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Verzögerung und Verlust in paketvermittelten NetzenDie Qualität, die ein Kommunikationssystem anbieten kann,bezeichnet man als Dienstgüte (engl.: Quality of Service, QoS).Qualitätsparameter sind hier:
- Latenzzeit [s]
Dies ist die Zeit, die eine leere Nachricht, d.h. eine Nachrichtohne Nutzinformation, vom Sendeprozeß durch die Kommunikationsschichtenund das Netzwerk bis zum Empfangsprozeß braucht.
- Datentransferrate [bit/s]
Darunter versteht man die Anzahl der Bits, die maximal zwischenzwei Prozessen pro Sekunde übertragen werden kann.
- Nachrichtentransferzeit [s]
Die Nachrichtentransferzeit errechnet sich aus(Latenzzeit + Nachrichtenlänge/Datentransferrate).
- Durchsatz [bit/s]
Anzahl übertragener Bits pro Sekunde über eine gewisse zeitlicheDauer. Hier werden alle Prozeßkommunikationen zusammengefaßtbetrachtet.
- Bandbreite [bit/s]
Die physikalische obere Schranke des Durchsatzes, d.h. dasGesamtvolumen, das durch ein Netzwerk potentiell übertragenwerden kann.
Bei der Übertragung kontinuierlicher Medien sind noch weitere spezielleQualitätsparameter relevant:
Netze kann man nach ihrer Ausdehnung in drei Kategorien einteilen.
Je weiter ein Netz reicht, desto geringer wird in der Regel dessen
Datentransferrate. Dagegen nimmt die Fehlerhäufigkeit und Latenzzeit zu.
- Verzögerung [s]
Das ist die Zeit, die zwischen dem Abschicken und der Ankunft
einer Nachricht verstreicht.
- Jitter [s]
Variiert die Verzögerung einer Übertragung, so nennt man die
Varianz der Verzögerung das Jitter.
Verzögerungszeit in paketvermittelten Netzwerken
Ein Paket erfährt eine Verzögerung auf dem Weg von einem Ende zum anderen.
Es gibt insgesamt vier Quellen für die Verzögerung bei jedem Knoten:
Verarbeitungsverzögerung [einige Mikrosekunden]:
- Überprüfen von Bitfehlern
- Bestimmen der Übertragungsverbindung
- Weiterleiten zur Warteschlange im Router
Warteschlangenverzögerung [Mikrosekunden ... einige Millisekunden]:
- Wartezeit bei der Ausgangverbindung auf die Übertragungsleitung
- Abhängig von der "Verstopfung" beim Router, d. h. wieviele Pakete bereits
in der Warteschlange stehen
- Die W. von einem Paket zum nächsten kann stark variieren
Übertragungsverzögerung [< einige Mikrosekunden]:
- Auch als "Store-and-Forward-Verzögerung" bezeichnet
- Übliches Verfahren: "first come - first served"
- R = Verbindungsbandbreite [bit/s]
- L = Paketlänge [bit]
- Benötigte Zeit für die Übertragung auf die Verbindung = L/R
Ausbreitungsverzögerung [ms]:
- d = Länge der physikalischen Verbindung zwischen zwei Knoten
- s = Ausbreitungsgeschwindigkeit im Medium
(2*108 ... 3*108 m/s)
- Ausbreitungsverzögerung = d/s
Unterschied zwischen Übertragungs- und Ausbreitungsverzögerung
Die Übertragungsverzögerung ist die Zeit, die ein Router benötigt, um ein
Paket abzuschicken. Sie hängt ab von Paketlänge und Übertragungsrate der
Verbindungsleitung - hat aber nichts mit der Länge der Leitung zu tun.
Die Ausbreitungsverzögerung ist die Zeit, die ein Bit von einem Router
zum nächsten braucht.
Die Gesamtverzögerung eines Knotens kann dann definiert wwerden als:
dnodal = dproc + dqueue +
dtrans + dprop
Wobei
dproc die Verarbeitungssverzögerung,
dqueue die Warteschlangenverzögerung,
dtrans die Übertragungsverzögerung und
dprop die Ausbreitungsverzögerung
darstellt. Der Anteil dieser Verzögerungskomponenten schwankt
beträchstlich. So kann dprop innerhalb eines Campus
wenige Mikrosekunden betragen, bei einem Satellitenlink dagegen
einige huntert Millisekunden. Ebenso kann dtrans bei
einem 100-MBit-Netz minimal sein, aber bei einer Modemverbindung
durchaus heftig zu Buche schlagen.
Warteschlangenverzögerung
Die interessanteste, aber auch komplizierteste Komponente der
Knotenverzögerung ist die Warteschlangenverzögerung. Sie ist bei
Computernetzen so wichtig, daß es hunderte von Artikeln und
zahlreiche Bücher darüber gibt. Hier wird das Thema nur gestreift.
Im Gegensatz zu den restlichen drei Verzögerungen kann diese
Verzögerung von Paket zu Paket schwanken. Kommen beispielsweise
gleichzeitig 10 Pakete an einer leeren Warteschlange an, hat das
erste Paket überhaupt keine Wartezeit, wogegen das letzte relativ
lange warten muß. Für die Charakterisierung der
Warteschleifenverzögerung muß man deshalb statistische Maßzahlen
verwenden, z. B.
Oft ist der Verkehr auf der Verbindung auch nicht kontinuierlich, sondern
die Datenpakete kommen periodisch oder in Bursts. Wir definieren für die
folgenden Betrachtungen die Werte
- die durchschnittliche Warteschlangenverzögerung
- die Abweichung von der durchschnittlichen Warteschlangenverzögerung
- die Wahrscheinlichkeit, dass die Verzögerung einen vorgegebenen
Grenzwert übersteigt
Die durchschnittliche Rate, in der die Bits an der Warteschlange ankommen,
beträgt demnach L*a Bit/s. Weiter nehmen wir an, die Warteschlange
könne eine beliebige Anzahl von Bits speichern. Der Quotient (L*a)/R
wird dann oft als "Verkehrsintensität" bezeichnet. Sie spielt bei
der Abschätzung der Warteschlangenverzögerung eine wichtige Rolle. Wenn
nämlich L*a/R > 1 ist, übersteigt die durchschnittliche Rate der ankommenden
Bits die durchschnittliche Rate der abgehenden Bits und die Warteschlange
wächst über alle Grenzen. Die Warteschlangenverzögerung geht gegen unendlich.
- R: Verbindungsbandbreite [bit/s]
- L: Paketlänge [bit]
- a: durchschnittliche Paketempfangsrate [Pakete/s]
Daher gilt:
- La/R ~ 0: mittlere Verzögerung durch Warteschlange klein
- La/R 1: Verzögerungen werden größer
- La/R > 1: mehr Daten kommen an, als verarbeitet werden
können, mittlere Verzögerung wird unendlich!
Das Übertragungssystem ist so zu entwerfen, daß die
Verkehrsintensität immer kleiner als 1 ist.
Betrachten wir nun den anderen Fall L*a/R <= 1: Hier wirkt sich die Art
des ankommenden Verkehrs auf die Verzögerung aus. Kommen die Pakete periodisch,
z. B. ein Paket alle L/R Sekunden, trifft jedes Paket auf eine leere Warteschlange
und es entsteht keine Wartezeit. Kommen N Pakete gleichzeitig (z. B. alle
(L/R)*N Sekunden), entsteht für das erste Paket keine Verzögerung, das zweite
muß L/R Sekunden warten und das n-te Paket hat eine Wartezeit von
(n - 1)*(L/R) Sekunden.
Normalerweise kommen die Pakete aber nicht periodisch, sondern zufällig an
einer Warteschlange an. Meist reicht der einfache Ansatz der Größe L*a/R
nicht aus, um die reale Situation zu beschreiben. Sie liefert aber nach wie
vor einen groben Ansatz. Es git auch weiterhin der oben abgebildete Ansatz,
daß bei einer Verkehrsintensität nahe 0 keine Warteschalngenverzögerung entsteht.
Geht dagegen ihr Wert gegen 1 wächst die Wartezeit rasch stark an. Bei einer
Verkehrsintensität nahe 1 führen Bursts zum starken Füllen der Warteschlange.
Paketverlust
Natürlich ist eine Warteschlange mit unendlich vielen Plätzen nicht realisisch.
In Wirklichkeit ist die Kapazität einer Warteschlange begrenzt. Steigt die
durchschnittliche Gesamtlast, laufen die in ihrer Größe begrenzten Warteschlangen
über. Dies führt dann zu Paketverlusten, denn bei voller Warteschlange verwirft der
Router das Paket. Geht man davon aus, daß die Pakete so zuverlässig über die
Leitungen transportiert werden, daß sie praktisch nie durch fehlerhafte Übertragung
verloren gehen, so kann man einen Paketverlust als Überlauf einer Warteschlange im
Netz interpretieren. Häufig geht bei einer solchen Überlast nicht nur ein
einzelnes Paket verloren, sondern eine ganze Reihe von Paketen. Der Anteil verlorener
Pakete erhöht sich mit zunehmender Verkehrsintensität. Deshalb mißt man
die Performance eines Knotens oft nicht in Bezug auf die Verzögerung, sondern
in Bezug auf die Wahrscheinlichkeit von Paketverlusten.
Ende-zu-Ende-Verzögerung
Die oben besprochenen Verzögerungen eines Knotens addieren sich auf dem Weg vom Absender
eines Pakets zum Empfänger. Daher soll abschließend die gesamte Verzögerung zwischen zwei
Punkten im Netz betrachtet werden. Stellen Sie sich vor, daß zwischen beiden Endknoten
Q - 1 Router liegen. Wir nehmen weiter an, daß das Netz nicht überlastet ist, also keine
Warteschlangenverzögerung auftritt. Weiterhin gelte im Quellhost und in jedem Router
eine Verarbeitungsverzögerung von dproc und eine Übertragungsrate von R bit/s.
Die Ausbreitungsverzögerung zwischen Quellhost und erstem Router sowie zwischen den Routern
ist dprop. Dann ergibt sich einen Ende-zu-Ende-Verzögerung von
dend-end = Q*(dproc + dtrans + dprop)
dtrans ist wiederum L/R mit der Paketgröße L. Das ist natürlich eine sehr
idealisierte Annahme. Eine (komplexere) Formel für heterogene Verzögerungen an den
Knoten läßt sich daraus leicht ableiten.