Traffic Shaping

Was ist Traffic Shaping?

Traffic Shaping, auch Packet Shaping genannt, ist eine Technik zur Steuerung des Datenflusses in Netzwerken.Es priorisiert oder verzögert den Datenverkehr, um Überlastungen zu minimieren und die Effizienz zu steigern. Traffic Shaping ist insbesondere in Zeiten steigender Anforderungen an Unternehmensnetzwerke durch Cloud-Anwendungen, und zunehmender Gerätezahl.

Wo wird Traffic Shaping verwendet?

Traffic Shaping ist eine QoS-Technik (Quality of Service), die an Netzwerkschnittstellen so konfiguriert sein muss, dass Verkehr mit höherer Priorität auf optimalen Ebenen fließen kann, selbst wenn die Verbindung überlastet ist. Durch die Schaffung einer Bandbreitenbegrenzung für weniger kritische Pakete verringert Traffic Shaping die Möglichkeit, dass wichtigere Pakete verzögert oder fallen gelassen werden, wenn sie die Schnittstelle verlassen.

Häufige Anwendungen von Traffic Shaping sind unter anderem:

• Anwendungen priorisieren: Netzwerkspezialisten können zeitkritischen Daten und geschäftsrelevantem Datenverkehr Vorrang vor Datenverkehr einräumen, der kurzzeitig verzögert werden kann, oft mit geringen oder gar keinen Auswirkungen auf das Netzwerk.
• Bandbreitenmanagement: Ein großer Internet Service Provider (ISP) kann den Datenverkehr auf der Grundlage der Kundenpriorität gestalten. Er kann auch den maximalen Bandbreitenverbrauch für bestimmte Anwendungen begrenzen, um Kosten zu senken und die Kapazität für die Aufnahme zusätzlicher Teilnehmer zu schaffen.
• 5G-Netze: Aufgrund der enormen Datenmengen in 5G-Umgebungen ist Traffic Shaping entscheidend, um datenintensive Anwendungen wie Augmented Reality (AR) und selbstfahrende Autos zu unterstützen.
• Edge Computing: In dezentralen Netzwerken, die auf Edge-Technologien basieren, hilft Traffic Shaping, lokale Anwendungen zu priorisieren und Latenzzeiten zu minimieren.
• Streaming-Dienste: Dienste wie Netflix und YouTube nutzen Traffic Shaping, um die Videoqualität dynamisch an die verfügbare Bandbreite anzupassen. Dies optimiert das Nutzererlebnis bei schwankender Netzverfügbarkeit.

Warum ist Traffic Shaping wichtig?

Traffic Shaping kommt ins Spiel, wenn Netzwerk-Uplinks mit Daten überlastet sind, die aus einer Schnittstelle gesendet werden. Ohne Traffic Shaping wird überschüssiger Datenverkehr, der nicht von einer Schnittstelle aus gesendet werden kann, entweder verworfen oder in eine Warteschlange gestellt, was möglicherweise zu Verzögerungen bei allen Paketen führt. Dies führt eventuell zu einer schlechten Leistung von unternehmenskritischen Anwendungen. Die Aktivierung von Traffic Shaping ermöglicht es Administratoren, bestimmte Anwendungen zu spezifizieren, die als weniger wichtig eingestuft sind – und schafft so Informationen darüber, welche Pakete zuerst verworfen oder verzögert werden.

Insgesamt ist das Traffic Shaping eine der wichtigsten Traffic-Managementtechniken zur Gewährleistung einer hohen Netzwerkleistung.

Wie funktioniert Traffic Shaping?

Traffic Shaping basiert auf Techniken wie Data Transfer Throttling und Rate Limiting. Mit diesen Mechanismen können Administratoren sicherstellen, dass der Datenverkehr die Bandbreitengrenzen nicht überschreitet:

• Data Transfer Throttling (Datenübertragungsdrosselung) ist die Regulierung des Paketflusses in ein Netzwerk.
• Rate Limiting (Ratenbegrenzung ) ist die Regulierung des Paketflusses aus einem Netzwerk heraus.

Die wichtigsten Qualitätsmerkmale eines Netzwerks, Latenz, Jitter und Paketverlust, werden durch Traffic Shaping positiv beeinflusst.

Traffic Shaping kann nur für Pakete durchgeführt werden, die die Schnittstelle verlassen, nicht für Pakete, die an der Schnittstelle ankommen. Das Netzwerkgerät kann verschiedene Methoden verwenden, um festzustellen, zu welcher Anwendung ein IP-Paket gehört, das eine Schnittstelle verlässt. Basierend auf dieser Information kann die Schnittstelle diese spezifischen Pakete in eine temporäre Warteschlange stellen oder sie zurückhalten, bis eine bestimmte Bandbreitenbeschränkung erreicht ist.

Traffic Shaping verwendet einen Leaky-Bucket-Algorithmus, um die verzögerten Pakete schließlich zur Zustellung freizugeben. Dies kann zwar die Latenz erhöhen, ist aber in der Regel effizienter als das Verwerfen der Pakete.

Traffic-Shaping-Methoden umfassen:

• Generic Traffic Shaping (GTS): Diese Methode unterstützt Traffic Shaping der meisten Medien- und Kapselungsdatentypen auf einem Router. GTS wird:
  • Traffic Shaping auf einer Pro-Schnittstellen-Basis durchführen und Zugriffskontrolllisten (ACL) verwenden, um auszuwählen, welcher Verkehr geformt werden soll;
  • sich dynamisch an die verfügbare Bandbreite anpassen, indem Shaping und rückwärts gerichtete explizite Staumeldungen (Backward Explicit Congestion Notifications, BECN) mit einer definierten Rate integriert werden; und
  • auf Funktionen des Ressourcen-Reservierungsprotokolls (RSVP) reagieren, die über statisch konfigurierte permanente virtuelle Leitungen (PVC) des asynchronen Übertragungsmodus (ATM) signalisiert werden.
• Frame Relay Traffic Shaping (FRTS): Ähnlich wie GTS beseitigt FRTS Engpässe, die in Frame-Relay-Netzwerken mit Hochgeschwindigkeitsverbindungen am zentralen Standort und niedrigen Geschwindigkeiten an den Zweigstellen auftreten.
• Class-based Traffic Shaping: Diese Methode ermöglicht es Benutzern, das Traffic Shaping auf einer Pro-Verkehrsklassen-Basis zu konfigurieren. Das heißt, das Shaping lässt sich auf eine oder mehrere Datenkategorien spezifizieren. Das klassenbasierte Shaping ermöglicht es Anwendern auch, die verfügbare Bandbreite zu optimieren, indem eine Durchschnitts- oder Spitzenrate für das Shaping festgelegt wird. Dadurch lassen sich mehr Daten als die konfigurierte Rate senden, wenn Bandbreite verfügbar ist.
  Schließlich ermöglicht das klassenbasierte Shaping-Verfahren den Benutzern das Erstellen einer hierarchischen Policy-Map-Struktur. Dies bedeutet, dass das Traffic Shaping in einer primären Policy Map platziert werden kann, während andere QoS-Funktionen in einer sekundären Policy Map definiert sind.

Speziell auf die modernen Anforderungen an die Netzwerke gehen neuere Verfahren ein:

• KI-gestütztes Traffic Shaping: Künstliche Intelligenz (KI) dient dazu, Datenmuster in Echtzeit zu analysieren. Dadurch können Engpässe vorhergesagt und Datenströme präventiv optimiert werden.
• Predictive Bandwidth Allocation: Algorithmen berechnen auf Basis historischer Daten, wann und wo Netzwerkressourcen benötigt werden. So kann Bandbreite vorausschauend für geschäftskritische Anwendungen reserviert werden.
• Cloud-basierte QoS-Tools: Moderne Cloud-Dienste wie AWS oder Azure bieten integrierte Traffic-Shaping-Mechanismen, um den Datenfluss zwischen lokalen und Cloud-basierten Anwendungen zu optimieren.
• Software-defined WAN: SD-WAN ergänzt das Traffic Shaping durch die Möglichkeit, Daten je nach Datenfluss dynamisch auf verschiedene Verbindungen umzuleiten. Dies verbessert die Ausfallsicherheit und die Leistung, insbesondere in hybriden Cloud-Umgebungen.

Traffic Shaping vs. Traffic Policing

Traffic Shaping wirkt sich auf Pakete aus, die eine Schnittstelle verlassen. Traffic Policing hingegen lässt sich sowohl für den aus einer Schnittstelle austretenden als auch für den in eine Schnittstelle eintretenden Verkehr konfigurieren. Beim Policing werden Pakete einfach fallen gelassen, anstatt sie in einer temporären Warteschlange zu speichern. Daher gilt Policing in den meisten Fällen als weniger effizient.

Traffic Shaping und Netzneutralität

Traffic Shaping ist ein häufiges Thema in der Debatte zwischen Verfechtern der Netzneutralität und Befürwortern eines zweistufigen Systems. Befürworter der Netzneutralität argumentieren, dass Internet-Datenpakete unparteiisch behandelt werden sollten, ohne Rücksicht auf ihren Inhalt, ihr Ziel oder ihre Quelle. Es sei schwierig, bestimmte Arten des Datenverkehrs zu verzögern, ohne andere unbeabsichtigt zu behindern.

Andererseits argumentieren die Befürworter eines zweistufigen Systems, dass es schon immer verschiedene Ebenen von Internet-Diensten gegeben habe. Internetzugänge werden beispielsweise mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten zu unterschiedlichen Preisen angeboten. Ein zweistufiges System würde mehr Wahlfreiheit ermöglichen und den internetbasierten Handel fördern.

Fazit

Traffic Shaping hat sich von einer reinen QoS-Technologie zu einem unverzichtbaren Werkzeug für das moderne Netzwerkmanagement entwickelt. Mit neuen Technologien wie KI, SD-WAN und Cloud-Integration wird es immer vielseitiger. Dennoch bleibt es entscheidend, die Balance zwischen Effizienz und Fairness zu halten, um den wachsenden Anforderungen digitaler Netzwerke gerecht zu werden.

Hinweis: Dieser Artikel wurde ursprünglich von Andrew Froehlich verfasst und von der ComputerWeekly-Redaktion aktualisiert, um Branchenveränderungen widerzuspiegeln und das Leseerlebnis zu verbessern.