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Trotz hoher Taktraten schlechte Antwortzeiten – wo liegen die Ursachen

Wolfgang Schau30.10.2003

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Die Magie der großen Zahlen

Je höher die Taktrate, desto größer der Durchsatz

Z.B. 100 Mbit/s = 12 MB / Sekunde – zumindest theoretisch

DSL 30 mal schneller als ISDN In der Werbung ja praktisch … eher nein!

Antwortzeit abhängig von der Taktrate der CPU- zumindest laut Verkaufsprospekt

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Definitionen Taktrate = Grundfrequenz des elektrischen Signals

Baudrate = Anzahl der übertragenen Zustände Sekunde

Bitrate = Anzahl der übertragenen Bits pro Sekunde

Datenrate = Anzahl der übertragenen Datenbits/s

Übertragungsrate = Anzahl der übertragenen Bytes/s

Übertragungszeit = Zeit vom Senden bis zum vollständigen Empfang der Daten

Antwortzeit = Zeit vom Senden der Anforderung bis zum Beginn der Antwort

Transaktionszeit = Zeit vom Senden der Anforderung bis zum vollständigen Empfang der Antwort

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Taktrate vs Bitrate

Taktrate Grundfrequenz, mit der die Informationen über eine

Leitung getaktet wird

Bitrate Anzahl von Bits, die pro Zeiteinheit (Sekunde)

übertragen wird. - Taktrate und Codierungsart bestimmen die Bitrate

-3

110

110

100

010

000

100

-1

010

100

+10

+30

2 B-Wort Quart

1 0

1 1

0 1

0 0

+3

+1

- 1

- 3

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Datenrate

Datenrate Anzahl Nutzdaten, die pro Zeiteinheit übertragen wird Framing, Bitstuffing, Management und Steuerinformationen

reduzieren die Netto Datenrate (Z.B. ISDN: 144 zu 192 kBit/s)

L F L B1.1 ... D L FA L D L L ...B1.8 B2.1 ... ...B2.8 B2.1 ... ...B2.8 B1.1 ... ...B1.8 D L L D L

L F E B1.1 ... D A FA N D E S2 ...B1.8 B2.1 ... ...B2.8 B2.1 ... ...B2.8 B1.1 ... ...B1.8 D E S1 D E L

48 Bit in 250 s

D L L

2 Bit Offset

Coderegelverletzung innerhalb 14 Bit

Coderegelverletzung innerhalb 14 Bit

A Aktivierungsanzeige F Framing Bit (= 0) B1.x Bits im B1 Kanal FA Zusätzliches Framing Bit (= 0) B2.x Bits im B2 Kanal L Ausgleichsbit (Even Parity) D Bits im D-Kanal N-Bit (= 1) E Echo S1, S2 Sonderfunktion (=0)

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Übertragungszeit

Übertragungszeit Zeit vom Abschicken einer größeren Informationseinheit

Datenpaket, Datei, etc., bis zum vollständigen Empfang auf der Gegenseite

Unterscheidung in

Simplexe Übertragung ohne Sicherungsprotokoll

Duplexe Übertragung

hdx = half duplex fdx = full duplex)

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Simplexe Übertragung

Faktoren für die Übertragungszeit: Bitrate Overhead Physikalische Laufzeit = < c (c = 3*108 m/s)

t [s]

DataHeader

DataHeader

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Beispiel: Simplexe Übertragung

Beispiel Information = 1 KB Datenrate = 2 Mbit/s Physikalische Laufzeit 0,6 c (c = 3*108 m/s) 5 s / km

Taktzeit 1.024 * 8 / 2.048*103 = 4 ms

Physikalische Laufzeit 600*103 / 3*108 = 2 ms

Gesamte Übertragungszeit = 6 ms ??? Theoretisch Ja – praktisch Nein!

600 km

2 Mbit/s

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Datenübertragung in der Praxis: Simplex

Praxis: Ca. 10 Store and Forward Hobs Datenrate im Access Bereich = 1.568/128 kbit/s bzw. 2 Mbit/s Datenrate im Back-Bone Bereich 155 / 622 Mbit/s Physikalische Laufzeit 0,6 c (c = 3*108 m/s) 5 s / km

600 km

2 Mbit/s155 Mbit/s 155 Mbit/s

128 kbit/s 155 Mbit/s

ADSL 1568 / 256 kBit/s

Taktzeit 1* 1.024 * 8 / 128*103 = 64 ms8* 1.024 * 8 / 155* 106 = 0,4 ms1* 1.024 * 8 / 2.048*103 = 4 ms

Router Process Zeit9 * 0,2 ms 1,8 ms

Physikalische Laufzeit600*103 / 3*108 2 ms

Gesamt: 72,2 ms

SDSL 2 MBit/s

Taktzeit 1* 1.024 * 8 / 2.048*103 = 4 ms8* 1.024 * 8 / 155* 106 = 0,4 ms1* 1.024 * 8 / 2.048*103 = 4 ms

Router Process Zeit9 * 0,2 ms 1,8 ms

Physikalische Laufzeit600*103 / 3*108 2 ms

Gesamt: 12,2 ms

(2 Mbit/s)

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Antwortzeit (Duplexe Übertragung)

Faktoren für die Übertragungszeit: 2 * (Bitrate + Overhead + Physikalische

Laufzeit) + Verarbeitungszeit t [s]

DataHeader

DataHeader

QuittungHeader

t [s] QuittungHeader

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Übertragung in der Praxis:Round Trip Delay

Praxis: Ca. 10 Store and Forward Hobs Datenrate im Access Bereich = 2 Mbit/s Datenrate im Back-Bone Bereich 155 / 622 Mbit/s Physikalische Laufzeit 0,6 c (c = 3*108 m/s) 5 s / km

600 km

2 Mbit/s

155 Mbit/s

155 Mbit/s1.568/256 kbit/s

155 Mbit/s

Upstream

Taktzeit 1* 1.024 * 8 / 128*103 = 64 ms8* 1.024 * 8 / 155* 106 = 0,4 ms1* 1.024 * 8 / 2.048*103 = 4 ms

Router Process Zeit9 * 0,2 ms 1,8 ms

Physikalische Laufzeit600*103 / 3*108 2 ms

Gesamt: 72,2 ms

Downstream

Taktzeit 1* 1.024 * 8 / 2.048*103 = 4 ms8* 1.024 * 8 / 155* 106 = 0,4 ms1* 1.024 * 8 / 1.568*103 = 5,2 ms

Router Process Zeit9 * 0,2 ms 1,8 ms

Physikalische Laufzeit600*103 / 3*108 2 ms

Gesamt: 13,4 ms

Total Roundtrip: 85,6 ms (+Verarbeitungszeit)

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Routenverfolgung

tracert www.bahn.de

Routenverfolgung zu www.bahn.de [81.200.192.68] über maximal 30 Abschnitte:

1 71 ms 60 ms 70 ms 192.168.10.1 2 60 ms 61 ms 60 ms 213.217.105.65 3 70 ms 70 ms 71 ms atm1-0.bremen2.kkf.net [62.145.11.1] 4 70 ms 70 ms 70 ms at-0-2-0-12.m20.ham.bmcag.net [194.140.113.84] 5 80 ms 80 ms 80 ms at-0-2-0-32.nap.decix.bmcag.net [194.140.113.29] 6 90 ms 90 ms 81 ms de-cix.ffm.plusline.net [80.81.192.132] 7 80 ms 90 ms 90 ms bahn-pl.m.plusline.net [213.83.21.189] 8 90 ms 90 ms 90 ms david.bahn.de [81.200.192.194] 9 80 ms 91 ms 90 ms andreas.bahn.de [81.200.192.132] 10 90 ms 100 ms 100 ms klaus.bahn.de [81.200.192.173] 11 90 ms 90 ms 90 ms www.bahn.de [81.200.192.68]

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Route zu Yahoo.co.jpRoutenverfolgung zu www.yahoo.co.jp [202.229.198.216]

1 60 ms 60 ms 60 ms 192.168.10.1 2 61 ms 60 ms 70 ms 213.217.105.65 3 70 ms 70 ms 61 ms atm1-0.bremen2.kkf.net [62.145.11.1] 4 70 ms 70 ms 70 ms at-0-2-0-12.m20.ham.bmcag.net [194.140.113.84] 5 160 ms 170 ms 170 ms so-0-2-0-00.nap.ash.us.bmcag.net [194.140.113.15] 6 171 ms 160 ms 160 ms ge-2-3-0.r01.asbnva01.us.bb.verio.net [206.223.115.12] 7 170 ms 170 ms 180 ms p16-1-0-0.r21.asbnva01.us.bb.verio.net [129.250.5.21] 8 230 ms 231 ms 240 ms p16-0-1-2.r20.plalca01.us.bb.verio.net [129.250.2.192] 9 260 ms 230 ms 241 ms xe-0-2-0.r21.plalca01.us.bb.verio.net [129.250.4.231] 10 230 ms 231 ms 230 ms p64-0-0-0.r21.mlpsca01.us.bb.verio.net [129.250.5.49] 11 230 ms 230 ms 231 ms p16-6-0-0.r80.mlpsca01.us.bb.verio.net [129.250.3.24] 12 341 ms 360 ms 351 ms p16-0-2-0.r21.tokyjp01.jp.bb.verio.net [129.250.4.158] 13 360 ms 371 ms 350 ms xe-1-0-0.a21.tokyjp01.jp.ra.verio.net [61.213.162.230] 14 341 ms 340 ms 361 ms ge-0-0-0.a08.tokyjp01.jp.ra.verio.net [61.120.144.42] 15 351 ms 350 ms 351 ms 61.213.160.134 16 351 ms 350 ms 351 ms g1-0-n-

otemachi-core4.sphere.ad.jp [203.138.68.139] 17 350 ms 351 ms 350 ms p7-0-fdm-core1.sphere.ad.jp [202.239.114.238] 18 351 ms 350 ms 351 ms g0-9-fdm-arena-gw5.sphere.ad.jp [202.239.113.134] 19 340 ms 341 ms 340 ms 202.239.120.147 20 351 ms 350 ms 351 ms 202.229.198.216

Deutlich sind ab 5, 8, und 12 die long distance delays zu erkennen

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Transaktionszeit

Window = 1: Faktoren für die Übertragungszeit:

N * (2 * (Bitrate + Overhead + Physikalische Laufzeit) + Verarbeitungszeit)

(N = Anzahl Pakete)

t [ms]

Data 1Header

Data 1Header

QuittungHeader

Data 2Header

Data 2Header

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Beispiel Filetransfere Window = 1

File = 600 KB Packet Size = 1.500 Byte 409,6 Pakete Roundtrip per Paket = 350 ms Total Time = 409,6 * 350 ms = 143,36 sec

Netto Übertragungsrate in der Praxis: 600 * 1.024 * 8 / 143,36 = 34 kBit/s

Das ist aufgrund der Laufzeit bzw. des „turn around delays“ nur ein geringer Bruchteil der theoretische möglichen Überragungsrate

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Data 6Header

Einfluss der Windows Size

t [ms]

Data 8Header

Header

QuittungHeader

Quittung 1Header

Data 9Header

Data 3Header

Data 4Header

Data 5Header

Die Quittung wird empfangen, bevor das Sendefenster erreicht ist,

d.h. es kann kontinuierlich (mit wire speed) gesendet werden!

Data 1Header

Data 2Header

QuittungHeader

Quittung 2Header

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Optimale Window Size

Übertragungszeit Filesize / Bitrate + + 1 mal physikalische Laufzeit + Verarbeitungszeit + 1 mal physikalische Laufzeit für letzte Quittung für die

letzte Quittung

Beispiel wie vor 600 * 1024 * 8 / 1.568 * 103 = 3,13 sec + 5 us * 20.000 = 0,1 sec + 1 ms + 5 us * 20.000 = 0,1 sec = 3,33 sec

Entspricht 1,48 Mbit/s Faktor 43,5 höher im Vergleich zu Windowsize = 1

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Zusammenfassung

Flaschenhals Die langsamste Bitrate entlang der Strecke

bestimmt den Durchsatz

Physikalische Laufzeit hat erheblichen Einfluß !!!

Window == 1 ist der Performance Killer

Paketsize nicht zu klein wählen:- Der relative Overhead wird zu groß !

Paketsize nicht zu groß wählen:- Wenn Bitfehlerrate zu groß wird, kollabiert der

Durchsatz bei Wiederholungen - Einfluß auf Interlacing mit anderen Applikationen auf

langsamen Leitungen! (z.B. VoIP)

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Nicht die großen Zahlen entscheiden,

sondern das bessere System Design