Lehrstuhl für Datenverarbeitung Prof. Dr.-Ing. Dr. E.h. Wolfgang Weber

Transkript

1 Lehrstuhl für Datenverarbeitung Prof. Dr.-Ing. Dr. E.h. Wolfgang Weber Studienarbeit S275 Entwicklung einer Software zur Performance-Bestimmung einer Netzwerkverbindung In einem LAN ist die mögliche Übertragsbandbreite zumeist bekannt. Beim Übergang in ein anderes TCP/IP-basierendes Netzwerk über ein WAN ist dagegen die Übertragsbandbreite der einzelnen Abschnitte nicht ersichtlich. Existierende Programme bieten nur die Möglichkeit die Übertragungsgeschwindigkeit der Gesamtverbindung zu ermitteln. Das Ziel dieser Arbeit ist es nun, die einzelnen Abschnitte zwischen Rechnerknoten in Bezug auf die Übertragungsbandbreite zu bestimmen. Dazu soll das verbindungslose Protokoll ICMP verwendet werden. Für die Aufstellung eines geeigneten Modells sind die verfügbarer Informationen aus gesendeten ICMP-Datagrammen zu verwenden. Mit Hilfe einer zu entwickelnden Testsoftware ist das Modell nun mittels verschiedener Testrouten bekannter Bandbreiten zu überprüfen und gegebenenfalls anzupassen. Eine detaillierter Vergleich der gemessenen Werte ist zur Bestimmung der Performance herzuziehen, um die einzelnen Verbindungen entsprechend ihrer maximalen Übertragungsbandbreite zu kennzeichnen. Eine dem Modell entsprechende Klassifizierung der Bandbreite (Modem, ISDN, 10Mbit, etc.) zwischen den einzelnen Abschnitten einer Verbindung soll mit der Endversion des Testprogrammes in gekürzter Form erfolgen. Die Testsoftware ist mit MS Visual C++ unter MS Windows NT zu realisieren. Hierbei ist zunächst eine Kommandozeilenversion zum Funktionstest und anschließend ein GUI zu programmieren. Alle Entwicklungsschritte sind zudem projektbegleitend zu dokumentieren. (Prof. Dr.-Ing. Wolfgang Weber) Bearbeiter: cand.-ing. Volker Schüppel Matrikel-Nummer: Betreuer: Dipl.-Ing Thomas Droste Bearbeitungszeitraum: WS 1998/99

2 Inhalt Inhalt 1 Einführung Das Internet Protokoll Die Internet-Protokoll-Adressen Subnetze Reservierte Adressen Multicast-Adressen Die Rückkopplungsschleifen-Adresse Die Netzwerknummer Die Broadcast-Adressen Default-Router-Adresse Das Internet Control Message Protocol Die Internet Control Message Protocol-Typen Typ 0,8 - Echo reply und Echo request Typ 3 - Empfänger nicht erreichbar Typ 4 - Aussenderate drosseln Typ 5 - Route ändern Typ 11 Zeitlimit für Datagramm überschritten Typ 12 - Parameter Problem Typ 13,14 Zeitanforderung,Zeitantwort Typ 15,16 - Informationsanforderung Typ 17,18 - Adressmaskenanforderungen Die Netzwerkperformance Die Modelldefinition Variation der Paketgrößen Messung bei mehreren Zwischenknoten Messung bei mehreren Zwischenknoten Allgemeine Hilfsprogramme Das Programm Ping Das Programm Tracert/Traceroute Das Programm Pinger Das Funktionsprinzip des Programmes Pinger Die Ein- und Ausgabeparameter Die Konsolen Version Die graphische Windows Version Der Testlauf

3 Inhalt 7.1 Schnelles Netzwerk Die Ergebnisse Die Konsolenversion Die graphische Benutzungsoberfläche Die Performance-Schwankungen Netzwerk mit Modem Stark belastetes Netzwerk Ausblick Literatur Anhang

4 Kapitel 1 Einführung 1 Einführung Die Beurteilung der Performance einer Netzwerkverbindung ist für manche Anwendungen sehr wichtig. Oft wird die Bandbreite der Netzwerkverbindung zur Netzwerkdiagnose durch den Systemadministrator herangezogen, da hierdurch viele Fehler offengelegt werden können. Während herkömmliche Hilfsprogramme sich lediglich darauf beschränken die Übertragungsgeschwindigkeit der Gesamtverbindung vom Anfangs- bis zum Endpunkt zu ermitteln, ist es Ziel dieser Studienarbeit, ein Programm zu entwickeln (vgl. Abbildung 1-1), welches auch Aufschluß über die jeweiligen Teilsegmente der Verbindung liefert. Abbildung 1-1: Bildschirmansicht des Programmes Pinger Zur Messung der Bandbreite ist ein idealisiertes Netzwerkmodell erstellt worden, wodurch auch bei belastetem Netzwerk das Programm in der Lage ist, die einzelnen Teilsegmente zu klassifizieren. 3

5 Kapitel 2 Das Internet Protokoll 2 Das Internet Protokoll Das Internet Protokoll (IP) stellt die Vermittlungsschicht der TCP/IP- Protokollfamilie dar. Im 7 Schichten ISO 1 -OSI 2 -Modell (vgl. Tabelle 2-1) ist es auf Ebene 3 angeordnet [WAS94]. Schicht Funktion 7 Anwendung 6 Darstellung 5 Kommunikationssteuerung 4 Transport 3 Vermittlung 2 Sicherung 1 Physikalisch Tabelle 2-1: ISO-OSI-Schichtenmodell Die 3. Schicht ist für die Vermittlung, also für die Übertragung zum richtigen Rechner im richtigen Netzwerk, verantwortlich. Das Internet Protokoll ist folglich für die Routenwahl zwischen unterschiedlichen Netzwerken wichtig. Dabei ist zu beachten, daß es ein verbindungsloser Datagramm-Dienst ist. Dies bedeutet, daß zwischen dem Sender und dem Empfänger keine Verbindung aufgebaut wird, bevor Daten übermittelt werden. Vom Sender werden die Daten direkt gesendet. Eine Prüfung, ob der Empfänger empfangsbereit ist, findet nicht statt. Der Empfänger sendet keine Empfangsbestätigung für erhaltene IP-Datagramme, wodurch die Übertragung von IP- Datagrammen unsicher und Datenverlust keinesfalls ausgeschlossen werden können. Übertragungen vom Sender zum Empfänger können auf einer höheren Schicht, wie z.b. der Transportschicht (4. Schicht), überprüft werden. Das Transport Control Protocol (TCP) übernimmt diese Aufgabe. Es baut zwischen dem Sender und dem Empfänger zuerst eine Verbindung auf, über die dann Daten mit einer Empfangsbestätigung ausgetauscht werden. Da es sich beim IP um ein verbindungsloses Protokoll handelt, ist zwischen zwei Kommunikationsknoten keine spezielle Route definiert, welche die IP-Datagramme durchlaufen müssen. Deshalb können die IP-Datagramme zwischen einem Start- und 1 ISO - International Standard Organization 2 OSI - Open System Interconnection 4

6 Kapitel 2 Das Internet Protokoll Zielort unterschiedliche Routen nehmen und demzufolge in falscher Reihenfolge beim Empfänger ankommen. Zu den elementaren Funktionen des Internet Protokolls gehört das Adressieren und Fragmentieren von Datagrammen und die Ermittlung des passenden TOS (type of service) oder Diensttyps. Die anderen Funktionen bzw. Optionen spielen meist eine untergeordnete Bedeutung. Einige Funktionen werden außerdem von heutigen Implementierungen nicht mehr unterstützt. 2.1 Die Internet-Protokoll-Adressen Dieses Unterkapitel umfaßt einen Überblick der IP-Adressierung. Eine genauere Beschreibung kann in [WAS94] nachgschlagen werden. Jeder Ethernet-Adapter hat eine eindeutige 48-Bit lange Identifizierungsnummer (ID), die MAC 1 -Adresse. Sie wird durch zwölf Hexadezimal-Ziffern dargestellt. Im Gegensatz zu den 48 Bit einer MAC-Adresse, ist die Internet-Protokoll-Adresse 32-Bit lang. Die IP-Adresse ist Teil des Internet-Protokoll-Kopfes. Sie beschreibt die Bindung von einem Host (Rechner) zu einem Netzwerk. Ein Host mit mehr als einer Bindung zu einem oder verschiedenen Netzwerken besitzt auch mehrere IP-Adressen. Ist er ferner in der Lage zwischen diesen Bindungen IP-Datagramme weiterzuleiten, so wird er als IP-Router, Bridge oder Gateway bezeichnet. Die IP-Adressen erfüllen zwei wichtige Aufgaben. Auf der einen Seite identifizieren sie genau eine Bindung, da sie exklusiv vergeben werden müssen. Auf der anderen Seite identifizieren die IP-Adressen das Netzwerk, in dem diese Bindung existiert. Die IP-Adresse besteht aus 4 Bytes bzw. 32 Bit. Um sie leichter lesen zu können, wird sie als 4er Tupel geschrieben, bei dem jede Zahl einen Wert zwischen 0 und 255 annehmen kann. Daraus ergibt sich folgende Darstellung: = Weiterhin ist eine IP-Adresse in zwei logische Teile unterteilt. Zum einen die Netzwerknummer und zum anderen die Hostnummer. Die Netzwerknummer steht im ersten Teil, die Hostnummer im zweiten Teil der IP-Adresse. In Abhängig von der Adressklasse verschieben sich die Grenzen dieser Adressteile (vgl. Abbildung 2-1). 1 MAC - Media Acces Control 5

7 Kapitel 2 Das Internet Protokoll Abbildung 2-1: Netz- und Hostteil der Adressklassen Die drei wichtigsten Adressklassen sind die Klassen A, B und C. Die Klassen D und E stehen nicht zur allgemeinen Verfügung und werden deshalb an dieser Stelle nicht weiter erläutert (vgl. Tabelle 2-2). Klasse Erste Adresse Letzte Adresse A B C D E Tabelle 2-2: Adressbereiche der Adressklassen Die Anzahl der möglichen Netze und Hosts in einem Netz wird durch die Klassifizierung bestimmt (vgl. Tabelle 2-3). Klasse Netze Hosts A B C Tabelle 2-3: Anzahl der möglichen Netze und Hosts der Adressklassen Die IP-Adresse bzw. die Adressklasse wird vom jeweiligen Administrator für einen Host eingestellt. Zu beachten ist jedoch, daß alle Adressen exklusiv vergeben werden müssen. Soll das Internet mit neuen Netzen bereichert werden, so muß auf Adressen zurückgegriffen werden, die sonst noch niemand verwendet. Die Adressen bzw. die Adressklassen für das Internet werden von dem Network Information Center (NIC) eindeutig vergeben. 6

8 Kapitel 2 Das Internet Protokoll 2.2 Subnetze Jedes Klasse A-Netz kann theoretisch bis zu 16 Millionen Hosts beinhalten. Es ist nicht sinnvoll, daß 16 Millionen Hosts über ein einziges Übertragungsmedium miteinander kommunizieren. Die Performance dieses Netzwerkes würde unter allen Hosts aufgeteilt werden und tendiert damit praktisch gegen Null. Eine zusätzliche Unterteilung eines Netzwerkes in Subnetze ist erforderlich. Die Aufteilung in Subnetze wird durch die Angabe der Subnetzmaske erreicht. Sie ermöglicht einem Host festzustellen, ob eine Nachricht an einen anderen Host direkt im eigenen Subnetz gesendet werden kann, oder ob er einen Router benutzen muß. Die Subnetzmaske gibt damit an, ob sich der andere Host im gleichen Subnetz befindet oder nicht. Eine Subnetzmaske hat die gleiche Form wie eine IP-Adresse. Die 32 Bit einer Subnetzmaske sind in 3 Teile unterteilt (vgl. Abbildung 2-2). Der Netzwerk- und der Subnetzteil bestehen aus 1 en, der Hostteil aus 0 en. Netzwerkteil Subnetzteil Hostteil Abbildung 2-2: Aufbau der Subnetzmaske Möchte ein Sender einem Empfänger ein IP-Paket zusenden, so muß zunächst geklärt werden, ob sich der Empfänger im selben Subnetz befindet. Dies ermöglicht die Subnetzmaske mit Hilfe eines Bitvergleiches. Dazu werden die Bits der Sender- und Empfängeradresse verglichen, die in der Subnetzmaske den Wert 1 haben. Stimmen die Bits überein, dann liegen Sender und Empfänger im gleichen Subnetz. Stimmen sie nicht überein, dann muß der Sender seine Nachricht an einen IP-Router senden, der diese dann weiterleitet [STE94]. IP-Adresse IP-Adresse bitweise ausgeschrieben Host A Host B Subnetzmaske Netzwerkteil xxx xxxxxxxx Subnetzteil xxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxx11xxxxxx Hostteil xxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxx Tabelle 2-4: Beispiel In dem Beispiel aus Tabelle 2-4 liegen die beiden Hosts im gleichen Netzwerk, da alle Bits der beiden IP-Adressen übereinstimmen, die im Netzwerkteil der Subnetzmaske 7

9 Kapitel 2 Das Internet Protokoll auf 1 stehen. Die Hosts befinden sich aber nicht im gleichen Subnetz, da die Bits im Subnetzteil der beiden Hosts sich unterscheiden. Daraus folgt, daß der Sender sein IP- Paket zu einem IP-Router senden muß, der dieses weiterleitet. 2.3 Reservierte Adressen Einige Adressbereiche sind für mehrfache Aufgaben und experimentelle Zwecke reserviert und können nicht für Netzwerke vergeben werden [WAS94]. Zudem können nicht alle Adressen einem Host zugeordnet werden Multicast-Adressen Die Klasse D-Adressen (vgl. Tabelle 2-2) sind für Multicasts-Kommunikation reserviert, also Netzwerkübertragungen an mehrere Computer. Sie können deshalb keinem Host als eindeutige IP-Adresse zugeordnet werden Die Rückkopplungsschleifen-Adresse Die Adresse ist als Rückkopplungsschleife (loopback) reserviert. Wenn eine Nachricht an die Adresse geschickt wird, ist immer der eigene Host der Empfänger. Kein Netzwerk ist dem Adressbereich 127.xxx.xxx.xxx zugeordnet, damit können 2 24 (16 Millionen) Adressen nicht zur Adressierung verwendet werden Die Netzwerknummer Die Adressierung eines ganzen Subnetzes über eine einzelne Nummer wird durch die erste IP-Adresse in einem Subnetz durchgeführt, die dafür reserviert ist. Das Netzwerk mit dem Adressraum von z.b bis hat die reservierte Netzwerknummer Das bedeutet, daß die IP-Adresse niemals einem Host als IP-Adresse zugewiesen werden darf Die Broadcast-Adressen Die Broadcast-Adresse wird dazu benutzt Nachrichten an jeden Host eines Subnetzes zu senden. Sie ist immer die letzte Adresse eines Subnetzes und kann mittels der Subnetzmaske und der Netzwerknummer bestimmt werden. Broadcast-Pakete werden an Routern nicht weitergeleitet Default-Router-Adresse Jedes Subnetz besitzt mindestens einen Router, um mit anderen Subnetzen zu kommunizieren. Gemäß Konvention [MIN98] ist die erste Adresse nach der Netzwerknummer die Adresse des Default (Standard)-Routers. Dies ist keine feststehende und unumgängliche Regel, sondern nur eine Konvention. Für einen 8

10 Kapitel 2 Das Internet Protokoll Router kann theoretisch jede andere freie Adresse in einem Netzwerk zugewiesen werden. Wird nicht die Default-Router-Adresse für einen Router benutzt, so muß dies an den Hosts ausdrücklich bekanntgegeben werden. 9

11 Kapitel 3 Das Internet Control Message Protocol 3 Das Internet Control Message Protocol Das ICMP (Internet Control Message Protocol) liefert dem Netzverwalter hilfreiche Diagnoseinformationen über den Netzbetrieb [WAS94][QUI96]. Es werden ICMP- Meldungen bzw. -Fehler generiert, aus denen sinnvolle Aussagen über das jeweilige Netzwerk gemacht werden können. Dazu transportiert das ICMP seine Meldungen in IP-Datagrammen. In den RFCs 1 (Request for comments) für das IP wird beschrieben, daß das ICMP unterstützt werden muß, allerdings gibt es unterschiede zum Umfang dieser Unterstützung. Einige RFCs beschränken sich in der Aussage darauf, daß der Empfang eines ICMP-Datagramms keinen Fehler auslösen sollte. Dadurch sind in einigen IP-Implemtierungen nicht alle Funktionen umgesetzt worden. Das ICMP transportiert seine Meldungen in IP-Datagrammen zwischen den Knoten. Die ICMP-Meldungen werden von den Knoten generiert, die ein Übertragungsproblem entdecken. Auf einer Netzverbindung zwischen einem Anfangs- und einem Endpunkt kann also jeder zwischen geschaltete Knoten eine Fehlermeldung erzeugen. Die Abbildung 3-1 zeigt ein IP-Paket, welches als Nutzdaten ein ICMP-Paket beinhaltet [WAS94]. IP-Protokollkopf IP-Nutzdaten (ICMP-Paket) Abbildung 3-1: Im IP codierte ICMP-Nachricht Das ICMP verwendet die IP-Schicht (vgl. Tabelle 2-1). Trotzdem wird das ICMP nicht als eigene Schicht betrachtet, sondern als eingebettet in die IP-Schicht, da das ICMP nicht notwendigerweise den oberen Schichten Dienste zur Verfügung stellt. Dies ist auch der Grund dafür, weshalb ICMP-Meldungen genauso wie IP-Datagramme verworfen werden können. Die Übertragung von ICMP-Meldungen ist keineswegs als sicher zu betrachten. Diese Meldungen können ohne weiteres an jedem Knoten einer Netzverbindung verworfen werden. Typ Code Prüfsumme Kontextabhängig Kontextabhängig Kontextabhängig Abbildung 3-2: Basisformat einer ICMP-Meldung 1 RFC

12 Kapitel 3 Das Internet Control Message Protocol Die Abbildung 3-2 zeigt das grundsätzliche Format eines jeden ICMP-Paketes. Das Feld Typ bezeichnet die Art der Fehlermeldung, das Feld Code gibt zusätzliche Informationen zum Fehlertyp. Die Prüfsumme wird benötigt, weil das IP an sich die Integrität von Datagrammen nicht sicherstellt. In Tabelle 3-1 werden die einzelnen ICMP-Typen aufgeschlüsselt dargestellt. Typ Bedeutung 0 Echo Reply (Echo Antwort) 3 Destination unreachable (Empfänger nicht erreichbar) 4 Source quench (Aussenderate drosseln) 5 Redirect (Route change) (Route ändern) 8 Echo request (Echoanforderung) 11 Time exeeded for datagram (Zeitlimit für Datagramm überschritten) 12 Parameter problem on datagram (Parameterfehler in Datagramm) 13 Time stamp request (Uhrzeit angeben) 14 Time stamp reply (Uhrzeitangabe) 15 Information request (Anforderung von Informationen) 16 Information reply (Antwort auf Informationsanforderung) 17 Adress mask request (Anforderung von Adressenmaske) 18 Adress mask response (Antwort auf Adressenmaskenanforderung) Tabelle 3-1: ICMP-Typen 3.1 Die Internet Control Message Protocol-Typen Typ 0,8 - Echo reply und Echo request Die Echo-Typen 0 und 8 werden am häufigsten zur Diagnose eines Netzwerkes herangezogen. Schickt der Absender ein Typ 8 Paket an einen Empfänger, so wird dieser mit einem Typ 0 Paket antworten. Das Format der ICMP-Echo-Typen sind in Abbildung 3-3 dargestellt. Typ Code Prüfsumme Bezeichner Sequenznummer Optionale Daten Abbildung 3-3: ICMP-Echo-Typen 11

13 Kapitel 3 Das Internet Control Message Protocol Der Bezeichner kann dazu verwendet werden, diese Datagramme eindeutig zu kennzeichnen. Dort können Sequenznummern abgespeichert werden, um die einzelnen ICMP-Meldungen voneinander zu unterscheiden, falls mehrere ICMP-Meldungen gesendet werden. In Optionale Daten können Nutzdaten enthalten sein, die ein Sender absichtlich in ein ICMP-Typ 8-Paket einbaut. Die Antwort des Empfängers (Typ 0) muß wieder diese Nutzdaten enthalten. Dadurch ergibt sich die Möglichkeit die Menge der Daten zu variieren, die über das Netzwerk gesendet werden. Diese Datenmenge wird später als Paketgröße (vgl. Kapitel 4.2) bezeichnet Typ 3 - Empfänger nicht erreichbar Falls ein Router ein Datagramm nicht weiterleiten kann, so antwortet er mit einem ICMP-Typ 3-Paket, um einen Fehler zu signalisieren (vgl. Abbildung 3-4). Eine genauere Fehleraufschlüsselung ist dann in dem Feld Code zu finden. Die Tabelle 3-2 zeigt die zu den Codewerten gehörigen Bedeutungen. Das Datagramm, welches den Fehler produziert hat, wird in IP-Protokollkopf + 64 Bits großes Datagramm-Präfix angegeben und ist dadurch eindeutig identifiziert. Typ Code Prüfsumme Nicht verwendet (muß 0 sein) IP-Protokollkopf + 64 Bits großes Datagramm-Präfix Optionale Daten Abbildung 3-4: Empfänger nicht erreichbar Die Werte im Feld Code helfen bei der Diagnose, weshalb das Datagramm nicht beim Empfänger angekommen ist. Code Bedeutung 0 Network unreachable (Netz nicht erreichbar) 1 Host unreachable (Host nicht erreichbar) 2 Protocol unreachable (Protokoll nicht erreichbar) 3 Port unreachable (Port nicht erreichbar) 4 Fragmentation needed and the do not fragment bit set (Fragmentierung erforderlich und df-bit gesetzt) 5 Source route failed (Source route nicht gangbar) Tabelle 3-2: Codewerte zu Typ 3 12

14 Kapitel 3 Das Internet Control Message Protocol Typ 4 - Aussenderate drosseln Diese Datagramme haben die gleiche Struktur wie die vom Typ 3 (vgl. Abbildung 3-4). Sie unterscheiden sich lediglich dadurch, daß im Feld Typ eine 4 und im Feld Code ein 0 steht. Die Meldung Aussenderate drosseln wird ausgegeben, wenn ein Router zuwenig Pufferkapazitäten zur Verfügung hat, um die Datagramme zu verarbeiten. Ein Beispiel ist ein Router, der Probleme hat Daten von einem Netz in ein anderes weiterzuleiten, weil er mit der Verarbeitung nicht nachkommt und sein Puffer droht überzulaufen. Dieses kann der jeweilige Host als Warnung interpretieren, die Pakete nicht so schnell hintereinander abzuschicken, da sonst eine Überlastung droht. Sollte der sendende Host jetzt nicht seine Senderate reduzieren, so kann es zu Datenverlust am Router kommen Typ 5 - Route ändern Die Route ändern Meldung wird ausschließlich von Routern erzeugt. Falls ein Router entdeckt, daß ein Paket besser über einen anderen Router geschickt worden wäre, so kann er ein Typ 5 Paket generieren. Er signalisiert dem Absender damit, daß für das Paket ein anderer Router geeigneter gewesen wäre. Damit es nicht zu einem Datenverlust kommt, sendet der Router das Paket selber zum geeigneteren Router. Die IP- Adresse des geeigneteren Routers ist Bestandteil der Meldung Route ändern (vgl. Abbildung 3-5). Typ Code Prüfsumme IP-Adresse des geeigneteren Routers IP-Protokollkopf + 64 Bits langes Datagramm-Präfix... Abbildung 3-5: Route ändern Eine genauere Aufschlüsselung des Fehlers wird mit Hilfe des Feldes Code realisiert (vgl. Tabelle 3-3). Die Erzeugung dieser Pakete deutet auf einen Konfigurationsfehler an den Hosts oder an dem Router hin. Manche Hosts-Implementierungen ignorieren diese Meldung. Dies ist zulässig, aber es sollte klar sein, daß die Performance eines Netzwerks sinkt, wenn viele Typ 5 Pakete generiert werden. 13

15 Kapitel 3 Das Internet Control Message Protocol Code Bedeutung 0 Redirect datagrams to go to that Network (Datagramme an dieses Netz umleiten) 1 Redirect datagrams to go to this host (Datagramme zu diesem Host umleiten) 2 Redirect datagrams for that network with that TOS (Datagramme zu dem TOS in diesem Netz umleiten) 3 Redirect datagrams for that host with that TOS (Datagramme zu dem TOS in diesem Host umleiten) Tabelle 3-3: Codewerte zu Route ändern Typ 11 Zeitlimit für Datagramm überschritten Die Datagramme dieses Typs haben ebenfalls das gleiche Format wie die Datagramme vom Typ 3 (vgl. Abbildung 3-4). Diese Pakete werden von einem Router generiert, wenn der Time to live (TTL)-Wert im IP-Protokollkopf den Wert Null erreicht hat. Dieser Wert ist vorher von jedem Router um Eins erniedrigt worden. Die Anzahl der Router zwischen dem Absender und dem Abfänger ist also größer als der TTL-Wert beim Abschicken am Absender. Dies kann zwei Gründe haben. Es kann sein, daß wirklich die kürzeste Route immer noch zu viele Router enthält oder durch eine Netzstörung das Datagramm eine längere Route nehmen mußte, wodurch die Anzahl der durchlaufenden Router erhöht worden ist Typ 12 - Parameter Problem Diese Meldung wird generiert, falls ein Wert im IP-Protokollkopf nicht verständlich ist. Dies kann bedeuten, daß im Optionsfeld des IP-Protokollkopfes ein falscher Wert eingetragen worden ist, oder ein Fehler in der IP-Implementierung vorliegt. Falls diese Meldung von einem Router gesendet worden ist, so hat er automatisch das ursprüngliche Datagramm verworfen. Es liegt also auf jeden Fall ein Datenverlust vor. Typ Code Prüfsumme Zeiger Nicht verwendet (muß 0 sein) IP-Protokollkopf + 64 Bits langes Datagramm-Präfix... Abbildung 3-6: Parameterfehler 14

16 Kapitel 3 Das Internet Control Message Protocol In Abbildung 3-6 gibt das Feld Zeiger die Position des fehlerhaften Feldes im IP- Protokollkopf an Typ 13,14 Zeitanforderung,Zeitantwort Mit Hilfe dieser Meldungen ist es möglich die Systemuhrzeit eines entfernten Rechners abzufragen. Dazu sendet der anfordernde Host ein Typ 13 Paket und erhält vom Empfänger ein Typ 14 Paket. Typ Code Prüfsumme Bezeichner Sequenz Absendezeit Empfangszeit Rücksendezeit Abbildung 3-7: Zeit-Anforderung/Antwort Einen Überblick über den ICMP-Typ 13 und 14 liefert Abbildung 3-7. Der Absender trägt dazu in das Feld Absendezeit seine Systemzeit ein. Der Empfänger trägt in das Feld Empfangszeit seine Systemzeit ein, die im Augenblick des Empfangs gültig ist. Unmittelbar vor dem Zurücksenden wird in das Feld Rücksendezeit die aktuelle Systemzeit eingetragen. Dieser ICMP-Meldungen werden zur Synchronisation von Systemuhren benutzt Typ 15,16 - Informationsanforderung Diese Meldung wird zur Ermittlung der Netznummer des anfordernden Hostrechners verwendet. Im IP-Protokollkopf werden Adressen mit dem Wert 0 eingesetzt, die für dieses Netz stehen. Der Empfänger setzt die richtigen Adressen ein und schickt das Datagramm zurück an den anfordernden Knoten (vgl. Abbildung 3-8). Typ Code Prüfsumme Bezeichner Sequenz Abbildung 3-8: Information Dieser Mechanismus kann in Systemen mit Wahlverbindungen, die mit Hilfe von SLIP 1 den Verbindungsendknoten die korrekten Netzadressen zuweisen, eingesetzt werden. 1 Serial Line Internet Protocol 15

17 Kapitel 3 Das Internet Control Message Protocol Typ 17,18 - Adressmaskenanforderungen Diese ICMP-Meldungen können in Verbindung mit Subnetzmasken verwendet werden. Sie ermöglichen einem Absender die Subnetzmaske des Empfängers zu erfahren und damit Informationen über den Standort und den Typ des Empfängernetzes zu erhalten. Typ Code Prüfsumme Bezeichner Sequenz Adressenmaske Abbildung 3-9: Adressmaskenanforderung Dazu kann der Absender ein Typ 17 Paket entweder an einen Router oder an eine Broadcast-Anforderung an das jeweilige Netz senden. In der Antwort (Typ 18) wird dann die Subnetzmaske in das Feld Adressenmaske eingetragen (vgl. Abbildung 3-9). 16

18 Kapitel 4 Die Netzwerkperformance 4 Die Netzwerkperformance Die Netzwerkperformance soll durch Messung der Übertragungsgeschwindigkeit zwischen einem Sender und einem Empfänger ermittelt werden. Dabei ist aber nicht nur die gesamte Bandbreite zwischen Start und Ziel zu betrachten, sondern vor allen Dingen die Übertragungsgeschwindigkeit zwischen den einzelnen Übertragungsknoten. Sender Empfänger Abbildung 4-1: Netzwerk In einem Beispielnetzwerk (vgl. Abbildung 4-1) soll die Performance zwischen den verschiedenen Knoten bestimmt und die gesamte Übertragungsgeschwindigkeit zwischen Sender und Empfänger angegeben werden. Da die entwickelte Software (vgl. Kapitel 6) aber lediglich auf dem Sender-System installiert ist, sind die Möglichkeiten zur Bandbreitenbestimmung sehr eingeschränkt. Das Sender-System ist somit der einzige physikalische Ort an dem überhaupt gemessen werden kann. Eine Messung wird durchgeführt, indem ein Paket mit fest definierter Größe zu einem bestimmten Empfänger gesendet und auf die Antwort gewartet wird. Dadurch ist aber leider nur die Performance zwischen einem Empfänger und einem Sender bestimmbar. Über die Zwischenknoten ist keine Aussage möglich. Erschwerend kommt hinzu, daß es in TCP/IP-Netzwerken nicht ersichtlich ist, über welche Knoten die Daten gesendet worden sind. Deshalb besteht die Notwendigkeit eines vereinfachten Modells. 4.1 Die Modelldefinition Um sinnvolle Aussagen über die Bandbreite zwischen den einzelnen Knoten zu machen, sind zunächst Vereinfachungen einzuführen. Eine reale Übertragung läuft in der Form ab, daß die Software des Senders ein Paket sendet und sich die Größe und die Absendezeit merkt. Die Netzwerkkarte des Senders legt das Paket auf das Netzwerkmedium. Auf diesem Netzwerkmedium läuft das Paket zum ersten Knoten. Dieser verarbeitet das Paket, indem er nachschaut, ob das Paket für ihn ist, oder ob es weitergeleitet werden muß. Angenommen, daß Paket muß weitergeleitet werden, so läuft es jetzt auf dem nächsten Teilsegment des Netzwerks zum nächsten Knoten. Dieser verarbeitet dieses Paket und sendet es gegebenenfalls weiter, bis der Empfänger erreicht wird. Ein Antwortpaket wird zum Absender zurück 17

19 Kapitel 4 Die Netzwerkperformance gesendet. Die Übertragung läuft jetzt identisch zum ersten Sendevorgang ab. Angekommen am ursprünglichen Sender, wird das Paket von der Netzwerkkarte zur Software geliefert. Jetzt kann die Software die Empfangszeit bestimmen. Die Probleme werden bei dem obigen Transportweg deutlich. Durch die Messung sind nur die Paketgröße, die Absendezeit und die Empfangszeit bestimmt. Aus den Meßdaten ist nicht ersichtlich, wie lange es dauert bis die Netzwerkkarte des Senders die Daten auf das Netzwerkmedium legt, zudem braucht ein Zwischenknoten eine bestimmte Zeit, um ein Paket weiterzuleiten. Wie lange der Empfänger benötigt, um das Paket zu generieren, welches zurückgeschickt wird, ist ebenfalls nicht ersichtlich. An diesen Stellen wird ein Modell mit folgenden Vereinfachungen aufgestellt: Die Netzwerkkarte des Senders verarbeitet die Daten der Software unendlich schnell. Es ergeben sich dort keine Verzögerungen. Jeder Zwischenknoten verarbeitet die weitergeleiteten Daten unendlich schnell. Beim Weiterleiten geht keine Zeit verloren. In Abbildung 4-2 wird durch des aufgestellten Modells zwischen den Punkten, die als ideal und jene die als nicht ideal gelten unterschieden. Sender Empfänger Abbildung 4-2: Netzwerkmodell An den gestrichelten Stellen wird Zeit benötigt, um das Paket zu verarbeiten bzw. zu übertragen. Alle anderen Stellen werden als ideal angenommen und die Pakete werden dort ohne Zeitverzögerung weitergeleitet bzw. übertragen. Die Gesamtzeit T der Übertragung setzt sich aus der Laufzeit auf den Leitungen T L der einzelnen Netzwerksegmenten und der Antwortzeit des Empfängers T A zusammen (vgl. Gleichung 4-1). n = 2 TL TA TL = TLi i= 1 T + Gleichung 4-1 Der Faktor zwei spiegelt die identische Laufzeit für die Übertragung in beide Richtungen wieder. Die Antwortzeit des Empfängers T A setzt sich aus einem konstanten Teil T AK und einem paketgrößenabhängigen Teil T AP (vgl. Gleichung 4-2). T A =T AK +T AP Gleichung

20 Kapitel 4 Die Netzwerkperformance 4.2 Variation der Paketgrößen Die gesamte Übertragungszeit setzt sich aus mehreren Teilen zusammen. Um diese einzelnen Teile zu bestimmen, sind mehrere Schritte notwendig. Dazu wird zunächst, die kleinste denkbare Übertragungsstrecke betrachtet (vgl. Abbildung 4-3). Sender Empfänger Abbildung 4-3: Netzwerk ohne Zwischenknoten Es treten hier nur zwei Stellen auf, an denen Laufzeit entstehen. Zum einen die Laufzeiten im Netzwerkstranges T L1 und zum anderen die Antwortzeit T A1 des Empfängers. Die Antwortzeit hat einen konstanten Anteil T AK1, der unabhängig von der Paketgröße ist. Die Übertragungszeit auf der Netzwerkleitung T L1 und die Zeit T AP1 sind abhängig von der Paketgröße und steigen mit ihr proportional an (vgl. Abbildung 4-4) Zeit [ms] Paketgröße [Bytes] Abbildung 4-4: Übertragungszeit in Abhängigkeit der Paketgröße Diese Eigenschaften werden durch Variation der Paketgröße ausgenutzt, indem zwei Messungen durchführt werden. Für die erste Messung wird ein Paket mit einer kleinen Paketgröße (P=32 Byte) verwendet. Es ist die minimale Größe, die das ICMP erlaubt. Es wird vereinfacht davon ausgegangen, daß keinerlei Zeit benötigt wird, um das Paket im Netzwerkmedium zu übertragen. Aus Gleichung 4-1 ergibt sich die Gesamtzeit lediglich zur Antwortzeit des Empfängers: mit T L 0 für P=32 Byte, T AP 0 für P=32 Byte T = TAK 19

21 Kapitel 4 Die Netzwerkperformance Als zweite Messung wird ein großes Paket (P>>32Byte) übertragen. Bei großen Paketen sind die Zeitverluste T L und T AP nicht zu vernachlässigen. Die Paketgröße wird so gewählt, daß die Zeitverluste des Netzwerkmediums den Großteil der Gesamtzeit ausmachen. Mit diesen beiden Messungen kann jetzt die Baudrate B R errechnet werden, die sich für dieses Netzwerksegment ergibt. Die Baudrate gibt die reale Übertragungsgeschwindigkeit in Bit/s an (vgl. Gleichung 4-3). B R bit 8 2 P Byte = T TAK Gleichung 4-3 Für die Paketgröße P in Gleichung 4-3 ist die größere der beiden Messungen einzusetzen. Die Bandbreite B R gibt die real gemessene Bandbreite an. Die theoretisch erreichbare Bandbreite B T liegt jedoch meist etwas höher. Grund dafür sind die Verluste T AP, die am Empfängersystem auftreten. Die gemessene reale Bandbreite reicht jedoch aus, um ein Netzwerksegment zu klassifizieren. Anhand einer Tabelle läßt sich B T bestimmen (vgl. Tabelle 4-1). Netzwerkklassen B R B T Modem <28,8 kbit/s 28,8 kbit/s ISDN 28,8 kbit/s bis 64 kbit/s 64 kbit/s 10Mb-LAN 64 kbit/s bis 10 Mbit/s 10 Mbit/s Tabelle 4-1: Netzwerkklassen Aus B T lassen sich mittels Gleichung 4-4 die Zeitverluste T L der Leitung berechnen. Diese werden für spätere Berechnungen benötigt. Die Verluste T AP brauchen nicht berechnet zu werden. Sie sind für spätere Berechnungen uninteressant. T L bit 8 P Byte = BT Gleichung 4-4 Die Tabelle 4-2 zeigt die Meßwerte, die bei einer Beispielmessung in einem Netzwerk ohne Zwischenknoten aufgenommen worden sind. 20

22 Kapitel 4 Die Netzwerkperformance Knoten P [Byte] T [ms] Tabelle 4-2: Beispielmessung Die Bandbreite errechnet sich in diesem Beispiel nach Gleichung 4-3 zu: bit Bytes Byte BR = = 61538bit / s 270ms 10ms Dies entspricht der realen Baudrate einer ISDN-Leitung. Aus Tabelle 4-1 ergibt sich B T =64000 kbit/s. Damit ergibt sich mittels Gleichung 4-4 T L zu: bit Byte TL = = 250ms bit s Messung bei mehreren Zwischenknoten Es wird ein Netzwerk betrachtet (vgl. Abbildung 4-5), welches einen Zwischenknoten besitzt, der die Pakete zwischen Sender und Empfänger weiterleitet. Sender Empfänger L1 1 L2 2 Abbildung 4-5: Netzwerk mit einem Zwischenknoten Der erste Zwischenknoten trägt die Nummer 1, der Empfänger die Nummer 2. Diese Nummern sind gleichbedeutend mit der Anzahl der Sprünge, die notwendig sind den jeweiligen Knoten zu erreichen. Mit L 1 und L 2 sind die Leitungsabschnitte durchnumeriert. Die Baudrate B R zwischen dem Sender und dem Knoten 1 berechnet sich hierbei aus Gleichung 4-3. Um zusätzlich die Bandbreite zwischen Knoten 1 und Knoten 2 zu bestimmen, bedarf es zwei weiterer Messungen. Für jeden zusätzlichen Knoten wird eine Messung mit einem kleinen und mit einem großen Paket benötigt. Die Gesamtzeit T setzt sich nun aus folgenden Anteilen zusammen: T=2 T L1 +2 T L2 +T AK2 +T AP2 Gleichung

23 Kapitel 4 Die Netzwerkperformance Dadurch läßt sich die reale Baudrate B R,1,2 von Leitung L 2 berechnen. Für den Wert P 2 in Gleichung 4-6 muß der Wert des größeren Paketes eingesetzt werden. B R,1 2 = Gleichung 4-6 Ak 2 L1 T bit Byte T P 2T Der dazugehörige theoretische Wert B T,1-2 kann aus Tabelle 4-1 entnommen werden. Damit können mittels Gleichung 4-7 die Zeitverluste auf Leitung L 2 berechnet werden. 8 bit Byte B P 2 TL2 = Gleichung 4-7 T,1 2 In Tabelle 4-3 ist eine Beispielmessung für das in Abbildung 4-5 gezeigte Netzwerk angenommen worden. Knoten P [Byte] T [ms] Tabelle 4-3: Beispielmessung mit einem Zwischenknoten Mit den Werten aus Tabelle 4-3 errechnet sich die Bandbreite B R,1-2 zwischen Knoten 1 und 2 zu: bit Bytes Byte = 840ms 250ms 20ms 28070bit BR, 1 2 = / s Dies entspricht der Bandbreite einer Modemverbindung. Mit Hilfe von Tabelle 4-1 läßt sich die theoretische Bandbreite für Leitung L 2 bestimmen: B T,1,2 = bit/s Die Leitungsverluste T L2 berechnen sich aus Gleichung 4-7 zu: bit Byte TL2 = = 278ms bit s 22

24 Kapitel 4 Die Netzwerkperformance Es ist möglich systematisch die Performance der einzelnen Abschnitte zwischen einem Sender und einem Empfänger zu bestimmen. Für jeden Zwischenknoten sind allerdings zwei Messungen notwendig, um einerseits die Antwortzeit und andererseits Übertragungsgeschwindigkeit bei großen Paketen zu messen. 4.3 Messung bei mehreren Zwischenknoten Allgemein läßt sich die reale Bandbreite des Teilabschnitts zwischen Knoten n-1 und n zu B 8 bit Byte R, n 1, n = n T 1 1 Pn TLi T AKn Gleichung 4-8 angeben. Die Zeitverluste auf den Leitungen ergeben sich entsprechend aus den theoretischen Bandbreiten: T Ln bit 8 Pn Byte = Gleichung 4-9 BT, n 1, n Die Laufzeitverluste T Ln müssen errechnet werden, da sie Gleichung 4-8 zur Bandbreitenberechnung des nächsten Teilabschnitts des Netzwerks benötigt werden. 23

25 Kapitel 5 Allgemeine Hilfsprogramme 5 Allgemeine Hilfsprogramme Das testen einer Netzwerkverbindung ist kein Neuland. Microsoft liefert standardmäßig die Windowsversionen mit den beiden Hilfsprogrammen Ping und Tracert [MIN98]. Diese Programme sind ebenfalls unter anderen Betriebssystemen, wie z.b. Unix (Ping, Traceroute) verfügbar. Da die Funktionsweise dieser Programme prinzipiell ähnlich zu der Software dieser Arbeit sind, werden sie im weiteren kurz vorgestellt. 5.1 Das Programm Ping Der Befehl Ping überprüft Netzwerkverbindungen zu einem oder mehreren Remote- Hosts, indem ICMP-Echopakete an den Host gesendet und Echo-Antwortpakete als Antwort erwartet werden (vgl. Abbildung 5-1). Es werden die ICMP-Pakete vom Typ 0 und vom Typ 8 verwendet. Ping wartet standardmäßig bis zu 1000 ms nach jedem gesendeten Paket und gibt die Anzahl der übertragenen und empfangenen Pakete aus. Jedes empfangene Paket wird mit der übertragenen Nachricht verglichen. Standardmäßig werden vier Echo-Pakete mit je 64 Bytes Daten (eine sich wiederholende Großbuchstabenfolge) übertragen. Darüberhinaus kann mit dem Programm Ping auch der Host-Name und die IP-Adresse eines Hosts getestet werden. Wenn die IP-Adresse bestätigt wird, nicht aber der Host-Name, besteht unter Umständen ein Namensauswertungsproblem. Es liegt dann offensichtlich ein Verbindungsproblem zum Domain-Name-Server vor. Dies kann auf eine fehlerhafte Konfiguration seitens des Hosts, bzw. des Domain-Name-Servers hindeuten. Sender Echo request Echo reply Empfänger Abbildung 5-1: Sendefolge Ping 5.2 Das Programm Tracert/Traceroute Dieses Diagnose-Dienstprogramm ermittelt die Route zu einem Ziel, indem es ICMP- Echopakete mit unterschiedlichen TTL-Werten sendet. Von jedem Router auf dem Pfad wird erwartet, daß er den TTL-Wert für ein Paket vor dem Weiterleiten um mindestens Eins verkleinert. Der TTL-Wert ist kein Zeitzähler, sondern ein Abschnittszähler. Wenn der TTL-Zähler für ein Paket den Wert Null erreicht, sendet der 24

26 Kapitel 5 Allgemeine Hilfsprogramme Router eine ICMP-Zeitüberschreitung-Nachricht (vgl. Kapitel 3.1.5) zur Quelle zurück. Das Programm Tracert/Traceroute ermittelt die Route, indem das erste Echopaket mit dem TTL-Wert Eins gesendet und der TTL-Wert bei jeder folgenden Übertragung um Eins erhöht wird, bis das Ziel antwortet oder der TTL-Höchstwert erreicht worden ist. Die Route wird durch Prüfen der ICMP-Zeitüberschreitung- Nachricht ermittelt, die von den dazwischenliegenden Routern zurückgesendet werden (vgl. Abbildung 5-2). Echo request (TTL=2) Sender Echo request (TTL=1) Empfänger Echo reply Echo reply Abbildung 5-2: Sendfolge Tracert/Traceroute Die Implementierung von ICMP-Funktionen ist leider keinesfalls zwanghaft. In den zugehörigen RFCs wird lediglich festgelegt, daß ICMP-Pakete an einem Router zu keinem Fehler führen dürfen. Die Antwort eines Routers auf ICMP-Echopakete, besonders die Reaktion mit Typ 11 Paketen seitens der Router, hängt von der Protokollimplementierung auf dem entsprechenden Router ab. Deshalb kann der Einsatz von dem Programm Tracert/Traceroute sehr eingeschränkt sein. Im ungünstigsten Fall erhält der Benutzer keinerlei Informationen über die Route zu einem Remote-Host. 25

27 Kapitel 6 Das Programm Pinger 6 Das Programm Pinger Das Programm Pinger realisiert die theoretischen Grundlagen des Geschwindigkeitsmodells aus Kapitel 4. Sinn und Zweck des Programmes ist es, die Performance aller Teilsegmente einer Netzwerkverbindung zu bestimmen und zu klassifizieren. Dazu wird auf die Funktionen des ICMP zurückgegriffen (vgl. Kapitel 3). Das Programm wird in zwei Versionen, als Konsolenversion (vgl. Kapitel 6.3) und als graphische Windowsversion (vgl. Kapitel 6.4) realisiert. Es ist auf allen Win32 Plattformen lauffähig, welche die winsock2-schnittstelle unterstützen. Die beiden Programme sind in C programmiert worden. Für die graphische Oberfläche sind zusätzlich C++-Befehle und die objektorientierte Programmierung verwendet worden. Als Compiler ist ausschließlich Microsoft Visual C verwendet worden, mit dem das Erstellen der graphischen Oberfläche sehr vereinfacht worden ist. 6.1 Das Funktionsprinzip des Programmes Pinger Um die Performance der Teilsegmente einer Netzwerkverbindung zu messen, muß zunächst bestimmt werden, welche Zwischenknoten die Teilsegmente der Netzverbindung bilden. Dazu wird das gleiche Verfahren angewendet, welches das Programm Tracert/Traceroute verwendet (vgl. Kapitel 5.2). Es werden Echo-Anforderungen an den Ziel-Host gesendet. Beginnend mit dem TTL- Wert 1 wird der TTL-Wert schrittweise um Eins erhöht. Die Router an denen der TTL- Wert 0 erreicht, senden ein ICMP-Typ 11 Paket (vgl. Kapitel 3.1.5) an den ursprünglichen Sender zurück (vgl. Struktogramm 3). Dadurch erfährt der Sender die IP- Adresse des nächsten Routers. Das Programm Pinger erstellt eine Liste, in der alle IP- Adressen der Zwischenknoten nacheinander eingetragen werden. Im nächsten Schritt werden an die Zwischenknoten nacheinander Echo-Anforderungen versendet. Es wird auf eine Echo-Antwort gewartet und die Zeit gemessen, die es gedauert hat, bis die Echo Antwort am Sender eingetroffen ist. Dies ist das gleiche Funktionsprinzip, wie es das Programm Ping verwendet (vgl. Kapitel 5.1). Diese Messungen werden mit zwei unterschiedlichen Paketgrößen durchgeführt. Die erste Messung benutzt ein Datenpaket welches eine Länge von lediglich 32 Byte besitzt. Das größere Paket hat eine Länge von 1000 Byte und wird mehrmals hintereinander gesendet. Die Häufigkeit richtet sich nach der Geschwindigkeit des zu testenden Netzwerkes. Die Sendung von 1000 Byte wird so lange wiederholt, bis eine Zeitschranke von 2000 ms überschritten, oder bis insgesamt Byte gesendet worden sind. In langsamen Netzwerken kann die Sendung insgesamt nur 1000 Byte, während in schnellen Netzwerken die Gesamtgröße bis zu Byte betragen 26

28 Kapitel 6 Das Programm Pinger kann. Es wird dadurch versucht den Meßungenauigkeiten entgegen zu steuern, die bei schnellen Netzwerken entstehen. Diese Mehrfachsendungen haben aber Konsequenzen. In der Gesamtzeit von X Sendungen ist die Antwortzeit T AK X-mal enthalten. Die gemessenen Antwortzeiten werden deshalb vom Programm korrigiert, indem die Anzahl X der Einzelpakete berücksichtigt wird. Es entsteht ein Feld von Daten. Jeder Knoten wird 10 mal mit den beiden unterschiedlichen Paketgrößen durchgemessen. Im nächsten Schritt werden die gemessenen Daten ausgewertet. Aus den 10 Messungen, die für jede Paketgröße an jedem Knoten durchgeführt worden sind, wird der beste (die kürzeste Zeit) ausgewählt. Es entsteht damit ein neues Feld von Daten, in dem die schnellsten Antwortzeiten der Zwischenknoten stehen. Es ist davon ausgegangen worden, daß diese Peak-Werte stellvertretend für ein unbelastetes Netzwerk gelten (vgl. Struktogramm 4). Die Bandbreiten der einzelnen Netzwerkabschnitte sind mittels Gleichung 4-8 errechnet worden. 6.2 Die Ein- und Ausgabeparameter Als Eingaben sind nur der Hostname oder die IP-Adresse des Zielhosts erforderlich. Zusätzlich kann der Timeout-Wert optional eingestellt werden. Dieser gibt an, wie lange auf ein Antwortpaket gewartet werden soll, bevor eine neue Echo-Anforderung gesendet wird. Die Voreinstellung beträgt 1000 ms. Der Timeout-Wert kann in einem Wertebereich zwischen 0 ms und 5000 ms eingestellt werden. Als Ausgabe liefert das Programm Pinger die Liste aller Knoten, die sich zwischen Sender und Empfänger befinden. Die gemessene Bandbreite auf den Teilsegmenten wird angegeben und einer Netzwerkklasse zugewiesen Netzwerkklassen Modem ISDN 10Mb-LAN Maximale Baudrate 33,6 kbit/s 64 kbit/s 10 Mbit/s Tabelle 6-1: Netzwerkklassen. Die unterschiedlichen Netzwerkklassen werden nach Tabelle 6-1 zugeordnet. 27

29 Kapitel 6 Das Programm Pinger 6.3 Die Konsolen Version Die Konsolenversion des Programmes ist lauffähig in einem MS-DOS-Fenster auf einem Win32-System. Die Eingabeparameter werden über die Befehlszeile dem Programm mitgeteilt. Die Syntax des Programmaufrufs lautet: Pinger <Zielhost> [Timeout-Wert in ms] Die Ergebnisse werden als einfache Textzeilen nacheinander ausgegeben. Es werden dabei alle Zwischenknoten angegeben, sowie die Baudrate, die zwischen den einzelnen Knoten gemessen worden ist. 6.4 Die graphische Windows Version Bei der Windowsversion handelt es sich um ein Dialogfeld, welches für die nötigen Eingabeparameter Eingabefelder besitzt (vgl. Abbildung 6-1). Abbildung 6-1: Die graphische Windowsversion In das Feld Timeout ist der Wert 1000 voreingestellt. In das Feld Zielhost wird der Name bzw. der IP-Adresse des Zielhosts eingetragen. Dieses Feld ist beim Programmstart leer. Nachdem in das Feld Zielrechner ein Name eingetragen worden ist, wird die Schaltfläche Start aktiv dargestellt. Durch die Schaltfläche Start kann die Messung gestartet werden. Nachdem die Messung gestartet worden ist, wird das Feld 28

30 Kapitel 6 Das Programm Pinger Zielrechner und das Feld Timeout deaktiviert dargestellt. Eine Unterbrechung der Messung ist nicht möglich. Die Ergebnisse werden im Feld Ausgabe angezeigt. Es werden nacheinander die IP- Adressen der Zwischenknoten, die gemessenen Bandbreiten der Netzwerkabschnitte und die Netzwerkklassen ausgegeben. Die Schaltfläche Beenden terminiert das Programm. 29

31 Kapitel 7 Der Testlauf 7 Der Testlauf 7.1 Schnelles Netzwerk Beide Versionen des Programmes Pinger werden anhand eines kleinen Beispielnetzwerkes getestet. Das Netzwerk verläuft zwischen Sender und Empfänger über einen Zwischenknoten. Sender Empfänger Abbildung 7-1: Schnelles Testnetzwerk Die Abbildung 1-1 zeigt den schematischen Aufbau des Testnetzwerkes. Als Zielhost wird bei beiden Programmversionen eingetragen, der Standard- Timeout-Wert von 1000ms wird verwendet Die Ergebnisse Um die internen Berechnungen des Programmes Pinger nachzuvollziehen, werden alle Meßwerte der einzelnen Knoten überprüft. Dazu werden die Debugger-Funktionen des MS Visual C++-Compilers [MIC98] verwendet. Mit diesem Hilfsmittel ist es möglich die internen Speicherwerte zu betrachten. Dadurch können die programminternen Berechnungen verfolgt werden Zeit in ms P=32 P= Messung Nr P=32 Abbildung 7-2: Einzelmessungen von Knoten 1 30

32 Kapitel 7 Der Testlauf Es wird dadurch kein Einfluß auf den eigentlichen Programmablauf genommen, so daß keine Verfälschungen der Meßergebnisse auftreten. Die Abbildung 7-2 zeigt die Meßergebnisse für Knoten 1. Die gemessenen Werte schwanken über die Summe der Messungen nur wenig. Daraus läßt sich schließen, daß im Moment der 10 Messungen des ersten Teilabschnitts der Netzverbindung kaum eine Belastung vorlag. Es läßt sich aus diesen Werten ein absolutes Minimum bestimmen. Bei diesem Wert wird davon ausgegangen, daß er den Fall des absolut unbelasteten Netzwerkes darstellt (vgl. Kapitel 4). Für den Knoten 2 ergeben sich ähnliche Meßergebnisse (vgl. Abbildung 7-3) Zeit in ms P=32 P= Messung Nr. P=32 Abbildung 7-3: Einzelmessungen von Knoten 2 Die besten Werte (kleinsten Zeiten) werden für die weiteren Berechnungen verwendet. Für die Messung sind die Minima (vgl. Tabelle 7-1) zusammengefaßt worden. Knoten T [ms], P=32 Byte T [ms], P= Byte Tabelle 7-1: Minima der Messungen Mittels Gleichung 4-8, Gleichung 4-9 und Tabelle 4-1 lassen sich die Werte B R,n-1,n, B T,n-1,n und T Ln errechnen (vgl. Tabelle 7-2). Leitung B R [bit/s] B T [bit/s] T L [ms] L L Tabelle 7-2: Baudraten und Leitungsverluste 31

33 Kapitel 7 Der Testlauf Zwischen der realen und der theoretischen Bandbreite gibt es deutliche Unterschiede. In Abbildung 7-4 werden die Baudraten B R und B T verglichen Baudrate in bit/s BT BR Leitungsabschnitt Abbildung 7-4: Reale und theoretische Bandbreite Die Konsolenversion Die Abbildung 7-5 den Ablauf des Testlaufs in der Konsolenversion. Es werden die Baudraten auf den beiden Teilsegmenten der Netzwerkverbindung angegeben, die zwischen den Knoten liegen. Abbildung 7-5: Screenshot der Konsolenversion 32

34 Kapitel 7 Der Testlauf Die gemessenen Baudraten liegen zwar deutlich unterhalb der theoretisch möglichen 10 Mbit/s, doch reichen diese Ergebnisse dem Programm aus, um das jeweilige Segment zu klassifizieren. Die realen Werte unterstreichen die Tatsache, daß die theoretische Bandbreite eines Netzwerkes nicht erreicht werden kann, da es an einigen Stellen zu Performance-Verlusten kommt. Dies beeinträchtigt aber keineswegs die Funktionsweise des Programmes Pinger Die graphische Benutzungsoberfläche In Abbildung 7-6 ist der Ablauf des Testes in der Version der graphischen Oberfläche dargestellt. Die gemessenen Werte bestätigen die Ergebnisse aus Kapitel 4. Die minimalen Schwankungen der Performance sind durch unterschiedlich belastete Netzwerke bzw. Knoten zu erklären. Diese Unterschiede, die im Prozentbereich liegen, beeinträchtigen aber nicht die Funktionsweise der Klassifizierung. Abbildung 7-6: Screenshot der Windowsversion Die Performance-Schwankungen In den Testläufen aus Kapitel und treten zwischen den einzelnen Messungen Schwankungen auf. Die Abbildung 7-7 zeigt die Ergebnisse von 10 unabhängigen Testläufen, die nacheinander durchgeführt worden sind. 33

35 Kapitel 7 Der Testlauf Bit/s Segment 1. Segment Testlauf Nr. 2. Segment Abbildung 7-7: 10 Testläufe Die einzelnen Meßwerte schwanken um den Mittelwert. Die Abweichungen der einzelnen Testläufe vom arithmetischen Mittelwert der Messungen sind in Abbildung 7-8 dargestellt. Die maximale Abweichung beträgt weniger als 1%. Daraus folgt, daß die Messungen relativ unbeeinträchtigt von der aktuellen Netzbelastung durchgeführt worden ist. 0,80% 0,60% Abweichung vom Mittelwert 0,40% 0,20% 0,00% -0,20% Segment 2. Segment -0,40% -0,60% Testlauf Nr. Abbildung 7-8: Abweichung vom Mittelwert 34

36 Kapitel 7 Der Testlauf 7.2 Netzwerk mit Modem Das Programm Pinger wird an einem Netzwerk getestet, welches im letzten Teilsegment ein Modem verwendet. Die Teststrecke verläuft zwischen Sender und Empfänger über sechs Zwischenknoten (vgl. Abbildung 7-9). Sender... Modem Abbildung 7-9: Netzwerk mit Modem Empfänger Für diese Testläufe ist ausschließlich die Konsolenversion verwendet worden, welche in insgesamt 10 Testdurchläufen angewendet worden ist. Die Abbildung 7-10 zeigt die gemessenen Bandbreiten der einzelnen Teilabschnitte des Netzwerkes. Dazu ist aus den 10 Testläufen der arithmetische Mittelwert gebildet worden. Da der zweite Knoten in dem Testnetzwerk auf ICMP-Echo-Anforderungen (vgl. Kapitel 3.1.1) nicht geantwortet hat, konnte die Bandbreite des 2 Teilabschnitts nicht bestimmt werden Bit/s Netzwerkabschnitt R1 Abbildung 7-10: Mittelwerte der Bandbreiten der Teilabschnitte Die Abbildung 7-11 zeigt die gemessenen Bandbreiten des ersten Teilsegments des Netzwerks. Die Messungen weisen einen konstanten Wert auf, woraus gefolgert werden kann, daß dieser Netzwerkabschnitt zum Meßzeitpunkt vollkommen unbelastet gewesen ist. Aus der gemessenen Bandbreite ergibt sich, daß es sich um ein 10 Mbit/s- LAN handelt. 35