Bequant – Quatro funcionalidades para uma QoE ideal: a pilha de gestão de largura de banda de que um ISP realmente precisa

Visão geral

Resumo. A Qualidade de Experiência (QoE) do assinante não resulta de um único mecanismo. Depende da velocidade a que o tráfego pode circular, da forma como um limite partilhado é repartido, da identificação ou não do verdadeiro estrangulamento e das aplicações que merecem proteção quando a capacidade é escassa. Trata-se de quatro problemas distintos, e o BQN aborda-os com quatro funções: Otimização TCP (TCPO), Gestão Ativa de Filas (AQM), Gestão Automática de Congestionamento (ACM) e Inspeção Profunda de Pacotes (DPI). Cada funcionalidade é valiosa por si só. Quando implementadas em conjunto, formam um ciclo fechado no qual a medição, a aplicação, a deteção e a intenção se reforçam mutuamente — e é essa combinação, e não qualquer funcionalidade individual, que distingue uma plataforma de gestão de largura de banda de última geração de um simples modelador de tráfego.

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Quatro perguntas diferentes

As quatro funções são frequentemente comparadas como se fossem alternativas. Mas não o são: cada uma aborda um aspeto de otimização que as outras não conseguem.

O TCPO determina a velocidade máxima que uma determinada ligação pode atingir e envia dados a essa velocidade máxima ideal.
O AQM determina como um limite de taxa partilhado deve ser repartido entre fluxos concorrentes e mantém as filas dedicadas curtas, informando os remetentes sobre a limitação de taxa.
O ACM verifica se o limite configurado corresponde à verdadeira restrição e ajusta o ponto de funcionamento ao verdadeiro gargalo — um setor de rádio sobrecarregado, uma ligação Wi-Fi fraca, um nó de acesso sobrecarregado —, que, muitas vezes, será inferior à velocidade máxima configurada para cada utilizador.
O DPI identifica a que aplicação pertence um fluxo, de modo que são as próprias prioridades do operador que determinam quais devem ter prioridade e quais têm de ceder.

Uma plataforma que aborda apenas alguns destes aspetos deixa o resto ao acaso.

A tabela seguinte resume as quatro funções, o seu papel e o nível de tráfego em que atuam.

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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Por que razão três em cada quatro não é suficiente

A forma mais clara de perceber essa interdependência é remover uma função de cada vez:

Sem o TCPO, os assinantes nunca atingem a velocidade que o seu percurso poderia suportar — percursos de longa latência, ligações de rádio e o comportamento de arranque lento fazem com que a capacidade fique por utilizar — e, ao mesmo tempo, a plataforma perde a sua fonte mais precisa de métricas de tráfego em tempo real.
Sem o AQM, quando se atinge um limite imposto, verifica-se um aumento excessivo do buffer: uma única transferência volumosa aumenta o atraso em todos os fluxos interativos que se seguem.
Sem o ACM, todo o controlo baseia-se num plano de débito configurado que, frequentemente, sobrestima a capacidade do percurso, pelo que o congestionamento abaixo do previsto no plano passa despercebido e não é mitigado.
Sem o DPI, todos os fluxos são tratados como equivalentes, pelo que uma videoconferência em tempo real pode perder largura de banda, desnecessariamente, devido a uma atualização de software em segundo plano, ou um teste de velocidade não será priorizado, fazendo com que um fluxo concorrente dê a impressão de que o plano de velocidade configurado não está a ser atingido.

Cada uma dessas lacunas representa uma falha na qualidade da experiência (QoE) que as restantes três funções não conseguem colmatar, uma vez que nenhuma delas foi concebida para responder a essa questão.

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Como as quatro características se reforçam mutuamente

O argumento mais convincente não é que os quatro preencham lacunas distintas, mas sim que se complementam mutuamente.

O TCPO otimiza o protocolo de transporte dominante e fornece ao ACM sinais fiáveis relativos à velocidade, latência, confirmação e retransmissão.
A eficácia da deteção do ACM depende da qualidade dessas medições. Por sua vez, o ACM determina a taxa a que o AQM deve aplicar as restrições, de modo que a gestão de filas atue em função do verdadeiro estrangulamento, em vez de um limite máximo nominal.
O AQM mantém os fluxos isolados nesse limite, e o TCPO permite que esse limite seja mantido através do ajuste da progressão do TCP, em vez de descartar pacotes, pelo que a taxa imposta é atingida com menos perdas e menos retransmissões.
O DPI situa-se acima dos três, decidindo quais as aplicações que devem ser priorizadas ou moderadas no ambiente controlado que os outros três mantêm.

Se se remover um elemento, o ciclo fica comprometido em todo o código, e não apenas na função que foi removida.

As quatro funções e a forma como se reforçam mutuamente

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O que esta combinação proporciona

O efeito é mensurável em redes de produção. Na Cajun Broadband, um ISP da Louisiana, EUA, a gestão do congestionamento reduziu a latência em 83% e fez com que as retransmissões TCP baixassem de um máximo de 6,6% para uma média de 0,32%. Noutra implementação, a otimização do TCP aumentou a velocidade média dos assinantes em 35,4%, elevando as velocidades médias das ligações TCP de 3,1 Mbit/s para 4,2 Mbit/s. Estes são os resultados da mesma arquitetura observados sob dois ângulos — um que mede a eliminação do atraso e da perda em fila, e outro que mede a melhoria da taxa de transferência — e ambos são visíveis nas próprias estatísticas da plataforma, em vez de em testes sintéticos.

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O estado da arte

Todas as quatro funções são capacidades «inline», por assinante e por fluxo, que têm de funcionar à velocidade da linha e adaptar-se continuamente. A maioria dos produtos de gestão de largura de banda implementa um subconjunto: o «shaping» e o «queueing» são comparativamente simples, enquanto uma implementação TCP «inline» completa e a deteção de congestionamento por aprendizagem automática não o são, razão pela qual poucos fornecedores as oferecem. Um ISP que avalie este domínio não está, portanto, a escolher entre funcionalidades, mas sim entre arquiteturas — uma que gere a largura de banda em função de um valor configurado e outra que avalie a rede continuamente e aplique a tecnologia mais avançada para extrair o melhor desempenho que a rede pode oferecer. As quatro funções são os componentes desta segunda arquitetura e atingem o seu máximo potencial quando todas as quatro estão ativadas em conjunto.