Netzevolutorik und die Dynamik des Wettbewerbs im zukünftigen All-IP Internet

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Günter Knieps
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Der Datenpakettransport im Internet findet mittels Kommunikationsinfrastrukturen und Internet-Architektur statt. Auf dessen Basis kann eine Vielzahl unterschiedlicher Anwendungen bereitgestellt werden. Im All-IP Internet der Zukunft basiert die Übertragung sämtlicher Datenpakete auf dem Internet Protokoll (IP), unabhängig davon, um welche Kommunikationsinfrastruktur es sich handelt. Die pfadabhängige Netzevolutorik auf der Ebene der All-IP Breitbandinfrastrukturen sollte nicht durch regulatorische Technologiepolitik verzerrt oder von einer Netzneutralitätsregulierung behindert werden, wie dieser Beitrag argumentiert.

Pfadabhängige Netzevolutorik auf der Ebene der All-IP Breitbandinfrastrukturen

Im zukünftigen All-IP Internet wird auf sämtlichen Breitbandinfrastrukturen das gleiche Grundprinzip der Datenübertragungslogistik zugrunde gelegt. Es handelt sich um das Internet Protokoll (IP), das auf dem Network Layer des Internet-Schichtenmodells angesiedelt ist. IP ermöglicht die Datenpaketversendung weltweit über verschiedene Netze. Es beschränkt sich auf die Fragmentierung in Datenpakete und Adressierung im Datenpaketheader. Da alle Übertragungen IP-basiert erfolgen, kann eine Kombination von fixen und mobilen Breitbandinfrastrukturen eingesetzt werden. Die herkömmlichen Spezialinfrastrukturen für unterschiedliche Dienste (ISDN-Netze, Kabelfernsehnetze, Rundfunknetze etc.) werden ersetzt durch eine integrierte All-IP breitbandige Intrastruktur. Verschiedene Kategorien von mobilen Zugangsnetzen, fixen Telekommunikationszugangsnetzen und Kabelzugangsnetzen lassen sich unterscheiden, die sich evolutorisch im Zeitablauf abhängig von Angebotsstrategien und Nachfragebedingungen entwickeln können (Knieps, Zenhäusern, 2015, S.339-344 ).

Die Pfadabhängigkeit von Investitionsentscheidungen in Upgrading bzw. Neubau von Breitbandinfrastrukturen ist ein marktbasiertes Konzept. Die Nachfrager haben heterogene Präferenzen bezüglich der Zugangstechnologien. Deshalb ist Pfadabhängigkeit in dem Sinne, dass alte und neue Technologien koexistieren, weltweit beobachtbar. Die unternehmerische Freiheit der Netzbetreiber sollte von Regulierungsbehörden nicht beeinträchtigt werden, auch nicht zur Förderung des Übergangs von Kupfer- zu Glasfaser-Zugangsnetzen mittels kostenbasierter Zugangsregulierung. Der Irrweg einer Vermischung von Marktmachtregulierung mit Technologiepolitik sollte vermieden werden, um die marktbasierte Netzevolutorik nicht zu verzerren. Solange Zugangsnetze den Charakter eines monopolistischen Bottlenecks besitzen, und weder aktiver noch potenzieller Wettbewerb vorherrscht, sollte die regulatorische Aufgabe vielmehr darin bestehen mittels einer Anreizregulierung die netzspezifische Marktmacht zu disziplinieren, anstatt Regulierung auf der Basis analytischer Kostenmodelle durchzuführen (Knieps, Zenhäusern, 2015, S. 344-350).

Preis- und Qualitätsdifferenzierung beim Datentransport

Eine grundlegende Charakteristik von All-IP Netzen ist die Entkopplung von Anwendungsdiensten und dem Datentransport. Das IP ist ein verbindungsloses Übertragungsprotokoll ohne End-zu-End Garantie einer zuverlässigen Übertragung. Ausgehend von der Basislogistik, dass der Transport sämtlicher Datenpakete mittels des IP-Protokolls abgewickelt wird, stellt sich die Frage nach der komplementären Ausgestaltung des Verkehrsmanagements. Während traditionell das Transmission Control Protocol (TCP/IP) eine durchschnittliche Datenübertragungsqualität bereitstellt, das sämtliche Datenpakete gleich behandelt, ergibt sich zunehmend ein Bedarf nach einer Qualitätsdifferenzierung beim Datenpakettransport. Abhängig von den betrachteten Anwendungsdiensten können sehr unterschiedliche Anforderungen an unterschiedliche Qualitätsparameter der Datenpaketübertragung gestellt werden. Neben verzögerungstoleranten Datentransfers (z. B. e-mails, file transfers, Video on demand) gibt es auch verschiedene Echtzeitanwendungen mit unterschiedlichen Anforderungen an die Übertragungsqualitäten. Bei mobiler Kommunikation ist die Latenzzeit (latency) maßgebend, bei Voice over IP (VoIP) ist die Varianz der Verzögerung (jitter) von Bedeutung, ferner kann der Umfang des Datenpaketverlusts bei bestimmten Anwendungen von Bedeutung sein. Auch die Bereitstellung von Videokonferenzen und Videospielen erfordert eine verzögerungssensitive und kontinuierliche Datenpaketübertragung. 

Die Anbieter von Datentransport können auf der Basis einer geeigneten QoS-Architektur unterschiedliche deterministischen oder stochastische Qualitätsgarantien in verschiedenen Qualitätsklassen bereitstellen, die zulässige  Datenpaketverlustraten, Latenzzeiten etc. festlegen. Erforderlich ist hierfür die unternehmerische Entscheidung der Betreiber von Internet-Transportnetzen ein aktives Verkehrsmanagement auf der Basis einer geeigneten QoS-Architektur zu implementieren. Die sogenannte Generalized DiffServ Architektur stellt als „Meta-Architektur“ hierfür die grundlegenden Konstruktionsprinzipien bereit, um darauf aufbauende anreizkompatible Preis- und Qualitätsdifferenzierungen in All-IP Transportnetzen umzusetzen (Knieps, 2015, S. 739). Diese offene Menge von flexiblen QoS-Architekturen kann für die Ausgestaltung unterschiedlicher Qualitätsklassen (multipurpose) innerhalb eines All-IP Transportnetzes abhängig von den jeweiligen Anforderungen der unterschiedlichen Anwendungsdienste eingesetzt werden. Lediglich Preisstrategien, die auf den Opportunitätskosten der in Anspruch genommenen Übertragungskapazitäten basieren, können eine anreizkompatible und ökonomisch effiziente Lösung ermöglichen. Sie stellen eine marktbasierte Netzneutralität dar, da die Anbieter von Datentransport keine Anreize besitzen zwischen unterschiedlichen Anwendungsdiensten zu diskriminieren, falls diese die Opportunitätskosten der in Anspruch genommenen Übertragungskapazitäten bezahlen. 

Regulatorische Marktspaltungen basierend auf aktivem Verkehrsmanagement für die Bereitstellung hoher Übertragungsqualitäten (z. B. VoIP, IPTV) und passivem (TCP-basiertem) Internet erweisen sich in All-IP Transportnetzen als instabil. Der Einsatz von TCP/IP mit passivem Verkehrsmanagement ist nicht kompatibel mit der Bereitstellung von aktivem Verkehrsmanagement, das für die Bereitstellung unterschiedlicher Übertragungsqualitäten erforderlich ist (Knieps, 2015, S. 741 f.). Netzneutralitätsregulierungen in Form regulatorischer Marktspaltungen erweisen sich als nicht marktkonform und stellen folglich einen Regulierungsfehler dar. Jede IP-basierte Datenübertragung schöpft aus dem gleichen Ressourcenpool und erfordert letztlich eine Konkurrenz um die Inanspruchnahme der knappen Transportkapazitäten, unabhängig davon, welche Anwendungsdienste sie als Input beliefern. Auch die regulatorische Festlegung einer minimalen Übertragungsqualität widerspricht einer unternehmerischen Wahl der Qualitätsklassen und der damit einhergehenden anreizkompatiblen Preisstrategien. So könnten Nachfrager nach geringen Übertragungsqualitäten bei einer Regulierung der Mindestqualität nicht mehr bedient werden, so dass regulatorisch vorgegebene minimale Transportqualitäten auch zu einem Anstieg der Durchschnittspreise führen würden (Knieps, Stocker, 2015 S.50 f.).

Die Herausforderungen des zukünftigen All-IP Internet

Das Ziel der Schaffung eines vernetzten digitalen Binnenmarktes innerhalb der EU betrifft nicht nur die Telekommunikations- und Medienmärkte. Fortschritte der Informations- und Kommunikationstechnologien führen auch zu einem grundlegenden Wandel in anderen Netz-sektoren, etwa im Energiebereich (Smart grids) oder im Bereich „intelligenter“ Verkehrsinfrastrukturen. Innovative Komplementaritäten zwischen Anwendungsdiensten und QoS Verkehrsmanagement im All-IP Internet führen dazu, dass sich die Innovationen auf der Anwendungsebene und auf der Netzebene wechselseitig beeinflussen. So kann eine Vielzahl von Anwendungsdiensten ohne Zugang zu garantierter Datenübertragungsqualität überhaupt nicht bereitgestellt werden (Knieps, Bauer 2016, S. 41 ff.).

Das Internet der Dinge gewinnt zunehmend an Bedeutung (OECD, 2012, 2015). Wichtige Beispiele finden sich in der Organisation von Microgrids, autonomes Fahren, Low Power Networks für intelligente Städte, energieeffiziente Gebäude, Maschine-zu-Maschine-Vernetzungen und neuen digitalen Anwendungen. So können Parkplätze ihre Belegungen melden und diese ins Verkehrsleitsystem übermitteln, Städte optimieren Sammelrouten nach dem Füllstand von Recylingcontainern, Sensoren im Acker übermitteln die aktuelle Bodenbeschaffenheit etc. Das Internet der Dinge schafft neue Anforderungen für die Datenübertragung. So gewinnen die Echtzeitübertragung sowie eine räumlich differenzierte Datenerhebung zunehmend an Bedeutung. Zudem findet ein Wandel von der traditionellen Sender-Empfänger-Perspektive der TCP/IP-basierten Datenpaketübertragung hin zu Inhaltsrelevanz (z. B. Cloud computing) und dynamischen Veränderungen des Gerätezustands statt. Die zukünftige Entwicklung des Internets der Dinge hängt entscheidend von den QoS Anforderungen ab, die Sensornetze, autonomes Fahren etc. benötigen, um auch zeitkritisches Staumanagement in mobilen Netzen zu ermöglichen. Diese Anforderungen können im TCP/IP Internet nicht erfüllt werden (ITU-T, 2015).

Inzwischen sind unter dem Schlagwort „Future Networks /FN“ verschiedene Netzkonzepte entwickelt worden, die alle vom TCP/IP Übertragungsprotokoll fundamental abweichen. Entsprechende Innovationen können als Virtualisierungskonzepte charakterisiert werden, die dazu dienen heterogene Übertragungsanforderungen auf der Basis einer gemeinsamen physischen Infrastruktur bereitzustellen (ITU-T, 2011, ISO/IEC, 2012). Das Konzept der Virtualisierung wird zunehmend bedeutsam in QoS-differenzierten All-IP Netzen. Beispiele hierfür sind virtuelle Bandbreitenseparierung, Priorisierung zwischen unterschiedlichen virtuellen Kanälen sowie deren Verknüpfung mit eigenständiger Netzlogistik innerhalb virtueller Netze. Der Fokus liegt auf der technischen Seite des Netzdesigns welche wertvolle Einsichten in die Durchführbarkeit von QoS hervorbringt. Aus Sicht der Netzökonomie stellt sich die Herausforderung ökonomische Mechanismen zu entwickeln, die es erlauben Potenziale einer QoS Differenzierung anreizkompatibel in einer All-IP-basierten QoS Datenpakettransport Architektur umfassend auszuschöpfen.

Die Anforderungen an das zukünftige All-IP Internet haben sich inzwischen in verschiedenen Weiterentwicklungen des IP durch die Internet Engineering Task Force (IETF) niedergeschlagen. Hierzu zählt die Erweiterung des Adressenraums beim Übergang von IPv4 nach IPv6, sowie die Berücksichtigung der Mobilitätsanforderungen durch Entwicklung eines Locator/ID Separation Protocol mit dem Ziel die IP Adressen in zwei separate Nummerierungsräume aufzuteilen, so dass bei mobilen Objekten der räumlich häufig wechselnde geographische Standort und die fixe Nutzeridentität getrennt organisiert werden können (Farinacci et al. 2013). Während die Evolution von pfadabhängigen Standardsetzungsprozessen innerhalb von Standardkomitees realisierbar ist, müssen die Investitionen in Netzkapazitäten abhängig von den Opportunitätskosten der Netznutzung durch unternehmerische Entscheidungen seitens der Anbieter getroffen werden. Dies gilt insbesondere auch für das Ausmaß des Bandweitenkonsums von virtuellen Netzen aus der Perspektive der rivalisierenden Inanspruchnahme von All-IP Infrastrukturkapazitäten.

Abhängig von den gewünschten Anwendungsdiensten kann jeder Anbieter eines virtuellen Netzes die geeignete virtuelle Netzarchitektur aufbauen. Ziel der ökonomischen Analyse ist die Charakterisierung der Opportunitätskosten von virtuellen Netzen, abhängig von den benötigten All-IP Infrastrukturkapazitäten. Um die Vielfalt von heterogenen Transportanforderungen basierend auf dem All-IP Breitbandinfrastrukturen anzugehen, erweist sich die Konzeption der Generalized DiffServ Architektur als geeignet,  auf deren Basis netzökonomisch fundierte Preis- und Qualitätsdifferenzierungsstrategien entwickelt werden können (Knieps, 2015). Dadurch wird es möglich das zugrundeliegende Ressourcenallokationsproblem in virtuellen Netzen zu analysieren und auf diesem Wege ökonomische Prioritäten zwischen unterschiedlichen virtuellen Netzen herzuleiten. QoS differenzierte Preisbildung basiert auf den Opportunitätskosten der Transportkapazitäten, die für die Bereitstellung unterschiedlicher virtueller Netze erforderlich sind. Hieraus ergibt sich zudem eine Arbeitsteilung zwischen intra-virtuellen Netzkapazitätsallokationen und dem gesamten Bandweitenkonsum eines virtuellen Netzes, der wiederum auf verfügbaren Ressourcen der All-IP Infrastruktur basiert. 

Farinacci, D., Fuller, V., Meyer, D., Lewis, D. (2013), The Locator/ID Separation Protocol (LISP), RFC 6830

ITU-T (2011), Future networks: Objectives and design goals, Recommendation ITU-T Y. 3001

ISO/IEC (2012), Information technology – Future Network – Problem statement and requirements – Part 1: Overall aspects (Technical Report), TR 29181-1

ITU-T (2015), Functional framework and capabilities of the Internet of things, Recommendation ITU-T Y.2068

Knieps, G. (2015), Entrepreneurial traffic management and the Internet Engineering Task Force, Journal of Competition Law & Economics, 11 (3), 727–45

Knieps, G, Bauer, J.M. (2016), The industrial organization of the Internet, erscheint in: J.M. Bauer, M. Latzer (Eds.): Handbook on the Economics of the Internet, Edward Elgar, Cheltenham et al., 2016, chapter 2

Knieps, G., Stocker, V. (2015), Network neutrality regulation: The fallacies of regulatory market splits, Intereconomics, 50 (1) 46–51.

Knieps, G., Zenhäusern, P. (2015), Broadband network evolution and path dependency, Competition and Regulation in Network Industries, 16 (4), 335-53.

OECD (2012) “Machine-to-Machine Communications: Connecting Billions of Devices”, OECD Digital Economy Papers, No. 230, OECD Publishing,

OECD/ITF (2015), Automated and Autonomous Driving – Regulation under uncertainty, International Transport Forum/Corporate Partnership Board Report

©KOF ETH Zürich, 13. Apr. 2016