Performance Konzepte

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1 Performance Konzepte

2 Inhalt 1 Vorwort 2 Begriffsklärung Datenübertragungsrate, Jitter, Latenz, RTT 3 Softwarearchitektur und Protokolle TCP, UDP, ToS und QoS Anwendungsbeispiele Hardwarearchitektur Redundanz, Clustering und Ausfallsicherheit Port Trunking Skalierbarkeit und Flexibilität 4 4/ Fazit 10 Quellen 11

3 Vorwort Warum beschäftigt man sich mit Netzwerkperfomance? Was macht die Performance eines Netzwerkes aus? In einer Zeit wo die zu übertragen Datenmengen immer weiter wachsen, Multimediaanwendungen eine große Rolle spielen, Echtzeitanwendungen eine schnelle Reaktion/Aktion erfordern und ein Ausfall kritischer Systeme nicht hinnehmbar ist, ist es wichtig zu wissen wo der Schwachpunkt der Kommunikation ist und wie man diesen beseitigen kann. Es ist klar das Performance nicht an einem Kritikpunkt festgemacht werden kann, sondern das sie anwendungsbezogen/problembezogen ist. Ein Spieler von OnlineSpielen, die in Echtzeit ablaufen, wo wenige Millisekunden über den Sieg einer Meisterschaft entscheiden, wird größeren Wert auf geringe Latenzzeiten legen, als auf Datendurchsatz der bei der Übertragung von großen Datenmengen entscheidend sein kann. Es gilt also, am besten bei der Planung eines Netzwerkes zu analysieren welche Aufgaben in diesem erfüllt werden sollen, welche Komponenten dabei besonders wichtig sind und ob diese kritischen Systeme, vielleicht gesondert behandelt und in redundanter Ausführung eingesetzt werden sollten. Einige Ansätze zur Analyse, Performancekriterien und mögliche Lösungen sollen hier aufgezeigt werden.

4 Begriffsklärung Datenübertragungsrate Die Datenübertragungsrate bezeichnet die Datenmenge, die innerhalb einer Zeiteinheit übertragen wird. Latenz Latenz ist die Laufzeit der Nutzdaten zwischen Sender und Empfänger über ein Übertragungsmedium. Latenzzeit ist somit der Zeitraum zwischen einer Aktion und dem Eintreten einer Reaktion. Jitter Jitter ist die Varianz der Latenzzeit von Datenpaketen. RTT Die Round Trip Time (RTT - Umlaufzeit) gibt die Zeit an, die ein Datenpaket (Datagramm) in einem Rechnernetz benötigt, von der Quelle zum Ziel und zurück. Es handelt sich also um die Summe aus Laufzeit von Punkt A nach Punkt B und der Laufzeit von Punkt B nach Punkt A. Softwarearchitektur und Netzwerkprotokolle Zur Beurteilung der Performance eines Netzwerkes oder eines Dienstes, ist es notwendig die Eigenschaften der verwendeten Protokolle zu betrachten und die sich daraus ergebenden Vor- und Nachteile. Möchte man erreichen das die Daten korrekt und verlustfrei übertragen werden bietet sich der Einsatz von TCP an, da es über eine Sicherungsschicht verfügt die dafür sorgt, das verloren gegangene Pakete nochmal einmal gesendet werden und der korrekte Erhalt eines Datenpaketes bestätigt wird. Da jedes Paket bestätigt werden muss, führt der Einsatz von TCP beim übertragen großer Datenmengen zu einer weiteren Auslastung des Netzwerkes auf Grund der anfallenden Bestätigungspakete. UDP ist ein Verbindungsloses Protokoll und kümmert sich nicht weiter darum ob ein Pakete zum Empfänger übertragen wurde oder nicht, das muss die verwendete Anwendung selbst regeln. Desweiteren sind die Paketgrößen meist relativ klein, damit wird eine schnellere Verarbeitung bei der Übertragung zwischen aktiven Komponenten (Router, Gateways...) erreicht, was besonders bei Streaming-Anwendungen wichtig ist, da hier eine geringe Schwankung der Latenz gewünscht ist, damit das Arbeiten mit der

5 Anwendung flüssig erscheint und nicht abgehackt wirkt. Type of Service Type of Service ist ein Feld im IP-Header, welches die Übertragung des Paketes beeinflussen kann. Es besteht aus 8-Bit wobei die Bits 0-2 zur Vorrangssteuerung dienen. Bei gesetzten Bit 3 wird um minimale Verzögerung, bei Bit 4 um hohen Durchsatz und bei Bit 5 um Maximierung der Zuverlässigkeit, gebeten. Die Bits 6-7 sind/waren für zukünftige Anwendungen reserviert. Aktive Komponenten wie Router oder Gateways werten das TOS-Feld des IP-Headers aus und behandeln das Paket entsprechend seiner Markierung. Bei der Verwendung des TOS-Feldes ist darauf zu achten das immer nur eine Eigenschaft gewählt ist, Kombinationen sind nicht möglich.

6 Abbildung 1: (Quelle: unbekannt) Quality of Service Bei Quality of Service wird versucht, durch Parametrisierung von Protokollen das Übertragungsverhalten, für bestimmte Dienste, zu beeinflussen. Dabei werden anstehende Datenflüsse/ströme bei allen aktiven Netzwerkkomponenten (Router etc.) angemeldet und die benötigte Bandbreite reserviert. Zur Beeinflussung der Dienstgüte werden alle Datenpakete, nach festgelegten Kriterien, markiert und entsprechend ihrer Markierung von aktiven Netzwerkkomponenten behandeln/bevorzugen. Wie wird Performance bei verschiedenen Anwendungen wahrgenommen, beziehungsweise was macht bei diesen Performance aus? Auf Anwendungsebene ist Performance eher etwas subjektives, jeder

7 versteht unter Performance etwas anderes, so ist es bei Datentransferanwendungen wie HTTP,FTP,SMTP mit einem kurzzeitig hohem Durchsatz zu rechnen, die Umlaufverzögerung spielt dabei keine große Rolle, wichtig ist das die Datenübertragungsraten hoch sind und nicht wie lange die Pakete vom Sender zum Empfänger brauchen. Der Nutzer möchte das er schnell mit den angeforderten Daten arbeiten kann. IP-Telefonie und Medienströme, zum Beispiel G.711, G.723, G.726, G.729, verwenden verhältnismäßig geringe Datenraten und die Performance steigt bei geringer Einwegverzögerungen und sehr geringe Jitter. Durch die Verwendung von geringen Paketlängen wird erreicht, das die Pakete an sich, schneller Verarbeitet werden können, manche Internet Service Provider konfigurieren ihre Gateways so das kleine Datenpakete vorrangig weitergeleitet werden. Immer häufiger kommen auch Videokonferenzen zum Einsatz, die dabei verwendeten Codecs wie G.261, G.263, MPEG2, MPEG4, erfordern hohe Datenraten, mit geringer Einwegverzögerungen, bei sehr geringem Jitter, in diesem Fall ist also eine hohe Übertragungsrate bei geringer Latenz, Performance fördernd. Bei Netzspiele wie Quake3 oder Half-Life kommen proprietäre Protokolle zum Einsatz, beim Spielen auf sehr hohem Niveau, in Ligen oder bei Turnieren, ist es den Spielern wichtig das sie sehr geringe Umlaufverzögerungen haben und das keine Paketverluste auftreten. Diese Kriterien für Performance, werden durch kleine Datenpakete und den Einsatz von guter Netzwerktechnik erreicht. Hardwarearchitektur Was bei dieser Art von Diensten eine eher untergeordnete Rolle spielt ist die Ausfallsicherheit, aber schon in mittelständischen Firmen kann der Ausfall von Kernsystemen, wie , File- oder Datenbankservern dazu führen, dass dass Unternehmen eine gewisse Zeit arbeitsunfähig ist. Sind solche kritischen Systeme im Netzwerk vorhanden und ein Ausfall dieser nicht akzeptabel, sollte man bei der Planung des Systems über eine Redundanz nachdenken, da Performance auch an der Verfügbarkeit der Dienste festgemacht werden kann.

8 Abbildung 2: Quelle: Ein weiteres Ziel, oder eine weitere Möglichkeit von redundanten Systemen (Clustern), neben der Ausfallsicherheit, ist die Lastverteilung der Anfragen auf die einzelnen Systeme (Knoten) des Clusters. Der Client stellt seine Anfragen an einen Dienst den der Cluster anbietet, ein Überwachungsprogramm (Loadbalancer) nimmt diese Anfrage entgegen und leitet sie an den am wenigsten belasteten Knoten weiter, der die weiter Kommunikation mit dem Client führt. Ein weiterer Vorteil von Clustern ist die Idee, Anfragen nicht von einem Knoten bearbeiten zu lassen, sondern das alle Knoten gemeinsam die Anfrage bearbeiten. Diese Form der Verarbeitung wird häufig bei besonders rechenintensiven Simulationsprogrammen angewendet und als High Performance Computing bezeichnet.

9 Abbildung 3: Quelle: Bei der Anbindung von Server, an das Netzwerk wird meist nicht nur auf eine Netzwerkverbindung vertraut, sondern die parallele Verwendung von mehrerer Netzwerkkabel und Ports, so dass beim Ausfall eines Netzwerksegements oder Switch, der Server immer noch über die anderen Verbindungen erreichbar ist. Die ultimative Lösung zur Ausfallsicherheit gibt es im Grunde nicht, aber man kann viel dafür tun, die beste Lösung ist die Schaffung von räumlich getrennter Redundanz, damit auch bei längerem Stromausfall in einem Gebäude die Dienste erreichbar bleiben. Die Skalierbarkeit eines Netzwerkes sollte man auch nicht außer Acht lassen, überlastet Switches oder Internetleitungen, beeinträchtigen die Performance sehr stark und eine einfache Erweiterung sollte fast immer möglich sein, damit Engpässe schnell beseitigt werden können und die Möglichkeit zur

10 Anpassung des Netzes an sich ändernde Bedürfnisse erhalten bleibt. Abbildung 4: Quelle: Die mit am stärksten frequentierten Systeme, sind wahrscheinlich die Fileserver, für ihre Anbindung an das Netzwerk bietet sich das Port-Trunking an. Dabei werden 2 oder mehr physischen Netzwerkschnittstellen zu einer logischen zusammengefasst, um Systeme die große Datenmengen zur Verfügung stellen, eine größere verfügbare Datenübertragungsrate zu erzielen. Eine solche Bündlung von physischen Leitungen ist nicht nur zwischen Switch und Server möglich, sondern auch von Switch zu Switch. Diese Verfahren wurde als IEEE 802.3ad Standard formuliert und legt fest das nur Vollduplexverbindungen mit gleicher Übertragungsgeschwindigkeit zu einem Verbund zusammengeschlossen werden können, dabei kommt das Link Aggregation Control Protocol (LACP) zum Einsatz und regelt die Lastverteilung auf die physischen Leitungen.

11 Fazit Ein generelles Performance Konzept gibt es nicht, es ist immer eine Analyse des Anwendungsbereiches und der zukünftigen Ansprüche notwendig. Die Anbindung der Clients an das Netzwerk ist dabei genau so wichtig wie die Anbindung der Server. Der Einsatz von Quality of Service und Type of Service lohnt sich nur, wenn die verwendeten aktiven Komponenten des Netzwerkes die Klassifizierung der Pakete berücksichtigt. Des weiteren sollte die Analyse ergeben, wo sich mögliche Schwachstellen befinden oder entwickeln könnten, somit ist schon frühzeitig eine Anpassung der Netzwerkstrukturen umsetzbar, bevor es zu Ausfällen oder Beeinträchtigungen der Nutzer kommt. Der Einsatz von redundanten Servern bei besonders kritische Systeme wie oder Fileserver bedeutet zwar doppelte Kosten, doch der Gewinn im Falle eines Ausfalls ist ungemein höher, denn ein modernes IT-Unternehmen kann sich einen solchen Ausfall nicht leisten.

12 Quellen Daniel J. Barrett, Richerd E. Silverman und Robert G. Byrnes, Linux-Sicherheitskochbuch, O Reilly, ISBN: Gregor N. Purdy Linux iptables kurz und gut, O Reilly, ISBN: Wikipedia The TCP/IP Guide - Network Performance Issues and Concepts m Dipl.-Ing. Eduard Siemens Dissertation: Verteiltes Messen der Dienstgüte und NetzwerkPerformance in IP-Netzen, 2005, Universität Hannover TK-Fachbegriffe