Vorlesung. Rechnernetze II Teil 10. Sommersemester 2005

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1 Vorlesung Rechnernetze II Teil 10 Sommersemester 2005 Eduard Siemens, Christian Grimm Fachgebiet Distributed Virtual Reality (DVR) Lehrgebiet Rechnernetze C. Grimm 15. Juni 2005

2 Messen der Dienstgüte und Netzwerk-Performance Begriffsdefinitionen relevante Messgrößen Auswahl zwischen einem aktiven oder passiven Messverfahren Fehlerquellen und Fehlerabschätzung Wahl zwischen Einweg- und Umlauf-Messungen Interpretation der Ergebnisse Visualisierung der Ergebnisse Dokumentation des Messvorgangs E. Siemens 15. Juni 2005 Folie 2

3 Notwendigkeit von Messungen Messungen dienen der Netzüberwachung Ergebnisse werden bei der Netzplanung verwendet Spezielle Maßnahmen in Netzen sind erforderlich, um eine adäquate Funktion von Anwendungen sicherzustellen multimediale Anwendungen Grid-Anwendungen Evaluierung getroffener Maßnahmen in Laborumgebungen (z.b. Durchsatz der Firewalls, Test von QoS-Mechanismen) in Produktionsnetzen E. Siemens 15. Juni 2005 Folie 3

4 Interpretation von Messergebnissen einheitliche Terminologie sowie eindeutige Metriken werden benötigt Reproduzierbarkeit der Ergebnisse wiederholte Messungen müssen unter denselben Randbedingungen gleiche Ergebnisse produzieren Nennung relevanter Randbedingungen Beispiel 1 Auf einer DSL-Leitung (T-DSL Light) wurden 384 kbit/s downstream und 90 kbit/s upstream gemessen. Frage: Reicht die Qualität der Leitung für zwei simultane IP-Telefonie-Verbindungen? Beispiel 2 Mit Ping wurde eine Verzögerung von 200 ms gemessen, der Jitter beträgt 50 ms. Frage: Ist mit einer schlechten Sprachqualität zu rechnen? E. Siemens 15. Juni 2005 Folie 4

5 Vergleichbarkeit der Messergebnisse 100 Mbit/s PC1, 10 Mbit/s 10 Mbit/s PC2 100 Mbit/s Sun1, 10 Mbit/s Sun2 1,20E+06 Sun1, two flows in contention, Queue Size = Bytes 1,20E+06 PC1, two flows in contention, Queue Size = Bytes 1,00E+06 1,00E+06 Datenrate [Bytes/s] 8,00E+05 6,00E+05 4,00E+05 rate [Bytes/s] 8,00E+05 6,00E+05 4,00E+05 receiver sender 2,00E+05 2,00E+05 0,00E time [s] 0,00E time [s] E. Siemens 15. Juni 2005 Folie 5

6 Vergleichbarkeit der Messergebnisse die mittlere Senderate ist gleich Datenpakete werden in Bursts mit voller Link-Datenrate ausgesendet PC1 sendet in größeren Bursts als Sun1 Wahrscheinlichkeit für einen Warteschlangenüberlauf steigt mit Burstgröße der Datenstrom mit stärkerer Burstiness wird bei Überlast verdrängt burstiness of the flows burtiness of the flows packet size = 1428 bytes Sun1 PC1 Packet Size = 1428 bytes Sun1 PC ,5 1 1,5 2 time [ms] time [ms] E. Siemens 15. Juni 2005 Folie 6

7 Begriffe: QoS QoS ist ein generischer Begriff QoS in der ITU-T ITU-T X.200: QoS ist ein Satz von Parametern in Bezug auf die Datenübertragung in der Schicht N des OSI-Stacks zu QoS gehören auch Parameter wie Fault-Management, Erreichbarkeit der Hotlines etc. QoS-Maßnahmen: ein Satz von Maßnahmen, welche zur Einhaltung bestimmter Parameter im Netz im Bezug auf die Dienstgüte getroffen werden QoS-Charakteristiken: bestimmte messbare Größen, die das Verhalten der Datenströme im Netz beschreiben. Dieser Aspekt wird oft auch Netz-Performance genannt QoS-Anforderungen: Ein Satz von Anforderungen seitens der Anwendungen an das Netz E. Siemens 15. Juni 2005 Folie 7

8 Begriffe: QoS QoS im IETF-Kontext QoS is a managed unfairness F. Baker RFC 2386: QoS ist ein Satz von Anforderungsparametern, die das Netz zu erfüllen hat Problem im Internet Protokoll gibt es keine definierten Management-Schnittstellen, für die Abfrage der QoS-Parameter Stellenwert der Netzmessungen Messung und Analyse der Netz-Performance ist die einzige Möglichkeit, die erwartete oder erbrachte Dienstgüte zu ermitteln Messergebnisse werden als Beleg für die Einhaltung von Service Level Agreements (SLA) verwendet E. Siemens 15. Juni 2005 Folie 8

9 Definition: Einweg-Verzögerung (OWD) Festlegung der Aussendezeit Zeitpunkt des Schreibens auf den Socket (anwendungsbezogen) Zeitpunkt der Übergabe des 1. Bits auf die Leitung (netzbezogen) entsprechend die Empfangszeit Zeitpunkt des Lesens vom Socket (anwendungsbezogen) Zeitpunkt der Aufnahme des letzten Bits in das Netz-Interface (netzbezogen) Bezugszeitpunkt des Ergebnisses i. d. R. an das Aussenden eines Datenpakets gekoppelt Definition der OWD (netzbezogen) Einweg-Verzögerung (OWD) eines Datenpakets zum Zeitpunkt T 0 ist die Zeitspanne zwischen dem Schreiben des 1. Bits eines Datenpakets auf die physikalische Leitung und dem Entnehmen des letzten Bits von der Leitung beim Empfänger, wenn das 1. Bit zum Zeitpunkt T 0 auf die Leitung gegeben worden ist E. Siemens 15. Juni 2005 Folie 9

10 Definition: Umlauf-Verzögerung (RTT) Definition der RTT (netzbezogen): Die Umlauf-Verzögerung eines Datenpakets zum Zeitpunkt T 0 ist die Zeitspanne zwischen dem Schreiben des 1. Bit eines Datenpakets auf die physikalische Leitung und dem Entnehmen des letzten Datenpakets von der Leitung beim Sender, nachdem es beim Empfänger angenommen und unverzüglich zurückgesendet wurde Ableitung aus den Einweg-Verzögerungen kann als Serienschaltung der Einweg-Verzögerung in der Hin- und Rückrichtung betrachtet werde ist d h die Einweg-Verzögerung zum Zeitpunkt T 0 und d r die Einweg-Verzögerung zum Zeitpunkt T 0 +d h, so ist die Umlauf-Verzögerung zum Zeitpunkt T 0, d RTT =d h +d r Eine Uhrensynchronisation zwischen der Quelle und dem Ziel nicht erforderlich am Ziel wird nur ein Echo-Programm benötigt E. Siemens 15. Juni 2005 Folie 10

11 Jitter eine einfache Definition: Jitter ist die Schwankung der Paketlaufzeiten nach dieser Definition lässt sich Jitter nicht eindeutig quantifizieren weitere Definitionen in der Literatur keine einheitliche Definition von Jitter zwei alternative Definitionen s. u. Randbedingung in einem Datenstrom mit zeitlich äquidistant ankommenden Datenpaketen muss der Jitter 0 sein der Wert den Einfluss auf Anwendungen quantifizieren je nach Anwendung oder betrachtetem Aspekt können unterschiedliche Definitionen nützlicher sein wegen Mehrdeutigkeit wird der Begriff Jitter von der IETF gemieden stattdessen wird der Begriff Variation der Verzögerungen (delay variation) verwendet E. Siemens 15. Juni 2005 Folie 11

12 Jitter, Variante 1 mögliche Definition (Variante 1) Jitter ist die Abweichung der Einweg-Verzögerung eines Datenpakets von der mittleren Laufzeit betrachteter Pakete. Mit einer mittleren Einweg-Verzögerung d m sowie den Aussende- und Empfangszeiten des n-ten Pakets t s_n und t r_n : J n = t t ) d, 1 n ( r _ n s _ n m N ein Maß der Abweichung von der normalen Einweg-Verzögerung quantifizierbar Aussagekraft der mittleren Einweg-Verzögerung Nachteile eine Berechnung on-the-fly ist nicht möglich, da der Mittelwert der Einweg-Verzögerungen betrachteter Pakete zu bilden ist Bei vielen Anwendungen z.b. multimediale Konferenzen spielt nur der Betrag der Differenz der Laufzeit von benachbarten Paketen eine Rolle E. Siemens 15. Juni 2005 Folie 12

13 Jitter, Variante 2 Definition für multimediale Anwendungen Jitter ist die Differenz der Laufzeit von zwei benachbarten Datenpaketen Die Störung multimedialer Ströme durch Schwankung der Verzögerungen kann damit quantifiziert werden Jn = ( tr _ n+ 1 ts _ n+ 1) ( tr _ n ts _ n ), 1 n < N n OWD n n+1 J n t s t r E. Siemens 15. Juni 2005 Folie 13

14 Unterschied zwischen den Jitter-Definitionen Jitter-Definition, Reihe [ms] Einweg-Verzögerung Mittelwert Jitter 1 Jitter Sample E. Siemens 15. Juni 2005 Folie 14

15 Unterschied zwischen den Jitter-Definitionen Jitter-Definition, Reihe 2 [ms] Einweg-Verzögerung Mittelwert Jitter_1 Jitter_ Sample E. Siemens 15. Juni 2005 Folie 15

16 Definition eines Datenstromes Notwendigkeit der Definition Charakterisierung von Datenströmen einzelner Anwendungen dynamische Freischaltung von Firewalls für einzelne Datenströme dynamische Konfiguration von QoS-Maßnahmen Netzplanung und Dimensionierung Intuitive Definition des Datenstromes ein Datenstrom ist eine geordnete Folge von Datenpaketen Ein Datenstrom kann durch die Zugehörigkeit mehrerer Datenpakete zum selben Datenstrom definiert werden gekennzeichnet durch dieselbe Identifikation - Protocol ID, Quell- und Ziel- Transportadressen (IP-Adresse und Port-Nummer) notwendige aber nicht ausreichende Bedingung Port-Nummern werden nach einer gewissen Zeit wiederverwendet Port-Nummer wird mit 16 Bit vorzeichenlos codiert Port-Nummern <1024 werden nur von privilegierten Prozessen verwendet max Ports bei 10 Verbindungen/s werden auf der Senderseite spätestens alle 108 Minuten die Port-Nummern wiederholt verwendet E. Siemens 15. Juni 2005 Folie 16

17 Definition eines Datenstromes TCP TCP-Datenströme sind durch einen erfolgreichen Abbau einer Verbindung voneinander abgegrenzt bei Paketverlusten wird mit Timern gearbeitet UDP Zugehörigkeit zum selben Datenstrom (Flow) nur über Identifikation und Timer definiert zwei Datenpakete gehören zum selben Datenstrom, wenn die Zeit zwischen zwei benachbarten Datenpaketen mit der selben Identifikation einen festgelegten Schwellwert T s nicht überschreitet Festlegung des Schwellwertes T s hängt von der Anwendung ab üblicherweise zwischen 10 Sekunden und wenigen Minuten E. Siemens 15. Juni 2005 Folie 17

18 Begriffe im Bezug auf die Systemuhr Offset Differenz zwischen der aktuellen Systemzeit und der Zeitreferenz (i.d.r. UTC) relativer Offset - Differenz der Offsets von zwei betrachteten Systemen Schlupf erste Ableitung des Offsets relativer Schlupf Drift zweite Ableitung des Offsets oder erste Ableitung des Schlupfes Synchronisation der Uhren der maximale relative Offset zweier Systeme E. Siemens 15. Juni 2005 Folie 18

19 Grundlegendes zum Messen Bestimmung der Zeitpunkte bestimmter Ereignisse Aussenden und Empfang der Datenpakete Bestimmung der Attribute der Datenpakete sowie ggf. der Randbedingungen Mehrfache Durchführung von Messungen und anschießende Bildung von Statistiken Analyse der Messergebnisse Voraussetzungen stabile Systemuhren (Oszillatoren) Synchronisation der Uhren maximale Abweichung der Uhren soll deutlich geringer sein als die gemessenen Paketverzögerungen verlässliche Bestimmung der Systemzeit eines Ereignisses E. Siemens 15. Juni 2005 Folie 19

20 Arten von Messungen passives Messen das Netz wird mit Hilfe von Monitor-Systemen beobachtet Überwachung der Datenströme Bildung von Statistiken der Verteilung einzelner Anwendungen im Internet Analyse der Auslastung des Netzes mit heuristischen Methoden können Paketlaufzeiten und Umlauf-Verzögerungen geschätzt werden bevorzugt von Netzbetreibern eingesetzt Zugang zu einem einzigen Aufpunkt im Netz erforderlich aktives Messen Testpakete werden in das Netz injiziert mindestens zwei Messsysteme beteiligt Probepakete können mit gewünschten Attributen versehen werden (Protokoll, Port-Nummer, TOS-Feld) bestimmte Muster der Zwischenankunftszeiten sowie der Sequenzen von Paketgrößen können nachgebildet werden von Netzbetreibern und von Anwendern eingesetzt Zugang zu zwei Endsystemen erforderlich E. Siemens 15. Juni 2005 Folie 20

21 Aktives Messen Einweg-Verzögerung (OWD) beeinflusst beinahe jede Anwendung bei Anwendungen im lokalen Netz sind häufig wenige Millisekunden bereits von Bedeutung Anforderung an die Genauigkeit bei Jitter deutlich höher Umlauf-Verzögerung (RTD, RTT) Verkehrscharakteristiken je Richtung unterschiedlich Paketgrößen Paketrate Attribute der Datenpakete je Richtung Einweg-Verzögerungen betrachten werden häufig zur Abschätzung von Einweg-Verzögerung verwendet wenn keine Synchronisation der Uhren beteiligter Systeme möglich ist der Verfahrensfehler bei der Abschätzung der Einweg-Größen kann groß sein bei asymmetrischer Auslastung der Warteschlangen bei asymmetrischen Routen E. Siemens 15. Juni 2005 Folie 21

22 Aktives Messen Messen der Umlauf-Größen Verzögerung Paketverlust Sonderfall der Einweg-Verzögerung Jitter auf der Gegenseite wird nur ein Echo-Port benötigt aus gewonnenen Erkenntnissen werden entsprechende Einweg-Größen abgeschätzt Häufig entstehen massive Paketverluste oder Verzögerungen an einer einzigen Stelle. Damit sind die geschätzten Werte fehlerhaft. Messen der Einweg-Größen Jitter beeinflusst vorrangig die Qualität multimedialer Datenströme Paketverlust Paketverlust ist ein Sonderfall einer Paketverzögerung Paketverlust-Muster spielen eine Rolle Paketverlust-Distanz Paketverlustdauer Dauer einer verlustfreien Übertragung E. Siemens 15. Juni 2005 Folie 22

23 Klassifizierung der Verzögerungen Komponenten der Verzögerung t s Serialisierungszeit t proc Prozessing-Zeit in den Netzknoten t prop Signalausbreitungszeit t retr Verzögerung durch Fehlersicherung in unteren Schichten t queue Verzögerung in den Warteschlangen t s t proc t prop t retr t queue f(s,b) const const f(t) f(t) E. Siemens 15. Juni 2005 Folie 23

24 Fehlerquellen und Fehlerabschätzung Fehler bei der Zeitmessung beim Senden eines Datenpakets beim Empfangen eines Datenpakets Fehlerursachen 1. Endliche Auflösung der Uhren 2. Offset der Uhren 3. Drift der Uhren 4. Verzögerung zwischen dem Setzen eines Zeitstempels und dem Versenden des Datenpakets Problem 2 wird relativiert, da nur die Differenz der Offsets für die Messung relevant ist Verzögerungen zwischen dem Setzen der Zeitstempel und dem Versenden der Datenpakete können durch geschicktes Softwaredesign reduziert werden E. Siemens 15. Juni 2005 Folie 24

25 Fehlerquellen und Fehlerabschätzung Blockdiagramm der Fehlerfortpflanzung bei der Verzögerungsmessung t τ res τ sched τ offset τ offset (t) t+τ Fehlerfortpflanzung τ = τ + τ + τ max res sched offset E. Siemens 15. Juni 2005 Folie 25

26 Fehlerquellen und Fehlerabschätzung Auflösung der Uhr: 0,5 µs typisch für Unix-Systeme Fehler durch das Task-Scheduling kann (statistisch) auf < 10 µs reduziert werden Drift der Uhren Stabilität der Oszillatoren auf handelsüblichen PCs immanente Abweichung der Ist-Frequenz von der Soll-Frequenz 10-5 Variation der Frequenz 10-7 Langzeitstabilität durch besondere Maßnahmen sicherstellen E. Siemens 15. Juni 2005 Folie 26

27 Fehlerquellen und Fehlerabschätzung Verwendung von NTP über das IP-Netz über Funknetze (DCF-77) über GPS zusätzliche Maßnahmen für hochpräzise Messungen Verwendung eines einzigen NTP-Servers Reduktion des Polling-Intervalls für NTP für kurze Messvorgänge NTP abschalten Anforderungen an die Fehlergrenzen bei Einweg-Verzögerung WAN, LAN: bis 5 ms Laborumgebung: <50 µs E. Siemens 15. Juni 2005 Folie 27

28 Problem der RTT-Messungen asymmetrische Auslastung Quelle t queue (h 1 ) t queue (h 2 ) t queue (h n ) Ziel t queue (r m ) t queue (r 2 ) t queue (r 1 ) t queue (h n ): Queueing-Verzögerung im n. Knoten in Hinrichtung t queue (r m ): Queueing-Verzögerung im m. Knoten in Rückrichtung E. Siemens 15. Juni 2005 Folie 28

29 Problem der RTT-Messungen asymmetrische Routen Quelle Ziel t prop (h 1 ) t prop (h 2 ) t prop (h n ) t prop (r m ) t prop (r 2 ) t prop (r 1 ) t prop (h n ): Ausbreitungsverzögerung auf der n. Verbindung in Hinrichtung t prop (r m ): Ausbreitungsverzögerung auf der m. Verbindung in Rückrichtung E. Siemens 15. Juni 2005 Folie 29

30 Fehler bei RTT-Messungen: Beispiel Annahmen Entfernung zwischen Sender und Empfänger 1000 km Hinrichtung 1300 km in Rückrichtung Warteschlangenverzögerung tritt im Wesentlichen in einer einzigen Queue auf 20 ms Ausbreitungsverzögerung 6 µs/km (LWL) Verarbeitungszeit vernachlässigbar gering Verzögerung durch das Prozess-Scheduling < 100 µs vernachlässigbar E. Siemens 15. Juni 2005 Folie 30

31 Fehler bei RTT-Messungen: Beispiel Berechnung d RTT Schätzung der Einweg-Verzögerung aus der Umlauf-Verzögerung: Verfahrensfehler ms drtt = t prop + tqueue = ( ) km 0, ms = 33, 8ms km τ d 20ms 2 d 2 33,8ms 2 RTT OWD = = = 16, 9 0,003 ms km ms ( ) km verf = + = 10, 9 2 ms E. Siemens 15. Juni 2005 Folie 31

32 Abschätzung Messfehler Einweg-Messungen In der Literatur findet man folgende Grenzwerte für einzelne Komponenten des Messfehlers Betrachtete Größe Einweg-Verzögerung Einweg-Jitter τ sched [µs] 100 GPS DCF77 NTP GPS DCF77 NTP τ offset [µs] τ ges [µs] s. Dissertation Verteiltes Messen der Dienstgüte und Netzwerk-Performance in IP-Netzen E. Siemens E. Siemens 15. Juni 2005 Folie 32

33 Vorgehen bei aktiven Messungen Vorgehen bei Umlauf-Messungen Quelle Ziel Probepaket vorbereiten Ergebnis verarbeiten User-Mode aktuelle Zeit einholen aktuelle Zeit einholen Datenpaket kopieren Datenpaket senden Datenpaket empfangen Kernel-Mode Antwort senden Datenpaket empfangen Datennetz E. Siemens 15. Juni 2005 Folie 33

34 Vorgehen bei aktiven Messungen Vorgehen bei Einweg-Messungen Quelle Probepaket vorbereiten User-Mode Ziel Ergebnis verarbeiten aktuelle Zeit einholen aktuelle Zeit einholen Datenpaket senden Kernel-Mode Datenpaket empfangen Datennetz E. Siemens 15. Juni 2005 Folie 34

35 Testumgebung für Evaluation des Messsystems Annahmen überprüfen Stabilität der Oszillatoren Verzögerungen durch das Prozess-Scheduling bestimmen E. Siemens 15. Juni 2005 Folie 35

36 Zwischenankunftszeit im Sender als Gütemaß konstante Paketrate Pakete/s konstante Datenrate 2,24 Mbit/s E. Siemens 15. Juni 2005 Folie 36

37 Zwischenankunftszeit im Sender als Gütemaß Datenrate 2,24 Mbit/s Paketgröße Byte E. Siemens 15. Juni 2005 Folie 37

38 Scheduler-Einfluss und der Schlupf der Uhren aus Messung der Paketverzögerung Wie groß ist der Schlupf S der Uhren in beiden Fällen? S rot = 6 ( 900 ( 730)) E. Siemens 15. Juni 2005 Folie 38 = 8,15 10 S grün = = 1 10 Wie kann die Drift der Uhren aus der Messung bestimmt werden?

39 Einfluss der NTP-Synchronisation E. Siemens 15. Juni 2005 Folie 39

40 Auswirkungen der Task-Unterbrechung E. Siemens 15. Juni 2005 Folie 40

41 Auswirkungen der Task-Unterbrechung aus Messung der Paketverzögerung Task-Unterbrechung im Empfänger Task-Unterbrechung im Sender E. Siemens 15. Juni 2005 Folie 41

42 Messungen im Produktionsnetz, Beispiel E. Siemens 15. Juni 2005 Folie 42

43 Messungen im Produktionsnetz, Beispiel 3 Messungen in demselben Zeitraum Kurzzeit-Messung 300 Mbit/s jeweils 20 s Langzeit-Messung I 100 kbit/s jeweils 20 min Paketgröße 1400 Bytes Langzeit-Messung II 100 kbit/s jeweils 20 min Paketgröße 150 Bytes für jede Messung wird die maximale Laufzeit sowie der Paketverlust extrahiert unterschiedliche Ergebnisse je nach Verkehrsprofil des Mess-Datenstromes sind feststellbar E. Siemens 15. Juni 2005 Folie 43

44 Beispiel von Messungen im Produktionsnetz E. Siemens 15. Juni 2005 Folie 44

45 Zusammenfassung Festlegung der Begriffe für die Messung Auswahl zwischen einem aktiven oder passiven Messverfahren Auswahl eines Mess-Systems Software- oder Hardware-basiert Schnittstellen zur Auswertung der Ergebnisse Die Einflussfaktoren des Messsystems berücksichtigen Wahl zwischen Einweg- und Umlauf-Messungen Interpretation der Ergebnisse Visualisierung der Ergebnisse Dokumentation des Messvorgangs E. Siemens 15. Juni 2005 Folie 45

46 Literatur CAIDA Cooperative Association for Internet Data Analysis URL: IP Performance Working Group. Working Group Charter URL: A. Pasztor. Accurate Active Measurement in the Internet and ist Applications. Ph. D. Thesis, University of Melbourn, Februar A. Pasztor, D. Veith. PC Based Precision Timing Without GPS. Proc. of ACM SIGMETRICS 2001, ACM Press V. Paxson. On Calibrating Measurements of Packet Transmit Times. Proc. of ACM SIBMETRICS 1998, ACM Press E. Siemens. Verteiltes Messen der Dienstgüte und Netzwerk-Performance in IP- Netzen. Dissertation, Universität Hannover, Dezember E. Siemens, C. Grimm. On High-Precision Measurement of Network Performance in Grid environments Proc. of IASTED 2005, Novosibirsk V. Smotlacha. One-way Delay Measurement using NTP. Terena Networking Conference E. Siemens 15. Juni 2005 Folie 46

47 Anhang A: Jitter, Beispiel 1 Sample Einweg- Verzögerung Mittelwert Jitter 1 Jitter 2 Sample Einweg- Verzögerung Mittelwert Jitter 1 Jitter E. Siemens 15. Juni 2005 Folie 47

48 Anhang A: Jitter, Beispiel 2 Sample Einweg- Verzögerung Mittelwert Jitter_1 Jitter_2 Sample Einweg- Verzögerung Mittelwert Jitter_1 Jitter_ E. Siemens 15. Juni 2005 Folie 48

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