Dual-WAN Router zur Verbesserung der User Experience

Ausgangslage:
In der Schweiz ist gesetzlich geregelt, dass allen Bevölkerungskreisen in allen Landesteilen eine «Grundversorgung im Fernmeldebereich» zur Verfügung gestellt werden muss. Seit dem 1.1.2018 wird eine minimale Datenübertragungsrate für den Internetzugang von 3Mbit/s im Download und 300kbit/s im Upload verlangt. Falls diese Datenrate über die bestehenden Kupferleitungen oder das Mobilfunknetz nicht geliefert werden kann, kommen Verbindungen über geostationäre Satelliten zum Einsatz. Damit sind Datenraten bis zu 40Mbit/s möglich. Die dazu nötige Satellitenkapazität ist aber sehr teuer und die Satellitenverbindungen weisen Round Trip Time (RTT) Werte von rund 600ms auf.
Mittlerweile fordern Politiker eine weitere Erhöhung der Download Datenrate auf 10Mbit/s, was zur Folge hat, dass noch mehr Satellitenkapazität benötigt wird.

Vorgehen / Technologien:
In dieser Studienarbeit soll der Einfluss von Datenrate und RTT auf die User User Experience (UX) beim Web-Surfing und Video-Streaming untersucht werden. Insbesondere ist aufzuzeigen, wie die Kombination von DSL- und Satelliten (SAT)-Verbindungen zu einer besseren UX und zur Entlastung der Satellitenkanäle eingesetzt werden könnte. Es soll eine DSL-SAT Dual-WAN Lösung realisiert werden, welche den Datenverkehr an Hand von definierten Regeln über die jeweils UX-optimale WAN-Verbindung sendet.
Zur Untersuchung des Einflusses der Erhöhung der Download Datenrate von 3 auf 5 und 10Mbit/s, wurden automatisierte Messungen mit dem Open-Source-Tool WebPageTest durchgeführt. Für Video-Streaming Tests wurden die integrierten Analysetools von YouTube und Netflix genutzt. Anhand der gewonnenen Erkenntnisse wurden Strategien zur Verteilung des Datenverkehrs auf eine DSL-SAT Dual-WAN Lösung entwickelt und auf einem OpenWrt Router implementiert.

Ergebnis:
Die Analysen zeigen klar, dass die Web-Surfing UX extrem durch die RTT bestimmt ist. Webseiten sollen daher immer über die DSL-Verbindung mit den wesentlich kürzeren RTT (rund 30ms) aufgerufen werden.
Die Qualität der Video-Streams kann durch die Erhöhung der Datenrate verbessert werden. Eine Verbindung mit einer Download-Datenrate von 5Mbit/s liefert auf der Satellitenverbindung 720p anstatt nur 480p Bildauflösung.
Ausführliche Messungen zeigen, dass eine Erhöhung der Datenrate von 5 auf 10 Mbit/s sowohl bei DSL als auch bei SAT keine Verbesserung der Web-Surfing UX bringt.
Basierend auf diesen Erkenntnissen wird nun der Datenverkehr über einen OpenWrt Router mit MWAN3 Modul auf die beiden WAN-Anschlüsse verteilt: Web-Surfing Traffic geht über die DSL Verbindung, Video Streaming Traffic über den Satelliten.
Die Detektion des Video Streaming Traffics erfolgt auf Basis von bekannten Domainnamen für Videoinhalte. Das automatisch aktualisierende Regel-Set (IPSet) erlaubt eine bessere Ausnutzung der verfügbaren Sat-Bandbreite und eine UX-Optimierung. Dabei werden Webseiten über DSL schneller angezeigt und Video-Streaming wird über Satellit in besserer Bildauflösung geliefert, ohne die Websurfing Antwortzeiten zu beeinträchtigen.