L4S – Low Latency, Low Loss, Scalable Throughput

Abkürzung: L4S

L4S (Low Latency, Low Loss, Scalable Throughput) ist ein Verfahren, das Laufzeiten im einstelligen Millisekundenbereich auch unter Volllast ermöglichen soll. Es erreicht das, indem Überlast nicht mehr durch verworfene Pakete angezeigt wird, sondern durch eine feinstufige Markierung, auf die der Absender sanft statt sprunghaft reagiert.

Das Problem dahinter

Die herkömmliche Überlastregelung von TCP arbeitet nach einem einfachen Muster: Rate erhöhen, bis etwas verloren geht, dann halbieren. Damit füllt jeder Datenstrom zwangsläufig den Puffer an der Engstelle auf, bevor er zurücknimmt — und jedes andere Paket, das dort wartet, erbt diese Wartezeit. Das ist der Mechanismus hinter Bufferbloat.

Aktive Warteschlangensteuerung bekämpft das, indem sie früher eingreift. Sie löst aber nur die Netzseite: Solange der Absender auf jedes Signal mit einer Halbierung antwortet, muss die Warteschlange erst nennenswert anwachsen, damit das Signal überhaupt gerechtfertigt ist.

L4S setzt an beiden Enden an.

Die zwei Bausteine

Auf der Absenderseite ein Regelverfahren, dessen Reaktion proportional zur Häufigkeit der Markierung ausfällt, statt auf jedes Signal gleich stark zu antworten. Je öfter markiert wird, desto geringer die Rate — in kleinen Schritten, viele Male pro Sekunde. Der Absender kann damit dicht unter der Kapazitätsgrenze fahren, ohne einen Puffer aufzubauen. Dieses Verhalten heißt skalierbar, weil es sich unabhängig von Bandbreite und Laufzeit gleich verhält.

Auf der Netzseite eine Warteschlangenregelung mit zwei getrennten Warteschlangen: eine für den herkömmlichen Verkehr, eine für den L4S-Verkehr. Die beiden sind gekoppelt — die Markierungswahrscheinlichkeit in der L4S-Warteschlange wird aus dem Zustand der herkömmlichen abgeleitet, damit keine Seite die andere verdrängt. Das Verfahren heißt deshalb DualQ Coupled AQM.

Das Kennzeichen im Paket

Zur Unterscheidung dient ein bereits vorhandenes Bitmuster im ECN-Feld des IP-Kopfs: ECT(1). Es war in der ursprünglichen ECN-Norm vorgesehen, aber ungenutzt.

Pakete mit ECT(1) landen in der L4S-Warteschlange und erwarten die feinstufige Auslegung der Markierung. Pakete mit dem herkömmlichen Kennwert landen in der anderen Warteschlange und werden wie bisher behandelt. Beide Auslegungen bestehen damit auf derselben Leitung nebeneinander, ohne dass eine die andere stört.

Für diesen Schritt musste die ECN-Norm gelockert werden, weil sie die Gleichbehandlung beider Kennwerte vorschrieb.

Was L4S bringt

Die Wirkung zeigt sich nicht in der Datenrate, sondern in der Laufzeit unter Last. Ein Anschluss mit herkömmlicher Regelung und großzügigem Puffer bringt es unter Volllast auf hunderte Millisekunden Zusatzlaufzeit; mit L4S bleiben wenige Millisekunden übrig, während die Rate erhalten bleibt.

Entscheidend ist dabei, dass dies ohne Dienstgütekennzeichnung geschieht. Es wird kein Verkehr vorgezogen und keine Anwendung bevorrechtigt — die geringe Laufzeit entsteht daraus, dass die Warteschlange gar nicht erst anwächst.

Einsatzstand L4S

Die Normen liegen seit 2023 vor, führen aber den Status Experimental. Der Einsatz hat seither in mehreren Bereichen begonnen:

Im Kabelnetz ist das Verfahren Teil der neueren DOCSIS-Spezifikationen und wird von einzelnen Betreibern angeboten. Im Mobilfunk ist es in die Spezifikationen für 5G Advanced eingegangen, weil die Luftschnittstelle ohnehin stark schwankende Laufzeiten erzeugt. Für WLAN liegt eine Umsetzungsempfehlung der Branchenvereinigung vor. Auf der Endgeräteseite unterstützen aktuelle Mobil- und Desktop-Betriebssysteme die Absenderrolle, teils vorerst nur für ausgewählte Anwendungen; im Linux-Kern ist die netzseitige Warteschlangenregelung als dualpi2 enthalten, während das zugehörige Absenderverfahren weiterhin außerhalb des Kerns gepflegt wird.

Der Streit um den Weg

Das Verfahren war in der Normung umstritten, und der Streit ist nicht beigelegt. Der Gegenentwurf sah vor, das Signal über ein anderes Bitmuster zu übertragen und dadurch den Umbau bestehender Geräte zu vermeiden.

Der Kernvorwurf gegen L4S lautet, dass ein Netzgerät mit nur einer Warteschlange die beiden Auslegungen nicht trennen kann. Trifft L4S-Verkehr dort auf herkömmlichen, reagiert der eine sanft und der andere stark auf dasselbe Signal — der sanft reagierende setzt sich durch. Solche Geräte sind im Bestand vorhanden, und ob der Effekt in der Praxis ins Gewicht fällt, wird unterschiedlich beurteilt.

Stolperstellen

Es braucht alle drei Rollen. Absender, Empfänger und das Gerät an der Engstelle müssen mitspielen. Fehlt eines, läuft die Verbindung wie bisher — ohne Fehlermeldung und ohne sichtbaren Unterschied.

Die Engstelle ist oft nicht dort, wo das Verfahren sitzt. Unterstützt der Zugangsknoten des Anbieters L4S, das WLAN im Haushalt aber nicht, entsteht die Wartezeit im WLAN und das Verfahren bleibt wirkungslos.

Ein eigener Shaper im Router kann die Kette unterbrechen. Wer die Rate im eigenen Gerät begrenzt, verlagert die Engstelle dorthin. Ohne L4S-fähige Warteschlange an dieser Stelle wird dort niemand markieren.

Die Angabe im Datenblatt sagt wenig. Ein Gerät kann die Markierung weiterleiten, ohne selbst zu markieren. Nachweisbar ist die Wirkung nur durch eine Messung der Laufzeit unter Last.

Abgrenzung

Bufferbloat ist das Problem, L4S einer der Lösungswege.

AQM ist der Oberbegriff für die aktive Warteschlangensteuerung. CoDel, FQ-CoDel und CAKE gehören dazu, kommen aber ohne Mitwirkung der Endgeräte aus: Sie trennen die Datenströme voneinander und halten die Warteschlange kurz, indem sie verwerfen. L4S erreicht niedrigere Laufzeiten, braucht dafür aber beide Enden. In Heimnetzen ist der erstgenannte Weg deshalb bis heute der praktikablere.

ECN liefert den Übertragungsweg für das Signal; L4S gibt ihm eine andere Bedeutung.

Die Dienstgütekennzeichnung stuft Verkehr im Voraus ein. L4S tut das nicht — es verändert die Regelung, nicht die Reihenfolge.