Performance. Grundlagen der Rechnernetze Einführung 54

Transkript

1 Performance Grundlagen der Rechnernetze Einführung 54

2 Bandbreite s 1 Sekunde Bandbreite b in obigem Beispiel: Grundlagen der Rechnernetze Einführung 55

3 Bps und bps Kenngröße Größenordnung Wert KBps 2 10 Byte/s MBps 2 20 Byte/s GBps 2 30 Byte/s TBps 2 40 Byte/s Kbps 10 3 Bits/s Mbps 10 6 Bits/s Gbps 10 9 Bits/s Tbps Bits/s Vereinfachung für Überschlagsrechnungen: Grundlagen der Rechnernetze Einführung 56

4 Propagation Delay H1 d H2 Zeit x zur Übertragung eines Bits bei Distanz d und Signalausbreitungsgeschwindigkeit l Grundlagen der Rechnernetze Einführung 57

5 Delay einer Single Hop Übertragung d H1 H2 Zeit x zur Übertragung von n Bits bei Distanz d Signalausbreitungsgeschwindigkeit l und Bandbreite b: Grundlagen der Rechnernetze Einführung 58

6 Delay einer Multi Hop Übertragung H1 d H2 Zeit x zur Übertragung von n Bits bei Distanz d Signalausbreitungsgeschwindigkeit l und Bandbreite b und Queuing Zeit q: Grundlagen der Rechnernetze Einführung 59

7 Delay Bandbreiten Produkt Bandbreite Delay Beispiel: Anzahl Bits n die ein Kanal mit 100ms Latenz und 50Mbps Bandbreite speichert Grundlagen der Rechnernetze Einführung 60

8 Transferzeit und Effektiver Durchsatz H1 H2 Beispiel: Überschlagsrechnung zu Transferzeit z und effektivem Durchsatz d und bei Abrufen einer 1MB Datei über einen Kanal mit 1Gbps Bandbreite und 92ms RTT: Grundlagen der Rechnernetze Einführung 61

9 Bitfehlerrate und Paketverlustrate Bitfehler Paket 1 Paket 2 Paket 3 Paket 4 Paketfehler Einfacher Zusammenhang zwischen BER und PER, für n Bit Nachrichten ohne Fehlerkorrektur Grundlagen der Rechnernetze Einführung 62

10 Additive und Bottleneck Kosten H1 10ms 5ms R2 10ms 20ms e e 2 e 1 3 e4 1Mbps R1 1Gbps 1Gbps R3 1Mbps H2 Beispiel: Delay d und Bandbreite b zwischen zwischen H1 und H2 Grundlagen der Rechnernetze Einführung 63

11 Multiplikative Kosten H1 p p 1 =2/3 2 =1/3 R2 p 3 =1/2 p 4 =1/2 e e 2 e 1 3 e4 R1 R3 H2 Beispiel: Gesamtpaketverlustrate bei gegebenen Paketverlustraten pro Link Grundlagen der Rechnernetze Einführung 64

12 Performance Beispiel: Effektiver Durchsatz von Packet Switching Grundlagen der Rechnernetze Einführung 65

13 Delay Einsparungen Circuit Switching Message Switching Packet Switching H1 R1 R2 H2 H1 R1 R2 H2 H1 R1 R2 H2 Grundlagen der Rechnernetze Einführung 66

14 Einfluss der Paketgröße H1 R1 R2 H2 Nachrichtenlänge Paket Payload Paket Header Bandbreite Delay Anzahl Hops n Bits k Bits c Bits b bps d Sekunden h Effektiver Durchsatz x Grundlagen der Rechnernetze Einführung 67

15 Beispiel Plot Effektiver Durchsatz in Gbps Nachrichtengröße 1 GB Bandbreite 1 Gbps Header Größe 64 Byte Anzahl Hops 10 Delay pro Hop 10 ms Paketgröße in KB Grundlagen der Rechnernetze Einführung 68

16 Performance Beispiel: Vorteil von statistischem Multiplexing Grundlagen der Rechnernetze Einführung 69

17 Statisches versus Statistisches Multiplexing H 1 p b bps H n p Verhältnis x der mittleren Bandbreite pro Knoten von statistischem über statischem Multiplexing bei n Knoten, Zugriffswahrscheinlichkeit p und Bandbreite b Grundlagen der Rechnernetze Einführung 70

18 Beispiel Plot Angepasste über fester Bandbreitenzuweisung 50% Zugriffwahrscheinlichkeit 70% Zugriffwahrscheinlichkeit 90% Zugriffwahrscheinlichkeit Anzahl Knoten Grundlagen der Rechnernetze Einführung 71

19 Geschichte und Gegenwart Grundlagen der Rechnernetze Einführung 72

20 Geschichte und Gegenwart Entwicklung des Internet Grundlagen der Rechnernetze Einführung 73

21 Packet Switching der ersten Stunde Ende der 1950er Gegen 1960 Auf Höhe des kalten Krieges möchte das DoD (1) eine Lösung für ein Command und Kontrollzentrumsnetz, welches einen nuklearen Angriff überlebt. Das DoD beschließt einen Vertrag mit RAND Corporation, eine Lösung zu finden. Mitarbeiter Paul Baran entwickelte ein stark verteiltes und fehlertolerantes System auf Basis von digitalem Packet Switching. Der zu dieser Zeit amerikanische Telefonmonopolist AT&T findet dieses System jedoch nicht realisierbar. Struktur des Telefonsystems (1) Das DoD ist das Department of Defense der USA. Barans verteiltes Switching System Bildquelle: Andrew S. Tanenbaum, Computer Networks, Fourth Edition, 2003 Grundlagen der Rechnernetze Einführung 74

22 Das ARPANET 1967 Die ARPA (1) wechselt ihren Schwerpunkt unter der Leitung von Larry Roberts auf die Erforschung von Netzen. Einer der damals kontaktierten Experten, Wesley Clark, entwickelt ein Packet Switched Subnetz, in dem jeder Host an einen Router angebunden ist. Unabhängig davon wurde unter Leitung von Donald Davies am NPL (2) ein ähnliches Packet Switching System entworfen und sogar als Campus Netz schon implementiert. Das NPL referenziert hierbei die ursprünglich abgelehnte Arbeit von Paul Baran Die ARPA beauftragt die Consulting Firma BBN in Cambridge ein solches Netz und die dazu notwendige Netzsoftware zu entwickeln. Des Weiteren werden Graduate Studenten der Universität Utah damit beauftragt die Host Software zu entwickeln. Das Ergebnis ist das ARPANET welches schnell größer wurde und bald die ganze USA abdeckte. Struktur des Packet Switched Subets nach Clark Dez 1969 Jul 1970 Mär 1971 Apr 1972 Sep 1972 (1) Die ARPA, Advanced Research Projects Agency, ist ein staatlicher, amerikanischer, Der Zuwachs im ARPANET militärischer Forschungsförderer für Universitäten und Industrie. (2) Das NPL ist das National Physical Laboratory in England. Bildquelle: Andrew S. Tanenbaum, Computer Networks, Fourth Edition, 2003 Grundlagen der Rechnernetze Einführung 75

23 Das ARPANET und NSFNET 1974 Die ersten ARPANET Protokolle erlaubten keine transparente End to End Kommunikaiton über verschiedene Netze. Dies wurde mit wachsen des ARPANET immer wichtiger und führte schließlich zur Entwicklung von TCP/IP von Vinton Cerf und Robert Kahn. Späte 1970 bis Ende 1980er Die ARPA forcierte die Verwendung von TCP/IP durch Verträge mit BBN und der University of California Berkeley, die neuen Protokolle in Berkeley Unix zu integrieren. Hierbei wurde auch die Socket Schnittstelle entwickelt. Die Teilnahme am ARPANET erforderte einen Vertrag mit dem DoD. Daher beschloss man im NSF (1) einen für alle US Universitäten freien Nachfolger des ARPANETs zu bauen. Der Anfang war ein USA umspannender Backbone, der sechs Super Computer Center verband. An den Backbone wurden etwa 20 regionale von der NSF geförderte Netze angebunden. Das Ergebnis war das NSFNET. Das ARPANET und das NSFNET wurden erstmals an der Universität Carnegie Mellon verbunden. Das NSF Backbone 1988 (1) Die NSF ist die US National Science Foundation. Bildquelle: Andrew S. Tanenbaum, Computer Networks, Fourth Edition, 2003 Grundlagen der Rechnernetze Einführung 76

24 Kommerzialisierung des Internet Während der 1980er Mit dem immer größer werden der Netze wurde das Auffinden von Hosts anhand von IP Adressen immer aufwendiger. Als Lösung wurde eine hierarchische Namensstruktur, das DNS (Domain Name System), entwickelt. Das NSFNET verband Nutzer an tausenden von US Universitäten, Forschungslaboren, Bibliotheken und Museen. Es war damit permanent überladen. Die NSF beschloss einen Vertrag mit MERIT, einem Konsortium in Michigan, das Netz weiter zu betreiben. Damit erfuhr der Backbone des NSFNET einen Upgrade (zunächst von 56kbps auf 448kbps (Fiber Channels von MCI) und dann noch mal auf 1.5Mbps Lines) Mit dem Zusammenschluss von ARPANET und NSFNET schlossen sich viele weitere regionale Netze und Netze in Kanada, Europa, und Pazifik an Als ersten Schritt in Richtung Kommerzialisierung gibt die NSF das NSFNET an die nonprofit Corporation ANS (Advanced Networks and Services) von MERIT, MCI und IBM ab. Das ANS machte einen Upgrade des NSFNET Backbones auf das ANSNET, von 1.5Mbps auf 45Mbps Lines. Des Weiteren schloss das NSF Verträge mit den Netzbettreibern PacBell, Ameritech, MFS und Sprint ab, die einen fairen Wettbewerb der Netzanbieter sicher stellten Das ANSNET wurde an American Online verkauft. Damit begann die Kommerzialisierung von IP Diensten. Grundlagen der Rechnernetze Einführung 77

25 WWW Während der 1990er In vielen anderen Ländern entstehen nationale Forschungsnetze, häufig ähnlich gestaltet wie das ARPANET und NSFNET. Beispiele sind in Europa EuropaNET und EBONE, die mit 2Mbps starteten, einen Upgrade auf 34Mbps erfuhren und dann irgendwann ebenfalls an die Industrie abgegeben wurden. Bis in die frühen 1990er waren Akademiker die Anwender des Internet. Die Hauptanwendungen waren , News, Remote Login und File Transfer. Dies änderte sich schlagartig mit der Erfindung des WWW des CERN Physikers Tim Berners Lee und des Mosaik Browsers von Marc Andreesen am National Center for Supercomputer Applications in Urbana, Illinois. Es entstanden viele Internet Service Provider (ISP), die es einer immer größer werdenden Zahl von Endnutzern ermöglichten sich von zuhause ins Internet einzuwählen. Grundlagen der Rechnernetze Einführung 78

26 Vereinfachte Übersicht des heutigen Internets Bildquelle: Andrew S. Tanenbaum, Computer Networks, Fourth Edition, 2003 Grundlagen der Rechnernetze Einführung 79