Google hat jetzt einen Algorithmus entwickelt, der das primäre TCP-Übertragungsprotokoll des Internets um bis zu 14 Prozent verbessert.
Die Ingenieure von Google haben einen neuen Algorithmus entwickelt, der das Transmission Control Protokoll (TCP) beschleunigt und damit den im Internet übermittelten Verkehr auf die Sprünge hilft. Im Prinzip geht es bei dieser Verbesserung des wichtigsten Transportprotokoll des Internets, um eine Optimierung der zu sendenden Datenpakete und um die Vermeidung von Verstopfungen auf den verfügbaren Routen.
Die von Google entwickelte Beschleunigungsmethode wird „Bottleneck Bandwidth and Roundtrip (BBR) Propagation Time“ genannt. Dieser Algorithmus sucht automatisch den schnellsten Weg zwischen Sender und Empfänger, wenn mehrere Routen zur Übermittlung der Daten zur Verfügung stehen. Dadurch überträgt das Netz den Verkehr effizienter und umgeht verstopfte Datenrouten. Google nutzt den BBR-Mechanismus bereits zur Beschleunigung seines Youtube-Verkehrs. Nach Angaben von Google optimiert die BBR-Implementierung den Youtube-Verkehr im Durchschnitt um 4 Prozent und in einigen Ländern werden die Datentransfers sogar um 14 Prozent beschleunigt.
Beschleunigung des TCP-Protokolls
Das TCP-Protokoll wurde in den 1970er Jahren als Bestandteil der TCP/IP Protokoll-Suite entwickelt. Das TCP dient zur gesicherten Übermittlung der übertragenen Pakete zwischen den jeweiligen Endsystemen. Forscher der Internet Engineering Task Force (IETF) schätzen, dass im Internet derzeit mehr als 90 Prozent des IP-Traffic per TCP übertragen werden.
In den vergangenen Jahrzehnten wurde immer wieder versucht die TCP/IP-Mechanismen zu beschleunigen. Viele dieser Lösungsansätze konzentrierten sich auf den Bereich der Überlast. Ein wesentlicher Bestandteil seit den Anfangstagen besteht darin, dass der Sender das Aussenden von Datenpaketen verlangsamt, sobald ein Stau im Sendepfad entsteht. Ein Stau wird anhand verlorengegangener Pakete ermittelt. Dieser Mechanismus funktionierte über viele Jahre hervorragend, da die kleinen Puffer der Switches und Router optimal auf die niedrigen Bandbreiten im Internet ausgerichtet waren. Eine „verlustbasierte“ Staukontrolle schafft jedoch bei immer höheren Bandbreiten enorme Probleme. Da das bisherige TCP-Protokoll nur den Verkehr verlangsamt, wenn es Paketverlust erkennt, kann das Protokoll nur verspätet auf bestimmte Probleme reagieren.
BBR wartet dagegen nicht darauf, dass ein Problem (ein Datenverlust) auftritt, sondern modelliert eine Pipe, die eine definierte Länge und aufweist und kann dadurch festlegen, wie viele Daten auf dem jeweiligen Pfad übermittelt werden können.
Standards
Der BBR schätzt kontinuierlich den möglichen Datendurchsatz und die Round-Trip-Time (RTT) auf mehrere Strecken (so vorhanden) zwischen Sender und Empfänger ab. Dadurch weiß der Sender wie lange es dauert, den Datenverkehr (mit einer definierten Datenrate) über eine bestimmte Strecke zu übermitteln. Dadurch sorgt der BBR-Algorithmus dafür, dass der Verkehr nur mit der Geschwindigkeit übermittelt wird, die das Netzwerk auch verarbeiten kann. Dieser Algorithmus ist daher wesentlich effektiver als die ursprünglichen TCP-Staukontrollen.
Der BBR-Algorithmus ist auch Bestandteil des von Google entworfen und zur Standardisierung bei der IETF eingereichten alternativen Transportprotokoll. Dieses wird als „Quick UDP Internet Connections“ (QUIC) bezeichnet.
Der BBR-Algorithmus ist jedoch nur einer in einer langen Reihe von TCP-Optimierungen. Die Forscher der North Carolina State University haben vor einigen Jahren einen der populärsten verlustbasierten Staukontrollalgorithmen entwickelt. Dieser wird in den heutigen TCP-Protokollen unter dem Namen „Binary Increase Congestion Control“ (BIC) bekannt. Die Fortentwicklung von BIC wird als CUBIC bezeichnet. CUBIC ist eine TCP-Implementierung mit einem optimierten Staukontrollalgorithmus für Netzwerke mit hohen Bandbreiten und hohen Latenzzeiten. Bei CUBIC wird die Fenstergröße anhand einer kubischen Funktion der Zeit seit der letzten Überlast errechnet. Ein weiterer populärer Staukontrollalgorithmus ist unter dem Namen „Reno“ bekannt.
Alle diese Algorithmen nutzen das Erkennen von Paketverlusten um Staus im Netzwerk feststellen zu können. Dagegen ist der BBR derzeit der einzige TCP-Algorithmus, der tatsächlich die Geschwindigkeit des Verkehrs abschätzt, um den besten Sendepfad bestimmt.
Fazit
Die Standards von neuen Transport- und Staukontrollmechanismen dauert extrem lange. Momentan haben nur wenige Hersteller die Kraft eine solche Änderung durchzusetzen. Aus diesem Grund ist die Google-Initiative ein Meilenstein in der Verbesserung des TCP-Transportprotokolls. Die Benutzer der Google-Cloud-Plattform kommen inzwischen automatisch in den Genuss des BBR-Mechanismus.
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