Metriken der Netzwerkleistung

Die Netzwerkleistung wird durch eine kleine Reihe von Metriken – Durchsatz, Verzögerung, Jitter und Verlust – charakterisiert, die zusammen bestimmen, wie schnell und zuverlässig Daten zwischen Hosts übertragen werden und wie gut ein Netzwerk seine Anwendungen bedient.

Definition

Metriken der Netzwerkleistung sind die quantitativen Maße – hauptsächlich Durchsatz, Verzögerung (Latenz), Verzögerungsvariation (Jitter) und Paketverlust –, die verwendet werden, um zu charakterisieren, wie ein Netzwerk oder ein Pfad Daten liefert.

Scope

Dieses Thema behandelt die quantitativen Maße der Netzwerkleistung. Es befasst sich mit den vier Komponenten der Paketverzögerung (Verarbeitung, Warteschlange, Übertragung und Ausbreitung), der End-to-End- und Round-Trip-Latenz, dem Durchsatz und seiner Beziehung zu Engpassverbindungen, Jitter (Verzögerungsvariation) und Paketverlust. Es behandelt auch das Bandbreiten-Verzögerungs-Produkt und wie diese Metriken die Anwendungserfahrung prägen. Es schließt Protokollmechanismen, wie die Überlastkontrolle, die auf diese Bedingungen reagieren, aus, da diese im Bereich der Transportschicht behandelt werden.

Core questions

• Was sind die vier Komponenten der Paketverzögerung, und welche dominieren in verschiedenen Umgebungen?
• Wie hängt der Durchsatz mit der Engpassverbindung entlang eines Pfades zusammen?
• Was ist der Unterschied zwischen Bandbreite, Durchsatz und Goodput?
• Wie entstehen Jitter und Paketverlust, und welche Anwendungen sind dafür empfindlich?
• Was ist das Bandbreiten-Verzögerungs-Produkt, und warum ist es wichtig?

Key concepts

• Durchsatz und Goodput
• Bandbreite
• Latenz (Einweg und Round-Trip)
• Verarbeitungs-, Warteschlangen-, Übertragungs-, Ausbreitungsverzögerung
• Jitter (Verzögerungsvariation)
• Paketverlust
• Engpassverbindung
• Bandbreiten-Verzögerungs-Produkt

Key theories

Knotenverzögerungszerlegung

Die Verzögerung, die ein Paket an jedem Knoten erfährt, ist die Summe aus Verarbeitungs-, Warteschlangen-, Übertragungs- und Ausbreitungsverzögerungen; die Warteschlangenverzögerung ist die variable, lastabhängige Komponente, während die Ausbreitung von der Entfernung und die Übertragung von der Verbindungsrate und Paketgröße abhängen.

Durchsatz und die Engpassverbindung

Der End-to-End-Durchsatz wird durch die Verbindung mit der geringsten Kapazität (Engpass) entlang eines Pfades und durch Konkurrenz durch konkurrierenden Verkehr begrenzt, sodass eine Kapazitätserhöhung an anderer Stelle nicht hilft, es sei denn, sie entlastet den Engpass.

Bandbreiten-Verzögerungs-Produkt

Das Produkt aus der Bandbreite einer Verbindung und der Round-Trip-Verzögerung misst, wie viele Daten auf einem Pfad 'unterwegs' sein können; es legt die Fenstergröße fest, die erforderlich ist, um eine Hochgeschwindigkeits-Langstreckenverbindung voll auszulasten.

Clinical relevance

Leistungsmetriken übersetzen sich direkt in Benutzererfahrung und technische Entscheidungen: Eine geringe Latenz ist entscheidend für interaktive Anwendungen wie Spiele und Videoanrufe, ein hoher Durchsatz ist wichtig für Massenübertragungen und Streaming, und geringer Jitter und Verlust sind essenziell für Echtzeitmedien. Die Messung und Budgetierung dieser Metriken ist die Grundlage für Kapazitätsplanung, Service-Level-Agreements und die Diagnose langsamer oder unzuverlässiger Verbindungen.

History

Die Warteschlangentheorie, entwickelt von Leonard Kleinrock und anderen, legte die frühe analytische Grundlage für die Betrachtung von Verzögerungen in Paketnetzwerken. Als das Internet wuchs und sich in latenzempfindliche und bandbreitenintensive Anwendungen diversifizierte, wurde die systematische Behandlung von Durchsatz, Verzögerung, Jitter und Verlust in Netzwerktexten zum Standard und zentral für Messwerkzeuge und Servicegarantien.

Key figures

• Leonard Kleinrock
• James F. Kurose
• Larry L. Peterson

Seminal works

• kurose2021
• peterson2021

Frequently asked questions

Was ist der Unterschied zwischen Bandbreite und Durchsatz?

Bandbreite ist die maximale Datenrate, die eine Verbindung oder ein Pfad theoretisch übertragen kann, während der Durchsatz die tatsächlich erreichte Rate einer bestimmten Übertragung ist, die durch die Engpassverbindung, den Protokoll-Overhead und konkurrierenden Verkehr begrenzt wird. Goodput schließt zusätzlich Neuübertragungen und Protokoll-Header aus, um nur nützliche Anwendungsdaten zu zählen.

Warum fühlt sich meine Verbindung trotz hoher Bandbreite langsam an?

Wahrgenommene Langsamkeit resultiert oft eher aus Latenz, Jitter oder Verlust als aus Bandbreite. Interaktive Aufgaben hängen von der Round-Trip-Verzögerung ab, sodass ein Pfad mit hoher Bandbreite, aber hoher Latenz oder hohem Verlust, sich träge anfühlen kann, insbesondere bei Echtzeitanwendungen, auch wenn große Downloads möglicherweise immer noch schnell abgeschlossen werden.