Active Queue Management

Abkürzung: AQM

AQM (Active Queue Management), deutsch aktive Warteschlangensteuerung, bezeichnet Verfahren, die in die Warteschlange eines Netzwerkgeräts eingreifen, bevor sie voll ist. Ziel ist, die Wartezeit kurz zu halten, statt möglichst viele Pakete zu speichern.

Das Gegenmodell

Ohne solche Verfahren arbeitet eine Warteschlange nach dem einfachsten denkbaren Prinzip: Pakete werden hinten angehängt und vorn entnommen; ist kein Platz mehr, wird das neueste verworfen. Die Bezeichnung dafür ist Tail Drop.

Das hat zwei Folgen. Erstens wird die Überlast erst signalisiert, wenn die Schlange bereits voll ist — also zum spätestmöglichen Zeitpunkt, wenn die Wartezeit schon maximal ist. Zweitens trifft es mehrere Datenströme gleichzeitig, die daraufhin alle zugleich drosseln und danach zugleich wieder aufdrehen. Die Auslastung schwingt.

Aktive Verfahren setzen früher an.

Das gemeinsame Prinzip

Ein Paket wird verworfen oder markiert, bevor die Schlange voll ist. Für TCP ist das ein Signal zu drosseln, und es kommt rechtzeitig genug, dass die Schlange gar nicht erst lang wird.

Der entscheidende Unterschied zwischen den Verfahren liegt darin, woran sie den Handlungsbedarf festmachen.

Nach Länge. Die älteren Verfahren beobachten, wie viele Pakete in der Schlange stehen, und erhöhen ab einem Schwellwert die Wahrscheinlichkeit, ein Paket zu verwerfen. Das funktioniert, verlangt aber eine Abstimmung auf die jeweilige Leitungsrate — bei falscher Einstellung greift es zu früh oder zu spät. Genau daran ist die Verbreitung dieser Generation gescheitert: Sie war in vielen Geräten vorhanden, aber abgeschaltet, weil niemand sie richtig einstellen konnte.

Nach Zeit. Die neueren Verfahren messen, wie lange ein Paket tatsächlich in der Schlange verbringt. Das ist die Größe, auf die es ankommt, und sie ist unabhängig von der Leitungsrate. Eine Zielwartezeit von wenigen Millisekunden gilt bei 10 Mbit/s genauso wie bei 10 Gbit/s — die Verfahren funktionieren deshalb ohne Abstimmung auf den Einsatzort.

Diese zweite Generation hat AQM aus der Theorie in die Praxis gebracht.

Faire Aufteilung

Eine Warteschlangensteuerung allein behandelt alle Pakete gleich. Damit bleibt ein Problem ungelöst: Ein großer Download und eine Sprachverbindung teilen sich dieselbe Schlange, und die wenigen kleinen Pakete der Sprachverbindung warten hinter den vielen großen.

Deshalb werden die Verfahren üblicherweise mit einer Aufteilung in Teilschlangen kombiniert. Jeder Datenstrom bekommt eine eigene, und die Entnahme wechselt zwischen ihnen. Ströme mit wenig Verkehr kommen dadurch schnell durch, ohne dass jemand sie vorher als wichtig einstufen musste.

Das ist der praktische Unterschied zur klassischen Priorisierung: Es muss nichts konfiguriert werden, und es funktioniert auch für Anwendungen, an die beim Einrichten niemand gedacht hat.

Gebräuchliche Verfahren

CoDel misst die Verweildauer und verwirft, wenn sie zu lange über einem Zielwert liegt. Die Kombination mit fairer Aufteilung heißt FQ-CoDel und ist die verbreitetste Umsetzung.

PIE verfolgt denselben Ansatz über eine Schätzung der Wartezeit und ist in der aktuellen Kabelnorm für die Senderichtung vorgeschrieben.

CAKE ist eine Weiterentwicklung, die Warteschlangensteuerung, faire Aufteilung, Ratenbegrenzung und den Ausgleich des Rahmen-Aufschlags in einem Baustein zusammenfasst. Für Heimanschlüsse ist es der übliche Weg, weil es sich mit zwei Angaben einrichten lässt.

RED ist der Vertreter der ersten Generation, historisch bedeutsam und heute kaum noch im Einsatz.

Wo eingreifen?

Wirksam ist ein solches Verfahren nur dort, wo die Warteschlange tatsächlich entsteht — also an der Engstelle des Weges. In allen anderen Geräten läuft es mit, hat aber nichts zu tun, weil dort keine Schlange steht.

Für Heimanschlüsse folgt daraus eine praktische Schwierigkeit: Die Engstelle liegt meist im Modem oder beim Anbieter. Sie lässt sich in den eigenen Router verlagern, indem dessen Senderate knapp unter die Leitungsrate gesetzt wird.

Abgrenzung

Bufferbloat ist das Problem, gegen das sich diese Verfahren richten.

Priorisierung ordnet bestimmten Verkehr vor und lässt die Schlangenlänge unberührt. Beides schließt sich nicht aus, löst aber Unterschiedliches: Priorisierung entscheidet, wer zuerst drankommt, Warteschlangensteuerung, wie lange überhaupt gewartet wird.

Eine Ratenbegrenzung (Rate Limiting) deckelt den Durchsatz. Sie wird häufig gemeinsam eingesetzt, weil sie die Engstelle an den gewünschten Ort verschiebt, ist aber selbst keine Warteschlangensteuerung.

ECN ermöglicht es, Überlast durch Markieren statt durch Verwerfen zu signalisieren, und wird von den neueren Verfahren unterstützt.