Effiziente Netze für mobile Clients und virtuelle Maschinen

Anwendungen und Konkurrenz für Multipath-TCP

| Autor / Redakteur: Dirk Srocke / Andreas Donner

MPTCP funktioniert bereits in freier Wildbahn. Das belegt das ICTEAM an der Université catholique de Louvain mit einer interaktiven Weltkarte.
MPTCP funktioniert bereits in freier Wildbahn. Das belegt das ICTEAM an der Université catholique de Louvain mit einer interaktiven Weltkarte. (Bild: multipath-tcp.org)

Mit mehreren parallel genutzten Datenströmen beschleunigt Multipath-TCP (MPTCP) nicht nur Verbindungen zwischen Clients und Servern. Einige Experten betrachten die Protokollerweiterung bereits als Sargnagel für Software-Defined Networking (SDN).

Zwei Leitungen sind besser als eine – so lässt sich der Grundgedanke hinter Multipath-TCP (MPTCP) salopp zusammenfassen. Leitung bezeichnet in diesem Fall einen Datenstrom zwischen verschiedenen Rechnern. Werden mehrerer solcher Subflows zu einer Verbindung zusammengefasst – so das Kalkül – erhöhen sich auch Datenraten sowie Ausfallsicherheit für einzelne Anwendungen.

Im Idealfall addieren sich die Durchsätze aller genutzten Subflows; sollte ein Subflow ausfallen, springen die parallel genutzten Datenpfade ein – und zwar ohne, dass das Anwendung oder Endnutzer davon etwas mitbekommen.

Mit dem beschriebenen Ansatz könnten Netzwerke also deutlich effizienter als bisher genutzt werden. Das klassische Transmission Control Protocol (TCP) beschränkt die Kommunikation dagegen auf einen einzelnen Pfad pro Transport-Verbindung. Und genau dies will die Internet Engineering Task Force (IETF) mit einer experimentellen Protokollerweiterung ändern, die dann MPTCP erlaubt.

TCP-kompatible Erweiterungen

Keine triviale Aufgabe, denn die mit MPTCP betraute Arbeitsgruppe hat sich für ihre Protokollspezifikation verschiedenen Designvorgaben unterworfen. So soll MPTCP mit den meisten Middleboxes funktionieren. Darunter fallen beispielsweise NATs, Firewalls und Proxy-Server, die ihrerseits Datensegmente modifizieren oder Pakete mit unbekanntem Protokollfeldern verwerfen. Zudem soll MPTCP ohne Änderungen an bestehenden Anwendungen laufen und einen Fallback bieten, wenn lediglich TCP-Server vorhanden sind.

Mit MPTCP stellen sich zudem erhöhte Anforderungen an die Flusskontrolle, da Datenpakete parallal auf verschiedenen, potentiell ausfallgefährdeten Subflows zwischen Sender und Empfänger ausgetauscht werden. Zudem können die "subflows" sich auch einzelne Wegstrecken zwischen Server und Client teilen. Hier bedarf es dann gesonderter Regelungen zur Congestion Control.

Plattformübergreifende Implementierungen

Vorschläge zur Lösung dieser Herausforderungen hat die IETF bereits in mehreren Requests for Comments (RFC) publiziert. Die Entwürfe dürfen als praxistauglich gelten: Das Institute of Information and Communication Technologies, Electronics and Applied Mathematics (ICTEAM) an der Université catholique de Louvain hat erste funktionierende Implementationen des Protokolls für verschiedene Plattformen zur Verfügung gestellt.

Trotz dieser Machbarkeitsbeweise hält sich die Verbreitung des neuen Protokolls aber noch in Grenzen. So listet das ICTEAM auf der eigens zum Thema MPTCP eingerichteten Homepage lediglich sieben Webserver, die das Protokoll unterstützen. Auf einer Weltkarte können Surfer zudem nachvollziehen, wie oft – respektive vereinzelt – MPTCP-fähige Clients seit September 2012 auf die ICTEAM-Webseite zugegriffen haben.

Einsatz bei Apple, Citrix und Telkos

Zusätzlich verweist die Seite jedoch auch schon auf professionelle Anwendungen. So nutzt etwa Citrix das Protokoll im Application Delivery Controller Netscaler. Apple soll derweil MPTCP für Verbindungen mit der Spracherkennungssoftware Siri verwenden – im WLAN gestellte Anfragen werden damit auch dann nahtlos beantwortet, wenn sich der Nutzer während seines Requests ins Mobilfunknetz bewegt.

Auch bei Telekommunikationsanbietern stößt das erweiterte TCP auf einiges Interesse. So will die Deutsche Telekom etwa ihren Anspruch an "zuverlässige Qualität" künftig mit MPTCP umsetzen. Geplant ist hierfür eine Hybrid-Lösung, die Mobilfunk und Festnetz zusammenführt. Wann entsprechende Angebote auf den Markt kommen verrät der Kommunikationsdienstleister allerdings noch nicht.

MPTCP könnte SDN unnötig machen

Noch mehr Potential traut Markus Schaub, Leiter der Betriebstätte Deutschland beim Schulungsanbieter ComConsult Research, der neuen Technik zu. In seinem Blogbeitrag "Die Zukunft von TCP hat begonnen" heißt es wörtlich: "Ich glaube, dass bei entsprechender Weiterentwicklung MPTCP sogar das Potential hat, virtuelle Netze, Overlay Techniken und SDN unnötig zu machen."

Dabei denkt Schaub etwa an wandernde virtuelle Maschinen (VM). Werden diese von einem Subnet in ein anderes verschoben seien heute noch Overlay-Netze nötig. Mit MPTCP wäre es jedoch denkbar, der VM gleich von vornherin mehr als eine Adresse zuzuordnen. Zusätzliche Adressen blieben dabei zunächst ungenutzt und würden erst angesprochen, wenn die VM auf einen anderen Server umzieht.

Trotz dieser Zukunftsvisionen sind die mit MPTCP verfolgten Konzepte nicht komplett neu. So verweisen selbt die Autoren der "Architectural Guidelines for Multipath TCP Development" (RFC 6182) auf Multihoming- und Multipath-Funktionen, wie sie bereits vom Stream Control Transmission Protocol (SCTP) verwendet wurden. Mit dem abwärtskompatiblen MPTCP haben man nun aber den Anspruch eine weitreichendere Implementierungen zu begünstigen.

Konkurrenz durch protokollübergreifende Lösungen

Zumindest in Zugangsnetzen müssen sich die Netzarchitekten dabei aber auch etablierter, kommerzieller Konkurrenz stellen, die mit proprietären Verfahren gesteigerte Durchsätze versprechen. So bietet etwa Dienstleister Connectify mit Switchboard eine Lösung an, die mehrere Netzverbindungen zu einer virtuellen Verbindung zusammenfasst. Das funktioniert laut Anbieter nicht nur mit TCP, sondern mit allen IP-basierten Übertragungen. So profitierten etwa UDP-basierte Videoübertragungen von Switchboard, nicht aber von MPTCP. Analoges gelte für das von Google entwickelte QUIC-Protokoll, das ebenfalls auf UDP basiert.

Ähnlich argumentiert auch Viprinet, Anbieter von professionellen Routern, die über eine proprietäre Technik verschiedene WAN-Verbindungen bündeln. Einsatzgebiete sieht der Hersteller etwa in vernetzten Officeumgebungen, in denen zahlreiche Arbeitsplätze über ein gemeinsames Gateways auf das WAN zugreifen.

Die logische, gebündelte Datenleitung erstreckt sich dann lediglich vom Router beim Anwender bis zu einer entsprechenden Gegenstelle. Von dort aus reisen die Daten konventionell ins Internet oder in ein lokales Netz weiter. Das bedeutet: Alle Protokolle werden unterstützt, weder an Clients noch an Servern werden zusätzliche Protokollanforderungen gestellt. Das heißt jedoch auch: Nach dem Viprinet-Endpunkt können – außerhalb des gebündelten Kommunikationskanals liegende – Infrastrukturen nicht so effizient ausgelastet werden, wie das mit MPTCP möglicherweise der Fall wäre.

Dafür wirbt Viprinet mit besonders tiefgreifenden Konfigurationsmöglichkeiten, die es so bei MPTCP noch nicht gebe. So könnten auf der gebündelten Strecke beispielsweise Breitbandlimits für bestimmte Dienste oder Nutzer definiert werden.

Fazit

Für isolierte Anwender In Zugangsnetzen mit limitierter Bandbreite könnte MPTCP Strahlkraft entwickeln: Endgeräte würden über verschiedene Datenströme eine Verbindung mit dem Netz herstellen respektive nahtlos zwischen verschiedenen Zugangsnetzen wechseln. Wie das funktioniert macht Apple mit Siri bereits vor, die Pläne der Deutschen Telekom zielen in eine ähnliche Richtung. MPTCP als reine Zugangslösung aufzufassen wäre dabei jedoch zu kurz gedacht, denn Anwendungen für das Protokoll finden sich beispielsweise auch innerhalb von Rechenzentren.

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