Intelligence for a better world
Trotz hoher Taktraten schlechte Antwortzeiten – wo
liegen die Ursachen
Wolfgang Schau
30.10.2003
© 2003 GTEN AG
Die Magie der großen Zahlen

Je höher die Taktrate,
desto größer der Durchsatz


DSL 30 mal schneller als ISDN



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Z.B. 100 Mbit/s = 12 MB / Sekunde
– zumindest theoretisch
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
2 B-Wort
Quart
1
0
+3
1
1
+1
0
1
-1
0
0
-3
10
0
01
0
11
0
11
0
10
0
01
0
00
0
10
0
+3
0
+1
0
-1
-3
 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
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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)
48 Bit in 250 s
Coderegelverletzung
innerhalb 14 Bit
F L B1.1 ...
...B1.8 E D A FA N B2.1 ...
...B2.8 E D S1 B1.1 ...
...B1.8 E D S2 B2.1 ...
...B2.8 E D L
2 Bit Offset
D L F L B1.1 ...
...B1.8 L D L FA L B2.1 ...
...B2.8 L D L B1.1 ...
...B1.8 L D L B2.1 ...
...B2.8 L D L
Coderegelverletzung
innerhalb 14 Bit
A
B1.x
B2.x
D
E
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Aktivierungsanzeige
Bits im B1 Kanal
Bits im B2 Kanal
Bits im D-Kanal
Echo
F
FA
L
N-Bit
S1, S2
Framing Bit (= 0)
Zusätzliches Framing Bit (= 0)
Ausgleichsbit (Even Parity)
(= 1)
Sonderfunktion (=0)
5
Übertragungszeit
 Übertragungszeit
 Zeit vom Abschicken einer größeren Informationseinheit
Datenpaket, Datei, etc., bis zum vollständigen Empfang auf der
Gegenseite
Unterscheidung in
Duplexe Übertragung
Simplexe Übertragung
ohne Sicherungsprotokoll
hdx = half duplex
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fdx = full duplex)
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Simplexe Übertragung
Header
Data
t [s]
Header
Data
 Faktoren für die Übertragungszeit:
 Bitrate
 Overhead
 Physikalische Laufzeit = < c (c = 3*108 m/s)
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Beispiel: Simplexe Übertragung
2 Mbit/s
600 km
 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!
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Datenübertragung in der Praxis: Simplex
155 Mbit/s
128 kbit/s
2 Mbit/s
155 Mbit/s
155 Mbit/s
(2 Mbit/s)
 Praxis:




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600 km
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
ADSL 1568 / 256 kBit/s
SDSL 2 MBit/s
Taktzeit
1* 1.024 * 8 / 128*103 = 64 ms
8* 1.024 * 8 / 155* 106 = 0,4 ms
1* 1.024 * 8 / 2.048*103 = 4 ms
Router Process Zeit
9 * 0,2 ms
 1,8 ms
Physikalische Laufzeit
600*103 / 3*108  2 ms
Gesamt:
 72,2 ms
Taktzeit
1* 1.024 * 8 / 2.048*103 = 4 ms
8* 1.024 * 8 / 155* 106 = 0,4 ms
1* 1.024 * 8 / 2.048*103 = 4 ms
Router Process Zeit
9 * 0,2 ms
 1,8 ms
Physikalische Laufzeit
600*103 / 3*108  2 ms
Gesamt:
 12,2 ms
9
Antwortzeit (Duplexe Übertragung)
Header
Data
 Faktoren für die Übertragungszeit:
t [s]
 2 * (Bitrate + Overhead + Physikalische
Laufzeit)
 + Verarbeitungszeit
Header
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Header
Data
t [s]
Header
Quittung
Quittung
10
Übertragung in der Praxis:Round Trip Delay
2 Mbit/s
155 Mbit/s
1.568/256 kbit/s
155 Mbit/s
155 Mbit/s
600 km
 Praxis:




© 2003 GTEN AG
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
Upstream
Downstream
Taktzeit
1* 1.024 * 8 / 128*103 = 64 ms
8* 1.024 * 8 / 155* 106 = 0,4 ms
1* 1.024 * 8 / 2.048*103 = 4 ms
Router Process Zeit
9 * 0,2 ms
 1,8 ms
Physikalische Laufzeit
600*103 / 3*108  2 ms
Gesamt:
 72,2 ms
Taktzeit
1* 1.024 * 8 / 2.048*103 = 4 ms
8* 1.024 * 8 / 155* 106 = 0,4 ms
1* 1.024 * 8 / 1.568*103 = 5,2 ms
Router Process Zeit
9 * 0,2 ms
 1,8 ms
Physikalische Laufzeit
600*103 / 3*108  2 ms
Gesamt:
 13,4 ms
Total Roundtrip:
85,6 ms (+Verarbeitungszeit)
11
Routenverfolgung
tracert www.bahn.de
Routenverfolgung zu www.bahn.de [81.200.192.68] über maximal 30 Abschnitte:
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
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© 2003 GTEN AG
71 ms
60 ms
70 ms
70 ms
80 ms
90 ms
80 ms
90 ms
80 ms
90 ms
90 ms
60 ms
61 ms
70 ms
70 ms
80 ms
90 ms
90 ms
90 ms
91 ms
100 ms
90 ms
70 ms 192.168.10.1
60 ms 213.217.105.65
71 ms atm1-0.bremen2.kkf.net [62.145.11.1]
70 ms at-0-2-0-12.m20.ham.bmcag.net [194.140.113.84]
80 ms at-0-2-0-32.nap.decix.bmcag.net [194.140.113.29]
81 ms de-cix.ffm.plusline.net [80.81.192.132]
90 ms bahn-pl.m.plusline.net [213.83.21.189]
90 ms david.bahn.de [81.200.192.194]
90 ms andreas.bahn.de [81.200.192.132]
100 ms klaus.bahn.de [81.200.192.173]
90 ms www.bahn.de [81.200.192.68]
12
Route zu Yahoo.co.jp
Routenverfolgung zu www.yahoo.co.jp [202.229.198.216]
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
17
18
19
20
© 2003 GTEN AG
60 ms 60 ms 60 ms 192.168.10.1
61 ms 60 ms 70 ms 213.217.105.65
70 ms 70 ms 61 ms atm1-0.bremen2.kkf.net [62.145.11.1]
70 ms 70 ms 70 ms at-0-2-0-12.m20.ham.bmcag.net [194.140.113.84]
160 ms 170 ms 170 ms so-0-2-0-00.nap.ash.us.bmcag.net [194.140.113.15]
171 ms 160 ms 160 ms ge-2-3-0.r01.asbnva01.us.bb.verio.net [206.223.115.12]
170 ms 170 ms 180 ms p16-1-0-0.r21.asbnva01.us.bb.verio.net [129.250.5.21]
230 ms 231 ms 240 ms p16-0-1-2.r20.plalca01.us.bb.verio.net [129.250.2.192]
260 ms 230 ms 241 ms xe-0-2-0.r21.plalca01.us.bb.verio.net [129.250.4.231]
230 ms 231 ms 230 ms p64-0-0-0.r21.mlpsca01.us.bb.verio.net [129.250.5.49]
230 ms 230 ms 231 ms p16-6-0-0.r80.mlpsca01.us.bb.verio.net [129.250.3.24]
341 ms 360 ms 351 ms p16-0-2-0.r21.tokyjp01.jp.bb.verio.net [129.250.4.158]
360 ms 371 ms 350 ms xe-1-0-0.a21.tokyjp01.jp.ra.verio.net [61.213.162.230]
341 ms 340 ms 361 ms ge-0-0-0.a08.tokyjp01.jp.ra.verio.net [61.120.144.42]
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]
350 ms 351 ms 350 ms p7-0-fdm-core1.sphere.ad.jp [202.239.114.238]
351 ms 350 ms 351 ms g0-9-fdm-arena-gw5.sphere.ad.jp [202.239.113.134]
340 ms 341 ms 340 ms 202.239.120.147
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
Header
Data 1
Window = 1:

Faktoren für die Übertragungszeit:
 N * (2 * (Bitrate + Overhead + Physikalische
Laufzeit) + Verarbeitungszeit)
(N = Anzahl Pakete)
Header
Header
Data 1
Header
Quittung
Header
Data 2
Data 2
t [ms]
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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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Einfluss der Windows Size
Header
Data 1
Header
Data 2
Header
Data 3
Header
Data 4
Header
Header
Data 5
Quittung
Header
Header
Quittung 1
Header
Header
Quittung 2
Data 8
Header
Data 9
Header
Quittung
Data 6
Header
Die Quittung wird empfangen, bevor das
Sendefenster erreicht ist,
d.h. es kann kontinuierlich (mit wire speed) gesendet
werden!
t [ms]
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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
© 2003
© 2003
GTEN
GTEN
AG AG
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Trotz hoher Taktraten schlechte Antwortzeiten – wo liegen die