Messen von Internet-Bandbreite. Metriken, Methoden und Tools

Inhaltsverzeichnis

1 Einleitung
1.1 Motivation
1.2 Zielsetzung der Arbeit
1.3 Aufbau der Arbeit

2 Theoretische Grundlagen und Begriffe
2.1 Metriken
2.2 Weitere Begriffsdefinitionen
2.3 Vorarbeiten

3 Vergleichsmethodik für die Messtools
3.1 Einordnungsschema
3.2 Bewertungsschema

4 Packet Pair: Messen der Ende-zu-Ende Basisbandbreite
4.1 Theoretische Grundlagen zur Packet Pair - Methode
4.1.1 Grundidee von Packet Pair
4.1.2 Fehlerquellen bei Packet Pair
4.1.3 Filtertechniken
4.1.4 Auswahl der Größe des Paketpaars
4.1.5 Messmethoden
4.1.6 Messen der Narrow-Link-Bandbreite in der Upstream-Richtung
4.2 Evaluierung der Tools: Pathrate und nettimer
4.2.1 Einordnung der Tools
4.2.2 Messaufbau und -methodik
4.2.3 Diskussion der Messergebnisse

5 Pathchar: Messen der Per-Hop-Basisbandbreiten
5.1 Theoretische Grundlagen zur Pathchar - Methode
5.1.1 Grundidee von Pathchar
5.1.2 Voraussetzungen von Pathchar
5.1.3 Analyse des Pathchar-Algorithmus
5.2 Evaluierung der Tools: Pathchar, clink und pchar
5.2.1 Einordnung der Tools
5.2.2 Messaufbau und -methodik
5.2.3 Diskussion der Messergebnisse

6 SLoPS: Messen der Ende-zu-Ende verfügbaren Bandbreite
6.1 Theoretische Grundlagen zur SLoPS - Methode
6.1.1 Grundidee von SLoPS
6.1.2 Pathload: Eine SLoPS-Implementierung
6.1.3 Ablauf des SLoPS-Algorithmus am pathload-Beispiel
6.1.4 Probleme
6.2 Evaluierung des pathload-Tools
6.2.1 Einordnung des pathload-Tools
6.2.2 Messaufbau und -methodik
6.2.3 Diskussion der Messergebnisse

7 Throughput: Messen des TCP-Durchsatzes
7.1 Theoretische Grundlagen zur Throughput - Methode
7.1.1 Algorithmus zur Erkennung des Endes der Slow-Start-Phase
7.1.2 Berechnung des durchschnittlichen TCP-Durchsatzes
7.2 Evaluierung des iperf-Tools
7.2.1 Einordnung des iperf-Tools
7.2.2 Messaufbau und -methodik
7.2.3 Diskussion der Messergebnisse

8 Abschließende Betrachtung
8.1 Zusammenfassung
8.2 Ausblick

Literaturverzeichnis

Anhang
I Eingesetzte Hardware und Software
II HOWTO für D-ITG, ethtool und tcpdump
III Konfiguration des Messaufbaus (Testbed)
IV Installation der evaluierten Messtools

1 Einleitung

1.1 Motivation

Neben den Parametern Verzögerungszeit und Verfügbarkeit für die Internetqualität ist die Bandbreite eine entscheidende Größe. Im Bereich der digitalen Telekommunikation wird unter dem Begriff »Bandbreite« die Menge an Daten verstanden, die pro Zeiteinheit über eine Verbindung übermittelt werden können. Die Bandbreite wird in der Einheit Bit pro Sekunde (Bit/s) oder Vielfachen davon, wie zum Beispiel Mb/s, angeben. Die einfachste Möglichkeit zur Messung der Bandbreite besteht darin, an einen Zielrechner eine bestimmte Datenmenge zu versenden und die dazu benötigte Übertragungsdauer zu ermitteln. Die Bandbreite ergibt sich somit aus der Division dieser übertragenen Datenmenge durch ihre benötigte Übertragungsdauer. Braucht man z.B. für die Übertragung von 500 MB vom Sender zum Empfänger insgesamt 40 Sekunden, so ergibt sich daraus für diesen Pfad eine Bandbreite von 100 Mb/s. Der Nachteil dieser Vorgehensweise ist jedoch, dass das Netz durch diesen aktiv generierten Verkehr solange belastet wird, bis die Übertragung von 500 MB vollständig abgeschlossen ist. Ein weiterer wichtiger Nachteil besteht darin, dass diese Vorgehensweise nur den durchschnittlich erreichten Durchsatz der verwendeten Verbindung ermittelt. Die Messung weiterer Metriken wie z.B. die verfügbare Bandbreite oder die „Bottleneck“-Bandbreite ist somit mit dieser Vorgehensweise nicht möglich.

Für viele verschiedene Anwendungen ist die Information über die Bandbreite der verwendeten Verbindung sehr wichtig. Überträgt eine Anwendung seine Daten schneller als die Bandbreite, die im Netz zur Verfügung steht, verursacht sie Überlast und Paketverluste, sodass kein effizienter Datenaustausch stattfindet. Nutzt dagegen die Anwendung die zur Verfügung stehende Bandbreite nicht optimal aus, kann dadurch die Performance dieser Anwendung negativ beeinflusst werden. Daher ist die Kenntnis der Bandbreite für Anwendungen, die eine hohe Bandbreite benötigen (z.B. Streaming-Server, IPTV, Peer-to-Peer und VoIP-Anwendungen) von sehr großer Bedeutung.

Bestimmte Algorithmen zur Bandbreitenmessung können dazu benutzt werden, um in einem Netz den Engpass (bzw. Flaschenhals) aufzuspüren. Wird ein Engpass in einem Netz lokalisiert, kann diese Verbindung ersetzt oder umgangen werden, um eine bessere Gesamt-Performance des Netzes zu erhalten.

Genaue und schnell durchgeführte Bandbreitenmessungen können auch im Bereich des Mobile Computing nützlich sein. Heutige mobile Geräte haben üblicherweise mehrere Netzwerkschnittstellen wie z.B. LAN- und WLAN-Schnittstellen. Mit einem Verfahren zur Messung der Bandbreite könnte man die Netzwerkschnittstelle mit der höchsten verfügbaren Bandbreite automatisch auswählen, um insgesamt eine bessere Performance von Internet-Applikationen zu erreichen.

Eine andere Anwendung findet die Bandbreitenmessung bei der dynamischen Serverauswahl im Internet. Es kann durchaus vorkommen, dass eine anforderte Datei auf mehreren Servern zur Verfügung steht. Die Entscheidung, welcher Server momentan für die angeforderte Datei der Beste ist, könnte basierend auf der höchsten zur Verfügung stehenden Bandbreite getroffen werden.

Mit einem effizienten Verfahren zur Messung der Bandbreite ließe sich ebenfalls die Überlastkontrolle von TCP optimieren. Das Transportprotokoll TCP misst die Bandbreite des Netzes implizit, sodass die Daten, TCP-Segmente genannt, nicht schneller gesendet werden, als das Netz bzw. der Empfänger sie verarbeiten kann. Die implizite Messung der Bandbreite mittels TCP hat jedoch zwei wesentliche Nachteile:

TCP beginnt die Übertragung der Segmente mit einer sehr langsamen Übertragungsrate, die solange erhöht wird, bis mindestens eines dieser gesendeten Segmente verloren geht (Slow-Start-Phase). Segmentverluste weisen darauf hin, dass die maximale Übertragungsrate für diese aktuelle Verbindung erreicht wurde. Die Ermittlung dieser maximalen Übertragungsrate kann jedoch, wenn die Latenzzeit für die Strecke zwischen dem Sender und dem Empfänger zu groß ist (wie z.B. bei Satellitenverbindungen), viel Zeit beanspruchen. TCP braucht insgesamt O(log(Bandbreite)*Latenz) Zeit, um die maximale Übertragungsrate zu erreichen^[1]. In dieser Zeit wird die Bandbreite nicht effizient genutzt, da die Daten nicht direkt mit der optimalen Übertragungsrate transportiert werden.

Der zweite wesentliche Nachteil bei TCP besteht darin, dass der normale Netzverkehr durch das aktive Überlasten der TCP-Verbindung gestört wird. Folglicherweise kann der Durchsatz anderer Verbindungen beeinflusst werden, sodass es im Netz zu unverhältnismäßig langen Warteschlangen-verzögerungen und gar zu Segmentverlusten kommen kann. Mit einer neuen Methode zur Messung der Bandbreite könnten diese Nachteile von TCP behoben werden.

Messung von Bandbreite ermöglicht die Überprüfung von sogenannten Service Level Agreements. In einem Service Level Agreement können zwischen dem Auftraggeber und dem Dienstleister bestimmte Leistungsparameter wie z.B. die Bandbreite festgelegt werden. In so einem Fall müssen sowohl der Auftraggeber als auch der Dienstleister eine Möglichkeit haben, zu überprüfen, ob die im Vertrag vereinbarte Bandbreite auch eingehalten wird.

1.2 Zielsetzung der Arbeit

Zielsetzung der Arbeit besteht darin, Methoden zur Messung der Internet-Bandbreite zu beschreiben und deren Implementierungen in Bezug auf ihre Messgenauigkeit und Performance experimentell zu evaluieren. Es existieren verschiedene Methoden, mit deren Hilfe die Bandbreite gemessen werden kann. Die Abbildung 1.1 stellt sowohl die wichtigsten Methoden als auch die dazugehörigen Implementierungen je nach gemessener Metrik grafisch dar.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 1.1: Übersicht – Metriken, Methoden und Implementierungen (Quelle: Eigene Darstellung)

„Packet Pair“ ermittelt die maximale Bandbreite des schwächsten Links auf dem gesamten Weg zwischen zwei Hosts. Diese Metrik wird als Ende-zu-Ende Basisbandbreite (eng. end-to-end capacity) bezeichnet. Zur Messung der Ende-zu-Ende Basisbandbreite sendet „Packet Pair“ immer zwei Pakete direkt hintereinander, misst dann den vom Engpass verursachten Zeitunterschied der beiden Pakete und setzt diesen in Beziehung mit der Paketgröße. Die Tools pathrate und nettimer implementieren den „Packet Pair“-Ansatz.

„Pathchar“ setzt die Round Trip Times von mehreren Paketen verschiedener Größe in Zusammenhang. Gemessen wird Basisbandbreite der einzelnen Hops im Pfad zum Empfänger (eng. per-hop capacity). Die Tools pathchar, clink und pchar implementieren den „Pathchar“-Ansatz.

Mithilfe der „SLoPS“-Methode lässt sich die Ende-zu-Ende verfügbare Bandbreite (eng. end-to-end available bandwidth) zwischen zwei Hosts ermitteln. Diese Methode basiert auf dem Ansatz der selbst erzeugten Überlastung. Der Sender schickt dem Empfänger eine Paketsequenz mit einer bestimmten Übertragungsrate, die iterativ erhöht wird, bis die Ende-zu-Ende verfügbare Bandbreite zwischen Sender und Empfänger überschritten wird. Wenn die Übertragungsrate der Paketsequenz größer als die verfügbare Bandbreite ist, neigen die Einwegeverzögerungen der gesendeten Paketsequenz zu einer Erhöhung. Darauf baut die Idee von SLoPS auf. Das Tool pathload implementiert den „SLoPS“-Ansatz.

„Throughput“ setzt die gesendete Datenmenge zur benötigten Zeit in Beziehung, um daraus den durchschnittlichen TCP-Durchsatz zwischen zwei Hosts zu ermitteln (eng. end-to-end achievable throughput). Das Tool iperf implementiert den „Throughput“-Ansatz.

Im Rahmen dieser Arbeit werden sowohl die oben genannten Metriken (Basisbandbreite, verfügbare Bandbreite und Durchsatz) als auch die zur Messung dieser Metriken verwendeten Methoden beschrieben. Danach werden alle zu evaluierenden Tools je nach gemessener Metrik und verwendeter Methodik einheitlich klassifiziert. Durch Tests in der Laborumgebung werden für jede Implementierung Aussagen über ihre Messgenauigkeit und Performance getroffen. Die Performance-Analyse der zu evaluierenden Implementierungen umfasst unter anderem, wie lange eine Messung dauert und wie viel Messverkehr dabei generiert wird.

1.3 Aufbau der Arbeit

Die Arbeit gliedert sich in fünf Hauptkapitel. In Kapitel 2 werden die drei zu messenden Metriken Basisbandbreite, verfügbare Bandbreite und Durchsatz sowie weitere wichtige Begriffe beschrieben, die für das Verständnis der folgenden Kapiteln notwendig sind.

In Kapitel 3 wird die Vergleichsmethodik beschrieben, die zur Evaluierung der einzelnen Tools verwendet wurde. Es werden die erarbeiteten Einordungs- und Bewertungskriterien vorgestellt, nach denen die einzelnen Tools einheitlich evaluiert werden.

In Kapitel 4 wird die Packet Pair-Methode erläutert, mit der die Ende-zu-Ende Basisbandbreite eines Pfades gemessen wird. Anschließend werden die beiden Packet Pair-Implementierungen pathrate und nettimer vorgestellt und ihre Evaluationsergebnisse zusammengefasst.

Kapitel 5 beschäftigt sich mit der Pathchar-Methode, die die per-Hop-Basisbandbreiten eines Pfades misst. Anschließend werden die Implementierungen pathchar, clink und pchar vorgestellt und ihre Evaluationsergebnisse zusammengefasst.

In Kapitel 6 wird die SLoPS-Methode beschrieben, mit der die Ende-zu-Ende verfügbare Bandbreite eines Pfades ermittelt wird. Anschließend wird die SLoPS-Implementierung pathload vorgestellt und ihre Evaluations-ergebnisse zusammengefasst.

In Kapitel 7 wird die Throughput-Methode erläutert, die den durch-schnittlichen TCP-Durchsatz zwischen zwei Hosts berechnet. Anschließend wird die Throughput-Implementierung iperf vorgestellt und ihre Evaluationsergebnisse zusammengefasst.

Schließlich werden die gewonnen Erkenntnisse im 8. Kapitel noch einmal zusammengefasst und kritisch beurteilt.

2 Theoretische Grundlagen und Begriffe

2.1 Metriken

Der Begriff der Bandbreite kommt ursprünglich aus der Nachrichtentechnik und bezeichnet dort die "Breite" eines Frequenzbandes. Ein Frequenzband ist in seinem Frequenzbereich durch die niedrigste und höchste Frequenz festgelegt, die auf einem Übertragungskanal möglich ist. Je breiter dieses Frequenzband ist, desto mehr Daten lassen sich pro Sekunde übertragen. In der Nachrichtentechnik wird von der analogen Bandbreite gesprochen, die für die Übertragung von analogen Informationen wie z.B. Radio- und Telefon-informationen beansprucht wird. Die Grundeinheit der analogen Bandbreite ist Hertz (Hz), d.h. Zyklen pro Sekunde. Meist werden Vielfache dieser Grundeinheit verwendet, z.B. Kilohertz (KHz), Megahertz (MHz) oder Gigahertz (GHz)^[2].

Im Bereich der digitalen Telekommunikation hat dieser Begriff eine etwas andere Bedeutung. Hier spricht man von der digitalen Bandbreite. Alle Informationen werden unabhängig von ihrem Wesen als Bits gesendet. Sprache, Video und Daten werden, bevor sie über digitale Medien übertragen werden, in Bitströme umgewandelt. Deswegen wird in der digitalen Übertragungstechnik unter Bandbreite die Anzahl der Bits verstanden, die pro Zeiteinheit über eine Verbindung übermittelt werden können. Die Einheit der digitalen Bandbreite wird nicht in Hertz, sondern in Bit pro Sekunde (b/s) angegeben. Auch hier kommen häufiger -ähnlich wie bei der analogen Bandbreite- Vielfache dieser Grundeinheit zum Einsatz, z.B. Megabit (Mb/s), Kilobit (Kb/s) oder Gigabit (Gb/s). In dieser Arbeit wird mit dem Begriff »Bandbreite« immer die digitale Variante bezeichnet.

Man unterscheidet hauptsächlich zwischen drei Metriken: die Basisband-breite (eng. capacity), die verfügbare Bandbreite (eng. available bandwidth) und der Durchsatz (eng. throughput).

Die Basisbandbreite eines Links ist definiert als die maximale Anzahl an Bits, die dieser Link pro Sekunde übertragen kann. Betrachtet man dagegen einen Pfad, der aus mehreren Links besteht, so ergibt sich die Ende-zu-Ende Basisbandbreite dieses Pfades durch

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

wobei Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten die Basisbandbreite des Links i und H die Anzahl der Links (bzw. Hops) entlang des Pfades zwischen dem Sender und dem Empfänger angibt.

Mit anderen Worten: Die Ende-zu-Ende Basisbandbreite gibt die maximale Bandbreite des schwächsten Links (bzw. Hops) auf dem gesamten Weg zwischen zwei Hosts an. Die Basisbandbreite ist ein Maß für die Engstelle einer Kommunikationsstrecke, welches unabhängig von der aktuellen Belastung des Netzes ist^[3]. Abbildung 2.1 veranschaulicht einen Pfad bestehend aus drei Links, dessen Ende-zu-Ende Basisbandbreite 64 Kb/s beträgt.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 2.1: Ende-zu-Ende Basisbandbreite (Quelle: [Geisinger05-2], Folie 8)

Eine interessante Frage bei der Messung der Basisbandbreite lautet, auf welcher Schicht ein Tool diese Metrik misst. Ein Link auf der Schicht 2 transportiert die Daten normalerweise mit einer konstanten Übertragungsrate. Diese konstante Übertragungsrate lautet beispielswese bei 10Base-T Ethernet 10 Mb/s. Dies ist die Basisbandbreite dieses Links auf der Schicht 2 (auch nominale Bandbreite genannt). Dieser Link liefert jedoch der darüberliegenden IP-Schicht eine geringere Bandbreite (im Vergleich zu seiner nominalen Bandbreite), da der Overhead der Schicht 2 auf die Bandreite der Schicht 3 reduzierend wirkt. Sei Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten die Basisbandbreite eines Links auf der Schicht 2. Die Übertragungsverzögerung eines IP-Pakets der Größe Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten Byte errechnet sich aus:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

wobei Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten den Schicht-2-Overhead in Byte angibt. Der Schicht-2-Overhead wird benötigt, um das zu sendende IP-Paket einzukapseln. Die effektive Basisbandbreite Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten dieses Links auf der IP-Schicht lautet:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Es ist zu beachten, dass die maximal erreichbare Basisbandbreite, die man auf der IP-Schicht bekommt, stark von der Paketgröße Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten abhängt. So führt beispielsweise ein IP-Paket mit einem vergleichsweise größeren Payload-Anteil zu einer entsprechend größeren Basisbandbreite, da der Overhead der Schicht 2 auf kleine Payloads wesentlich stärker auswirkt als auf große Payloads. Insofern ist es erforderlich, die maximal mögliche Payload-Größe eines IP-Pakets zu verwenden, um die maximale Basisbandbreite auf der IP-Schicht zu ermitteln. Die maximal mögliche Payload-Größe eines IP-Pakets (einschließlich IP-Header) wird beim Ethernet durch MTU beschränkt.

Somit ist die Basisbandbreite auf der IP-Schicht definiert als die maximale Übertragungsrate auf dieser Schicht, die man mit der maximal möglichen Payload-Größe (= MTU) erreichen kann^[4].

Beispiel:

Das 10BaseT Ethernet hat eine Basisbandbreite von Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten10 Mb/s und einen Schicht 2 Overhead von insgesamt Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten 38 Bytes (18 Bytes für den Ethernet-Header, 8 Bytes für die Präambel und 12 Bytes für den Interframe Gap). Für ein IP-Paket der Größe Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten100 Byte ergibt sich auf der IP-Schicht eine Basisbandbreite von Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten7,24 Mb/s. Betrachtet man dagegen ein IP-Paket der Größe Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten1500 Byte, so beträgt die entsprechende Basisbandreite auf dieser Schicht Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten9,75 Mb/s.

Es existieren zwei verschiedene Methoden, mit deren Hilfe die Basis-bandbreite gemessen werden kann. Die erste Methodik, Packet Pair genannt, misst die Ende-zu-Ende-Basisbandbreite, während die sogenannte Pathchar -Methode die Basisbandbreite für jeden Hop des Pfades bestimmt (siehe Abb. 2.2). Diese beiden Methoden werden in den Kapiteln 4 und 5 beschrieben.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 2.2: Messung der per-Hop-Basisbandbreiten entlang eines Pfades (Quelle: In Anlehnung an [Geisinger05-2], Folie 8)

Die zweite Metrik ist die verfügbare Bandbreite, welche die für den momentanen Zeitpunkt höchste Bandbreite misst. Auf dieses Maß hat vor allem die zum Messzeitpunkt vorherrschende Belastung des Netzes erheblichen Einfluss. Die verfügbare Bandbreite wird durch den Datenverkehr aus anderen Quellen bestimmt.

Sei Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten die Basisbandbreite des Links i und Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten die Anzahl der Bits, die über diesen Link während des Zeitintervalls Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten übertragen wurden. Der Term Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten, mit Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten, gibt die Nutzung der Bandbreite des Links i während des Zeitintervalls Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthaltenan. Dann ergibt sich die verfügbare Bandbreite Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten des Links i in dem Zeitintervall T als der Anteil der BasisbandreiteAbbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten, der während dieses Zeitintervalls nicht genutzt wurde, d.h.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Durch Erweiterung dieses Konzepts auf den gesamten Pfad lässt sich die Ende-zu-Ende verfügbare Bandbreite Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten während des Zeitintervalls T als die minimale verfügbare Bandbreite unter allen Links berechnen, d.h.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Im Gegensatz zur Basisbandbreite wird die verfügbare Bandbreite nur auf der IP-Schicht gemessen. Es ist jedoch zu beachten, dass die in Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten angegebene Formel den Overhead der Schicht 2 nicht berücksichtigt. Soll die Overhead-Betrachtung der Schicht 2 in diese Formel mit einbezogen werden, müsste aus der Basisbandbreite Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten noch der Overhead der Schicht 2 abgezogen werden.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 2.3: Ende-zu-Ende verfügbare Bandbreite (Quelle: In Anlehnung an [Geisinger05-2], Folie 8)

Die Abbildung 2.3 veranschaulicht ein Beispiel, bei dem die Ende-zu-Ende verfügbare Bandbreite unter der Berücksichtigung des Schicht 2 Overheads ermittelt wird. Sie zeigt einen Pfad zwischen einem Sender und einem Empfänger, bei dem der erste und der dritte Link auf der IP-Schicht eine effektive Basisbandbreite von 97,5 Mb/s (Fast Ethernet) haben. Der zweite Link hat dagegen eine effektive Bandbreite von 9,75 Mb/s (10Base-T Ethernet). Die Nutzung dieses Pfades beträgt während der Messung der verfügbaren Bandbreite konstant 5 Mb/s. Die Ende-zu-Ende verfügbare Bandbreite, die auf der IP-Schicht zur Verfügung steht, lautet in diesem konkreten Szenario 4,75 Mb/s.

Der Link mit der minimalen Basisbandbreite bestimmt die Ende-zu-Ende Basisbandbreite des Pfades, während der Link, bei dem der nicht genutzte Anteil der Basisbandbreite minimal ist, die Ende-zu-Ende verfügbare Bandbreite limitiert. Um den Ausdruck „ bottleneck link“ zu vermeiden, der für beide Metriken gleich verwendet wird, wird der Link, der die Ende-zu-Ende Basisbandbreite bestimmt, als „ Narrow-Link“ und der Link, der die Ende-zu-Ende verfügbare Bandbreite limitiert, als „ Tight-Link“ bezeichnet^[5]. Abbildung 2.4 veranschaulicht einen Pfad mit insgesamt drei Links, wobei der erste Link den Narrow-Link und der dritte Link den Tight-Link dieses Pfades veranschaulicht.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 2.4: Narrow-Link vs. Tight-link (Quelle: [Prasad03, S. 4])

Die dritte Metrik ist der Durchsatz. Er gibt die Menge an Daten an, die zwischen zwei Endrechnern über ein Netz erfolgreich übertragen wurden. Der Durchsatz wird gewöhnlicherweise nur für Ende-zu-Ende Pfade definiert und auf der Transportschicht gemessen. Der Durchsatz kann von vielen Faktoren limitiert werden, einschließlich Hardware und Software. Einige Beispiele, die den Durchsatz limitieren können, sind:

- Hardwareeigenschaften der Endrechner
- Transportprotokoll, mit dem die Daten übertragen werden (UDP bzw. TCP)
- die nicht optimale Einstellung gewisser Übertragungsparameter wie z.B. bei TCP die Größe des Puffers beim Empfänger oder Auswahl der initialen Größe des Überlastfensters
- Größe der zu übertragenden Daten und RTT der Kommunikationsstrecke
- Unterschiede in den TCP-Implementierungen (Reno, Tahoe etc.)

Der Durchsatz gibt somit die Anzahl der Bits an, die eine Applikation mit diesen spezifischen Einstellungen maximal erreichen kann. Folglicherweise kann es vorkommen, dass aufgrund dieser genannten Limitierungsfaktoren der erreichte Durchsatz einer Applikation kleiner ist als die eigentliche im Pfad verfügbare Bandbreite^[6].

2.2 Weitere Begriffsdefinitionen

Es gibt zwei Hauptgründe für Verzögerungen bei der Übermittlung von Daten im Netzwerk: die Übertragungsverzögerung und die Latenzzeit.

Die Übertragungsverzögerung, auch „transmission delay“ genannt, ist die Zeit, die für das komplette Versenden bzw. das vollständige Auslesen eines Datenpakets gebraucht wird. Sie entsteht bei der Serialisierung der Bits auf den Link bzw. beim Kopieren dieser Bits auf den Buffer. Die Übertragungsverzögerung hängt von der Bandbreite und von der Paketgröße ab^[7]. Die Tabelle 2.1 zeigt die Übertragungsverzögerung als Funktion von Bandbreite und Paketgröße.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Tabelle 2.1: Übertragungsverzögerung als Funktion von Bandbreite und Paketgröße

Die Latenzzeit ist die Zeit, die ein Datenpaket für den Weg von der Quelle bis zum Ziel braucht. Die Latenzzeit ist von der Distanz und von der Ausbreitungsgeschwindigkeit des Mediums abhängig8. Die Tabelle 2.2 zeigt die Latenzzeit als Funktion der Distanz. Angenommen wurde eine Ausbreitungsgeschwindigkeit von 300 000 km/s.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Tabelle 2.2: Latenzzeit als Funktion der Distanz

Die Methoden zur Bestimmung der Bandbreite lassen sich in aktive und passive Messmethoden einteilen. Aktive Messmethoden bringen zusätzlichen Verkehr ins Netz, um daraus die Bandbreite zu ermitteln. Der Netzverwalter bestimmt, wann die Messungen stattfinden und wie viel Messverkehr dabei generiert wird. Im Gegensatz zu den aktiven Messmethoden erzeugen die passiven Messmethoden keinen zusätzlichen Verkehr, sondern zeichnen den realen Verkehr auf. Ein großer Vorteil von passiven Messungen ist somit die Messung der Bandbreite, ohne dass der normale Netzverkehr gestört wird.

Die aktiven Messmethoden unterscheiden sich wiederum darin, ob sie die Bandbreite auf eine intrusive bzw. non-intrusive Weise messen. Eine aktive Messmethode ist intrusive, wenn sie im Netz erhebliche Verkehrslast erzeugt, hohe und persistente Warteschlangenverzögerungen bzw. Paketverluste verursacht und somit den Durchsatz anderer Verbindungen beeinflusst. Anderenfalls heißt die Messmethode non-intrusiv.

2.3 Vorarbeiten

Die Messung der Bandbreite ist in dem Forschungsumfeld kein neues Thema. Es existieren viele Tools und dazugehörige wissenschaftliche Arbeiten, die sich mit diesem Thema auseinandersetzen.

Die Tools nettimer [Lai01], pathrate [Downey99], sprobe [Sariou02], capprobe [Kapoor04], asymprobe [Chen05], bprobe [Carter96], PPrate [En-Najjary06] und MultiQ [Katti04] messen die Ende-zu-Ende Basis-bandbreite eines Pfades. Im Gegensatz dazu messen die Tools pathchar [Downey99], clink und pchar die per-Hop-Basisbandbreiten entlang des Pfades zwischen dem Sender und Empfänger.

Die Tools pathload [Jain02], IGI-PTR [Hu03], pipechar [Jin01], spruce [Strauss03], abing [Navratil03], yaz [Sommers06], ASSOLO [Goldoni09], DietTopp [Johnsson04] und pathChirp [Riberio03] ermitteln dagegen die Ende-zu-Ende verfügbare Bandbreite.

Schließlich messen die Tools iperf [Ajay03], TTCP und NetPerf den erreichbaren Durchsatz zwischen zwei Hosts.

Die meisten dieser Arbeiten haben einen ähnlichen Aufbau. Sie beschreiben in erster Linie die von dem Tool gemessene Metrik sowie die zur Messung dieser Metrik verwendete Methodik. Danach werden implementierungs-spezifische Details über das entsprechende Tool diskutiert. Im letzten Teil wird dann das vorgestellte Tool experimentell evaluiert.

Die in diesen einzelnen Arbeiten evaluierten Tools haben jedoch alle ihren eigenen Messaufbau bzw. -methodik und werden nicht nach dem gleichen Bewertungsschema evaluiert, sodass man sie nur schwierig miteinander vergleichen kann. Zudem evaluieren die meisten Autoren die Tools nur bezüglich ihrer Messgenauigkeit und lassen weitere Performance-Parameter wie z.B. die insgesamt benötigte Messzeit und die Menge an generierten Messverkehr außer Betracht.

Es existieren auch wissenschaftliche Arbeiten, die die Zielsetzung haben, diese erwähnten Tools miteinander zu vergleichen. Die Arbeit [Sommers06] vergleicht beispielsweise yaz mit pathload und spruce. In [Castellanos06] werden die Tools DietTopp, pathload und pathChirp simulativ miteinander verglichen. [Han09] evaluiert die Tools pathload, pathChirp, IGI-PTR und iperf. Diese Arbeiten beschränken sich jedoch nur auf die Metrik „verfügbare Bandbreite“.

In der Arbeit [En-Najjary07] werden die passiven Tools PPrate, nettimer und MultiQ miteinander verglichen. Diese Arbeit beschränkt sich ausschließlich auf diese passiven Tools und lässt die aktiven Tools unberücksichtigt. [Labit05] ist eine der Arbeiten, die die Tools umfassend vergleicht. Diese Arbeit bezieht sich nur auf die zwei Metriken „Per-Hop-Basisbandbreite“ und „Ende-zu-Ende verfügbare Bandbreite“ und wertet für die erste Metrik die Tools pathchar , pchar und clink und für die zweite Metrik die Tools abing , spruce , IGI und pipechar aus.

Im Unterschied zu all diesen Ausarbeitungen sollen in dieser Arbeit die wichtigsten Methoden (SLoPS, Pathchar, Packet Pair und Throughput) erläutert werden. Alle zu evaluierenden Tools werden je nach gemessener Metrik und verwendeter Methodik klassifiziert und einheitlich nach dem gleichen Bewertungsschema experimentell evaluiert. Die Evaluation dieser Tools umfasst sowohl die Überprüfung ihrer Messgenauigkeit als auch ihre Performance-Analyse.

3 Vergleichsmethodik für die Messtools

Für die Evaluierung der einzelnen Messtools wurden zwei verschiedene Evaluationsschemas erarbeitet: das Einordungsschema und das Bewertungsschema.

3.1 Einordnungsschema

Das Einordnungschema umfasst allgemeine und statische Informationen zu den einzelnen Tools wie z.B. welche Metrik das Tool misst, welche Methode es für die Messung dieser Metrik verwendet und ob es die Messung aktiv oder passiv durchführt. Tabelle 3.1 zeigt das Einordungsschema mit allen erarbeiteten Einordnungspunkten. Alle zu evaluierenden Tools werden zuerst nach diesem Einordnungsschema einheitlich klassifiziert.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Tabelle 3.1: Schema zur Einordnung der einzelnen Tools

Im folgenden Abschnitt werden diese einzelnen Einordnungspunkte beschrieben.

Gemessene Metrik:

Gibt die Metrik an, die das Tool misst. Mögliche Angaben sind „Basisbandbreite“, „verfügbare Bandbreite“ oder „Durchsatz“.

Ende-zu-Ende- bzw. per Hop-Messung:

Gibt an, ob das Tool die Metrik für den Pfad oder für jeden Hop separat misst. Mögliche Angaben sind „Ende-zu-Ende“ oder „per Hop“.

Methodik des Tools:

Gibt die Methode an, die das Tool verwendet, um die zu messende Metrik abzuschätzen. Mögliche Angaben sind “Packet Pair”, “Pathchar”, „Self-Loading of Periodic Streams (SLoPS)” oder “Throughput”.

Aktiv / Passiv:

Gibt an, ob das Tool die Messung aktiv durch die Generierung von zusätzlichem Verkehr oder passiv durch die Analyse des vorhandenen Verkehrs vornimmt. Mögliche Angaben sind „aktiv“ oder „passiv“.

Verwendetes Protokoll:

Das Protokoll, mit dem die Messung einer Metrik vorgenommen wird, ist ebenfalls von großer Bedeutung. So ist beispielsweise die Nutzung des ICMP-Protokolls zur Durchführung einer Messung im Internet weniger geeignet, da dieses Protokoll aus Sicherheitsgründen häufig deaktiviert oder durch Firewalls geblockt wird. Aus diesem Grund verwenden die meisten Tools das UDP- bzw. TCP-Protokoll. Mögliche Angaben sind „ICMP“, „UDP“ oder „TCP“.

Unterstützung asymmetrischer Links:

Gibt an, ob ein Tool in der Lage ist, Bandbreiten der asymmetrischen Links zu messen. Ein Pfad zwischen dem Sender und dem Empfänger ist asymmetrisch, wenn die Bandbreite in beide Richtungen unterschiedlich groß ist. Dabei wird die Bandbreite in der Richtung vom Sender zum Empfänger (anders als im üblichen Server-Client-Modell) als Downstream-Bandbreite und die Bandbreite in der umgekehrten Richtung als Upstream-Bandbreite bezeichnet. Beispiele für Übertragungstechniken, die auf dem asymmetrischen Übertragungsverfahren beruhen, sind ADSL (Asymmetric Digital Subscriber Line) und Satellitenverbindungen. Mögliche Angaben sind „ja“ oder „nein“.

Kooperative Umgebung:

Einige Tools setzen sich aus einem Prozess beim Sender und einem Prozess beim Empfänger zusammen und erfordern somit die Kooperation von beiden. In der Praxis ist jedoch häufig schwierig, dass man Zugriff auf den beiden Endrechnern hat. Aus diesem Grund stellt sich für ein Tool die Frage, ob es die Messung auch in unkooperativen Umgebungen durchführen kann.

Mögliche Angaben für diesen Einordnungspunkt sind:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Schicht, auf der gemessen wird:

Wie es bereits im Kapitel 2.1 erläutert wurde, kann eine und dieselbe Metrik auf verschiedenen Schichten gemessen werden. Aus diesem Grund stellt sich für ein Tool die Frage, auf welcher Schicht es die Metrik misst. Mögliche Angaben sind Schicht „2“, „3“ oder „4“.

Root-Rechte:

Gibt an, ob das Tool bei der Ausführung Root-Rechte benötigt. Mögliche Angaben sind „ja“ oder „nein“.

3.2 Bewertungsschema

Im Gegensatz zum Einordungsschema werden die Tools mit dem Bewertungschema bezüglich ihrer Messgenauigkeit und Performance evaluiert. Zu diesem Zweck wurden entsprechende Bewertungskriterien definiert, die in der Tabelle 3.2 zu sehen sind. Alle Tools werden nach diesem Bewertungsschema experimentell evaluiert.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Tabelle 3.2: Bewertungsschema zur Evaluation der einzelnen Tools

Die Evaluationsergebnisse dieser Bewertungskriterien hängen sehr stark von dem aufgebauten Messaufbau und -szenario ab und können somit für das entsprechende Tool nicht verallgemeinert werden. Im folgenden Abschnitt werden diese einzelnen Bewertungskriterien erläutert.

Konsistenz der Messergebnisse:

Jedes zu evaluierende Tool wird unter denselben Messbedingungen mehrmals durchgeführt, um festzustellen, ob die ermitteln Messergebnisse miteinander konsistent sind bzw. wie stark diese voneinander abweichen. Diese Abweichung wird gemessen, in dem die Differenz zwischen der höchsten und der niedrigsten Abschätzung in Prozent der niedrigsten Abschätzung ausgedrückt wird.

Beispiel: [Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten] vier Abschätzungen eines Tools, das unter den gleichen Messbedingungen viermal ausgeführt wurde. Die Werte für die niedrigste und höchste Abschätzung weichen voneinander um genau 37,5 % ab.

Messgenauigkeit ohne Querverkehr:

Gibt an, um wie viel Prozent die von einem Tool getroffene Abschätzung von dem realen Wert der zu messenden Metrik abweicht. Dabei wird während der Messung kein Querverkehr generiert, sodass auf dem Pfad zwischen dem Sender und dem Empfänger nur noch der Messverkehr vorhanden ist.

Beispiel: Sei X = 10 Mb/s die zu messende Metrik und X‘ = 9,8 Mb/s die von einem Tool getroffene Abschätzung für die Metrik X. Diese Abschätzung weicht vom tatsächlichen Wert der zu messenden Metrik um 2 % ab.

Messgenauigkeit mit Querverkehr:

Im Unterschied zum vorher beschrieben Bewertungskriterium soll hiermit beobachtet werden, wie stark die Messgenauigkeit eines Tools beeinflusst wird, wenn auf dem Pfad während der Messung Querverkehr vorhanden ist. Dabei wird die Rate des zu generierenden Querverkehrs variiert, um festzustellen, ab welcher Rate ein Tool unzuverlässige Messergebnisse liefert. Es wird nur Querverkehr mit konstanten Raten betrachtet.

Benötigte Messzeit:

Die Messzeit gibt an, wie viel Zeit ein Tool insgesamt benötigt, um eine Abschätzung für die zu messende Metrik zu treffen. Sie wird je nach zu evaluierendem Tool in Sekunden oder in Minuten angegeben.

Menge des aktiv generierten Messverkehrs:

Gibt die Menge des Messverkehrs an, die ein aktives Tool generiert, um daraus eine Abschätzung für die zu messende Metrik zu treffen. Sie wird je nach zu evaluierendem Tool in KB oder in MB gemessen.

4 Packet Pair: Messen der Ende-zu-Ende Basisbandbreite

Dieses Kapitel ist in zwei Abschnitte unterteilt. Im ersten Abschnitt werden die theoretischen Grundlagen zur Packet Pair-Methode erläutert. Anschließend werden im zweiten Abschnitt zwei Packet Pair- Implementierungen (pathrate und nettimer) vorgestellt und ihre Evaluationsergebnisse zusammengefasst.

4.1 Theoretische Grundlagen zur Packet Pair - Methode

„Paket Pair“ misst die Ende-zu-Ende Basisbandbreite (eng. end-to-end capacity) zwischen zwei Hosts. Bevor das Prinzip von Packet Pair erläutert wird, soll zunächst die Definition folgender Begriffe vereinbart werden:

Sei Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten der Pfad zwischen zwei Hosts bestehend aus Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten Links. Der Link Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthaltenAbbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten mit der niedrigsten Bandbreite in Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten wird als Narrow -Link bezeichnet. Die Bandbreite dieses Narrow-Links bestimmt somit die Ende-zu-Ende Basisbandbreite zwischen zwei Hosts. Alle vor dem Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten Link kommenden Links werden als Pre-Narrow-Link und alle nach dem Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten Link kommenden Links als Post-Narrow-Link bezeichnet.

In den folgenden Kapiteln wird der Begriff „Narrow-Link-Bandbreite“ für die Ende-zu-Ende Basisbandbreite als Synonym verwendet.

4.1.1 Grundidee von Packet Pair

Packet Pair beruht auf der Tatsache, dass wenn zwei Pakete Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten undAbbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten gleicher Größe direkt hintereinander am Narrow-Link aufgestaut werden, sie mit einer Zeitdifferenz von

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

die Verbindung verlassen. Die Größe des zweiten Pakets wird durch Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten und die Bandbreite des Narrow-Links durch Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten angegeben. Diese Zeitdifferenz (auch „Dispersion“ genannt) kann beim Empfänger durch Differenzbildung der Ankunftszeiten des Paketpaars gemessen werden (Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten ). Durch Umstellen der Formel (4.1) kann auf die Narrow-Link-Bandbreite der Verbindung geschlossen werden^[8]:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Dieses Prinzip wird in der Abbildung 4.1 veranschaulicht.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 4.1: Packet Pair - Idee (Quelle: In Anlehnung an [Lai00], S. 4)

Für eine korrekte Messung der Narrow-Link-Bandbreite mit dem Packet Pair Verfahren müssen mehrere Bedingungen erfüllt sein.

Die beiden Pakete Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten und Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten müssen die gleiche Größe besitzen. Wäre Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten kleiner als Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten, dann müsste die Übertragungsverzögerung von Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten immer kleiner sein als die Übertragungsverzögerung von Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten. Folglich würde das Paket Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten die einzelnen Links im Pfad zum Empfänger im Gegensatz zum Paket Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten schneller durchlaufen und somit würde sich die Zeitdifferenz zwischen den beiden Paketen Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten und Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten verringern. Wäre dagegen Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten kleiner als Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten, würde Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten die einzelnen Links aus dem umgekehrten Grund schneller als Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten durchqueren. In diesem Fall würde sich die Zeitdifferenz zwischen den beiden Paketen Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten und Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten vergrößern^[9].

Das Paketpaar muss direkt hintereinander am Narrow-Link eingereiht werden und zusammen den gleichen Pfad verfolgen^[10].

Der Router muss die Pakete nach dem FIFO-Prinzip abarbeiten, also das erste Paket auch wieder zuerst weitersenden. Schließlich setzt Packet Pair voraus, dass sich die Übertragungsverzögerung zur Paketgröße proportional verhält und die Router nach dem Store-and-Forward-Prinzip arbeiten^[11].

4.1.2 Fehlerquellen bei Packet Pair

Packet Pair setzt für eine korrekte Messung der Narrow-Link-Bandbreite voraus, dass die zwei kurz nacheinander gesendeten Pakete genau hintereinander an dem Narrow-Link aufgestaut werden und nach dem Verlassen dieser Verbindung sich die Zeitdifferenz Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten nicht mehr ändert. Dieser idealisierte Vorgang wird in der Abbildung 4.2 A dargestellt.

Wird jedoch das Paketpaar am Narrow-Link durch ein oder mehrere Pakete getrennt, wird die Zeitdifferenz um die Größe der zusätzlichen Pakete erhöht (time extended). In diesem Fall ist die gemessene Narrow-Link-Bandbreite kleiner als die tatsächliche Narrow-Link-Bandbreite. Dieser Fall ist in der Abbildung 4.2 B dargestellt.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 4.2: Fehlerquellen bei Packet Pair (Quelle: In Anlehnung an [Lai01], S. 4)

Ein anderer Fehler kann entstehen, wenn das erste Paket Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten nach dem Narrow-Link in der Warteschlange eines Routers durch ein oder mehrere andere Pakete aufgehalten wird. D.h. Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten muss in einer Warteschlange nach dem Narrow-Link länger warten als Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten. Dadurch nähert sich das zweite Paket Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten dem ersten Paket Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten an, sodass die ursprüngliche Zeitdifferenz des Paketpaars verkleinert wird (time compression). In diesem Fall ist die gemessene Narrow-Link-Bandbreite größer als die tatsächliche Narrow-Link-Bandbreite. Dieser Fall ist in der Abbildung 4.2 C dargestellt.

Werden die Pakete vom Sender schon mit einem zu großen Abstand abgeschickt, sodass sie am Narrow-Link nicht hintereinander aufgestaut werden, kann von der Zeitdifferenz der Pakete nicht klar auf die Narrow-Link-Bandbreite geschlossen werden. In diesem Fall ist die gemessene Narrow-Link-Bandbreite kleiner als die tatsächliche Narrow-Link-Bandbreite Abbildung 4.2 D veranschaulicht diesen Fall.

Die Fälle B bis D repräsentieren die hauptsächlichen Fehlerquellen, die bei einer Packet Pair Messung auftreten können. Es existieren zwar weitere mögliche Szenarien, diese sind aber lediglich Kombinationen dieser drei Fälle. Fehler der Art B bis D aus der Abbildung 4.2 verursachen ein gewisses Rauschen bei den Messergebnissen und sollten deswegen erkannt und eliminiert werden.

4.1.3 Filtertechniken

In diesem Kapitel soll erläutert werden, wie die zuvor beschriebenen Fehlerquellen erkannt und eliminiert werden können.

Sei ein Sample eine Abschätzung für die Bandbreite des Narrow-Links, die mit einer einzigen Packet Pair Messung ermittelt wurde. Führt man die Packet-Pair-Messung n mal durch, ergeben sich somit insgesamt n Samples. Aufgabe einer Filtertechnik besteht darin, zu bestimmen, welche dieser n Samples die richtige Narrow-Link-Bandbreite reflektieren und welche nur falsche Messwerte repräsentieren.

Die erste Filtertechnik, Packet Pair Filtering genannt, wurde von Kevin Lai und Mary Baker vorgestellt. Um die Fehlerquellen B (time extension) und C (time compression) aus der Abbildung 4.2. zu eliminieren, verwendet Packet Pair Filterung die folgenden zwei Erkenntnisse:

Erkenntnis 1:

Samples, die während ihrer Übertragung durch Pakete anderer Quellen beeinflusst wurden (Fall B und C Samples), tendieren dazu, miteinander nicht zu korrelieren, während die richtig gemessenen Samples (Fall A Samples) sich um den realen Wert (= Narrow-Link-Bandbreite) stark konzentrieren und damit Cluster bilden. Das liegt daran, weil angenommen wird, dass die Querverkehrpakete zufällige Größe haben und an jedem Link entlang des Pfades zufällig ankommen können. D.h. die Zeitdifferenz des Paketpaars wird bei jeder Packet Pair Messung um einen zufälligen Betrag, der auf der Größe der störenden Querverkehrpakete basiert, vergrößert bzw. verkleinert, sodass es jedes Mal zu verschiedenen Messergebnissen kommt. Wenn die Messungen dagegen ohne Einfluss der Querverkehrpakete durchgeführt werden, sollten die ermittelten Samples nahe beieinander liegen und somit Häufungspunkte bilden^[12].

Erkenntnis 2:

Paketpaare, die vom Sender mit einer niedrigen Bandbreite gesendet wurden, können beim Empfänger nicht mit einer höheren Bandbreite ankommen. D.h. die gemessene Zeitdifferenz des Paketpaars beim Empfang kann nicht kleiner sein als die Zeitdifferenz dieses Paketpaars beim Versand. Ist dies der Fall, dann ist das time-compression -Problem aufgetreten. D.h. das erste Paket des vom Sender gesendeten Paketpaars wurde nach dem Narrow-Link durch ein oder mehrere Querverkehrpakete aufgehalten, sodass sich das zweite Paket dem ersten Paket nähern konnte und die ursprüngliche Zeitdifferenz dadurch verkleinert wurde. Dieses Problem kann wie folgt erkannt werden:

- Der Sender berechnet die Zeitdifferenz des Paketpaars beim Versand und übermittelt diese an den Empfänger
- Der Empfänger misst entsprechend die Zeitdifferenz dieses Paketpaars beim Empfang
- Schließlich überprüft der Empfänger, ob die Zeitdifferenz beim Empfang kleiner ist als die Zeitdifferenz beim Versand. Wenn ja, wird dieses Sample ausgefiltert.

Zur Erkennung des time-compression -Problems muss die Zeitdifferenz des Paketpaars sowohl beim Versand als auch beim Empfang gemessen werden. Aus diesem Grund erfordert diese Filtertechnik, dass die Packet Pair Software sowohl auf der Senderseite als auch auf der Empfängerseite eingesetzt wird.

Abbildung 4.3 zeigt ein hypothetisches Beispiel, wie man die zwei Erkenntnisse auf eine Sample-Menge anwenden kann.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 4.3: Packet Pair Filtering (Quelle: [Lai03], S. 4)

Die y-Achse (Received Bandwidth) gibt die gemessene Bandbreite des Paketpaars beim Empfang an: Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten. Die x-Achse (Sent Bandwidth) beschreibt dagegen die gemessene Bandbreite dieses Paketpaars beim Versand: Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten. Die als rot gekennzeichnete Linie gibt an, dass die gemessene Narrow-Link-Bandbreite genau so hoch ist wie die Bandbreite des Senders. Für den Sender ist dies der optimale Fall, da seine potentielle Bandbreite nicht durch einen Narrow-Link reduziert wird. Mithilfe der zweiten Erkenntnis werden alle Fall C Samples über dieser Linie eliminiert. Aus den übrig bleibenden Samples wird dann das Sample mit der höchsten Dichte als die Bandbreite des Narrow-Links abgeschätzt. D.h. das Sample, zu dem alle anderen Samples an nahsten sind (Erkenntnis 1), werden durch Packet Pair Filtering bevorzugt. Dieser Ansatz wurde durch das passive Tool nettimer implementiert.

Neben der Packet Pair Filterung gibt es noch den sogenannten Minimum Delay Sum Ansatz, mit dem sich falsche Messergebnisse ebenfalls erkennen und eliminieren lassen. Dieser Ansatz basiert auf der folgenden Überlegung: Wenn die beim Empfänger gemessene Zeitdifferenz des Paketpaars mit der vom Narrow-Link verursachte Zeitdifferenz nicht übereinstimmt, dann muss mindestens eines dieses gesendeten Paketpaars in einem Post-Narrow-Link durch Querverkehrpakete gestört worden sein. D.h. entweder das erste Paket oder das zweite Paket dieses Paketpaars wurde durch Querverkehrpakete aufgehalten, sodass die ursprüngliche vom Narrow-Link verursachte Zeitdifferenz dieses Paketpaars nachträglich verändert wurde. Die Gesamt-Einwegeverzögerung eines solchen Paketpaars wird logischerweise größer sein als die Gesamt-Einwegeverzögerung eines Paketpaars, dessen Zeitdifferenz durch Querverkehrpakete nicht beeinflusst wurde. Aus dieser Argumentaton folgt, dass Paketpaare mit der minimalen Gesamt-Einwegeverzögerung darauf hinweisen, die richtige Bandbreite des Narrow-Links zu reflektieren. Basierend auf dieser Überlegung führt man eine bestimmte Anzahl von Packet Pair Messungen durch, rechnet dann für jede Messung die benötigte Gesamt-Einwegeverzögerung des gesendeten Paketpaars aus und verwendet dabei die Zeitdifferenz des Paketpaars mit der minimalen Gesamt-Einwegeverzögerung, um die Bandbreite des Narrow-Links abzuschätzen^[13]. Dieser Ansatz wird von den beiden Tools capprobe und asymprobe verwendet.

[...]

---

^[1] [Lai99], S. 2

^[2] [Schawohl05], S.106

^[3] [Lai99], S. 2

^[4] [Prasad03], S. 2

^[5] [Prasad03], S. 4

^[6] [Jin03], S. 2

^[7] [Euler05], S. 2

^[8] [Lai00], S. 4

^[9] [Lai99], S. 2

^[10] [Lai00], S. 4

^[11] [Lai01], S. 3

^[12] [Lai01], S. 3

^[13] [Kapoor04], S. 2