoE che le restanti tre funzioni non sono in grado di colmare, poiché nessuna di esse è stata progettata per rispondere a tale questione.

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In che modo le quattro caratteristiche si rafforzano a vicenda

L'argomentazione più convincente non è che i quattro colmino lacune distinte, bensì che si alimentino a vicenda.

TCPO ottimizza il protocollo di trasporto dominante e fornisce ad ACM segnali affidabili relativi a velocità, latenza, conferma di ricezione e ritrasmissione.
L'efficacia del rilevamento dell'ACM dipende interamente dalla qualità di tali misurazioni. L'ACM, a sua volta, determina la velocità alla quale l'AQM dovrebbe intervenire, in modo che la gestione della coda agisca in base al collo di bottiglia effettivo anziché a un limite massimo nominale.
L'AQM mantiene i flussi isolati a quel limite, mentre il TCPO consente di rispettare tale limite regolando la progressione del TCP anziché scartare i pacchetti, in modo che la velocità imposta venga raggiunta con minori perdite e un numero inferiore di ritrasmissioni.
Il DPI si colloca al di sopra di tutti e tre, decidendo a quali applicazioni attribuire priorità o quali limitare all’interno dell’ambiente controllato gestito dagli altri tre.

Se si rimuove un elemento, il ciclo subisce un degrado in ogni punto, non solo nella funzione che è stata rimossa.

Le quattro funzioni e il modo in cui si rafforzano a vicenda

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Cosa offre questa combinazione

L’effetto è misurabile nelle reti di produzione. In Cajun Broadband, un ISP della Louisiana (USA), la gestione della congestione ha ridotto la latenza dell’83% e ha portato le ritrasmissioni TCP da un picco del 6,6% a una media dello 0,32%. In un’altra implementazione, l’ottimizzazione TCP ha aumentato la velocità media degli abbonati del 35,4%, portando la velocità media delle connessioni TCP da 3,1 Mbit/s a 4,2 Mbit/s. Si tratta dei risultati della stessa architettura osservati da due prospettive diverse — una che misura l’eliminazione dei ritardi di accodamento e delle perdite, l’altra che misura il miglioramento del throughput — ed entrambi sono visibili nelle statistiche della piattaforma stessa piuttosto che in test sintetici.

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Lo stato dell'arte

Tutte e quattro le funzioni sono capacità in linea, per singolo abbonato e per singolo flusso, che devono operare alla velocità di linea e adattarsi continuamente. La maggior parte dei prodotti di gestione della larghezza di banda ne implementa solo un sottoinsieme: lo shaping e il queueing sono relativamente semplici, mentre un’implementazione TCP in linea completa e il rilevamento della congestione basato sull’apprendimento automatico non lo sono, motivo per cui pochi fornitori li offrono. Un ISP che valuta questo ambito non sta quindi scegliendo tra funzionalità, ma tra architetture: una che gestisce la larghezza di banda in base a un valore configurato e una che misura la rete in modo continuo e applica la tecnologia più avanzata per ottenere le migliori prestazioni che la rete è in grado di fornire. Le quattro funzioni sono i componenti di questa seconda architettura e danno il meglio di sé quando sono tutte e quattro attivate insieme.