Auswertung der Performancemessungen im Praktikum Rechnernetze II

Da zum Zeitpunkt unserer Messungen die Einbindung der ATM-Karten über ClassicalIP bereits nicht mehr funktionierte, ist es uns nicht möglich, einen vernünftigen Vergleich auf Basis unserer Daten zu führen. Wir beschränken uns vielmehr bei Aufgabe II auf den Vergleich der Meßwerte zwischen Amsel1 und Amsel4 sowie Amsel2 und Amsel3. Für Aufgabe III bleibt nur eine reine Darstellungen der Meßwerte, da gerade hier Daten aus den ATM- Messungen wichtig wären. Aufgabe IV muß vollständig wegfallen. Wir führen im Anschluß an die Auswertungen die Vor- und Nachteile beider Techniken auf.

Aufgabe I – Messungen auf dem Loopback (Linux vs. NT)

Alle Messungen wurden auf dem Rechner „Amsel1“ sowohl unter Linux als auch unter NT mehrmals (jeweils dreimal) durchgeführt. Die Diagramme basieren dabei auf - aus den Meßergebnissen - berechneten Mittelwerten.

1. TCP-Stream-Test

   Bei dieser Messung war zu beobachten, das unter NT der Durchsatz in relativ gleichbleibend großen Schritten anstieg, angefangen von einem Durchsatz von umgerechnet 0,035 Mbyte/s (Messagesize 1 Byte) bis zu einem maximalen Durchsatz von rund 12 Mbyte/s (Messagesize 65535 Byte). Dabei unterscheiden sich die Werte der Messungen mit einer Puffergröße von 8192 Byte nur unwesentlich von denen mit einer Puffergröße von 65535 Byte. Die Meßwerte unter Linux zeigen hingegen ein gänzlich anderes Verhalten. Sie steigen bis zu einer Nachrichtengröße von 512 Bytes (Puffergröße 8192 Bytes) bzw. von 256 Bytes (Puffergröße 65535 Bytes) kaum an, bleiben vielmehr fast auf dem selben Niveau. Dafür fallen dann die Werte ab einer Nachrichtengröße von 1460 Byte (Puffergröße 8192 Byte) bzw. 512 Byte (Puffergröße 65535 Byte) um so extremer aus. Es ergibt sich hier stets ein Wert, der weit über dem möglichen Durchsatz einer 100Mbit-Ethernetkarte liegt. So wurden Durchsätze von maximal 49,01 Mbyte/s gemessen, fast das vierfache des möglichen Durchsatzes. Dieses Phänomen ist möglicherweise darauf zurückzuführen, das unter Linux die Pakete gar nicht über den Loopback der Netzkarte geleitet werden, sondern direkt vom Kernel verarbeitet werden.

   
2. UDP-Unidirectional-Send-Test

   Auch bei dieser Messung bietet sich für den Test unter Linux das gleiche Bild wie beim TCP-Stream-Test. Wobei die Werte hier stärker ansteigen, und die Meßwerte unter NT bei weitem überragen. Ab einer Nachrichtengröße von 512 Byte werden allerdings wieder Werte gemessen, die über dem maximal möglichen Durchsatz liegen (Paketverarbeitung durch Kernel). Die Meßwerte unter NT steigen diesmal weniger stark an. Da uns für eine Nachrichtengröße von 65535 Bytes die Werte fehlen – sowohl unter Linux als auch unter NT wurde diese Messung mit der Meldung „Messagesize too large...“ abgebrochen – kann über den maximalen Durchsatz unter NT keine Aussage getroffen werden, es ist jedoch zu vermuten, das wie beim TCP- Stream- Test der maximal mögliche Durchsatz fast erreicht wird.

   
3. TCP/UDP-Request/Response-Test

   Für die beiden Request/Response-Tests kann man sagen, das die durchgeführten Transaktionen/s unter Linux die unter NT um das zwei- bis dreifache übertreffen. Ab einer Nachrichtengröße von 1460 Bytes/s ergeben sich allerdings auch hier wieder Datendurchsätze (eine Transaktion entspricht dem Austausch eines einzelnen Request und Responds bei gegebener Nachrichtengröße, also ergibt sich Datendurchsatz als 2*Nachrichtengröße* Transaktionen/s), die über dem maximal möglichen Wert liegen, so daß die erhöhten Werte wiederum auf die Paketverarbeitung durch den Kernel unter Linux zurückzuführen sind. Unter NT bleibt der Durchsatz immer unter dem maximal möglichen Durchsatz der 100 Mbit-Karten. Für beide Messungen gilt, das die Transaktionen/s mit zunehmender Nachrichtengröße abnehmen, wobei der Datendurchsatz ansteigt, und bei einer Nachrichtengröße von 65535 Byte sein Maximum erreicht. Dies wird dann klar, wenn man bedenkt, das mit zunehmender Nachrichtengröße die verschickten Pakete immer größer werden, die Bandbreite jedoch gleich bleibt und somit weniger Transaktionen in einer Zeiteinheit möglich sind.

   

Aufgabe II – Leistungsmessungen Ethernet

Bei dieser Aufgabe sollten sämtliche Messungen einmal zwischen Amsel1 und Amsel4 sowie zwischen Amsel2 und Amsel3 durchgeführt werden. Alle Messungen wurden wieder dreimal durchgeführt. Der wichtigste Unterschied besteht darin, das Amsel1 nicht direkt über den FE-Switch mit Amsel4 verbunden ist, sondern hier noch ein Hub dazwischen geschaltet ist. Damit arbeitet die Karte in Amsel1 nur im Halb-Duplex-Modus und das CSMA/CD-Verfahren (Verfahren mit Vielfachzugriff, Leitungsabfrage und Kollisionserkennung) kommt zum Einsatz. Dies bedeutet zum einen, das Amsel1 entweder Pakete senden oder empfangen kann, und zum anderen, das durch auftretende Kollisionen etwa bei Request/Response-Tests der Durchsatz entsprechend gesenkt wird, da bei Kollisionserkennung die entsprechenden Pakete nach einer zufälligen Zeitspanne nochmal gesendet werden müssen. Der dabei entstehende Overhead drückt den Durchsatz. In diesem Fall bringt es wenig, das Amsel4 an den FE-Switch angeschlossen ist, und somit im Full- Duplex- Mode arbeiten kann. Amsel2 und Amsel3 hingegen sind quasi direkt über das Switch verbunden (direkt geschaltete Verbindung), beide Karten arbeiten im Full- Duplex- Mode, Kollisionen sind hier ausgeschlossen. Dem entsprechend fallen auch die Meßdaten aus. So liegen die Daten aus den Messungen zwischen Amsel2 und Amsel3 (in den Diagrammen bezeichnet als A2L2A3L) bis auf den TCP-Stream-Test deutlich über denen zwischen Amsel1 und Amsel4 (in den Diagrammen A1NT2A4L).

1. TCP-Stream-Test

   Bei diesem Test treten die Unterschiede zwischen beiden Meßstrecken nicht so deutlich hervor. So kehrt sich das Bild bei einer Socketgröße von 65535 Bytes vielmehr um. Der Durchsatz der geswitchten Verbindung liegt hier unter dem bei einer Socketgröße von 8192 und ab einer Nachrichtengröße von 256 Bytes auch unter dem dazugehörigen Durchsatz der über den Hub laufenden Strecke. Der maximale Durchsatz der geswitchten Verbindung liegt bei 9,4 Mbyte/s (Messagesize 65535 Byte, Socketsize 8192 Byte), der maximale Durchsatz der über den Hub laufenden Verbindung bei 9,94 Mbyte/s (Messagesize 65535 Byte, Socketsize 65535 Byte).

   
2. UDP-Unidirectional-Send-Test

   Ein deutlicheres Bild zeigt sich bei diesem Test. Ab einer Nachrichtengröße von 200 Byte liegen die Meßwerte der geswitchten Verbindung über denen der Hub-Verbindung und erreichen einen maximalen Durchsatz von 11,41 Mbyte/s (Messagesize 1460 Byte, Socketsize 65535 Byte), die Hub-Verbindung hingegen nur maximal 7,32 Mbyte/s (Messagesize 512 Byte, Socketsize 65535 Byte), wobei danach ein Absinken des Durchsatzes zu beobachten ist. Die Socketgröße spielt dabei keine erkennbare Rolle, die Daten für 8192 bzw. 65535 Byte Socketgröße unterscheiden sich kaum.

   
3. TCP/UDP-Request/Response-Test

   Auch in diesen Tests bietet sich das gleiche Bild, wie im UDP- Test. Die Anzahl der Transaktionen/s ist für die geswitchte Strecke erkennbar größer, wobei der Unterschied zwischen beiden Meßstrecken mit zunehmender Nachrichtengröße abnimmt. Dabei fallen beim TCP- Request/Response- Test die Transaktionen/s ab einer Nachrichtengröße von 1460 Byte sowohl für eine Socketgröße von 8192 als auch von 65535 Byte überdurchschnittlich stark ab. Beim UDP- Request/Response- Test nähern sich die Transaktionen/s mit zunehmender Nachrichtengröße an. Die Socketgröße hat wiederum keinen erkennbaren Einfluß auf die Meßwerte.

   

Aufgabe III – Leistungsmessungen Ethernet

Bei diesem Test sollten alle Messungen zwischen Amsel3 und Amsel4 durchgeführt werden. Beide Rechner liefen dabei unter Linux. Alle Messungen wurden dreimal durchgeführt. Parallel dazu wurde von Amsel2 ein quasi- permanenter Datenstrom an Amsel4 geschickt. Um Aussagen treffen zu können, welche Auswirkungen der Datenstrom von Amsel2 auf die Messungen zwischen Amsel3 und Amsel4 hat, kann man die Ergebnisse der Messungen aus Aufgabe 2 zwischen Amsel2 und Amsel3 heranziehen. Auch hier wurden die Messungen zwischen zwei über den Switch verbundenen Rechnern durchgeführt, allerdings ohne eine parallel laufende Messung. In die Diagramme der Meßergebnisse haben wir deshalb die Ergebnisse aus Aufgabe 2 für die äquivalente Socketgröße 65535 Byte hinzugefügt. Dabei ist anzunehmen, das durch den Datenstrom von Amsel2 die Durchsätze und Transferraten zwischen Amsel3 und Amsel4 geringer ausfallen, da trotz FE- Switch eben nur eine 100Mbit- Strecke zu Amsel4 besteht.

1. TCP-Stream-Test/ UDP-Unidirectional-Send-Test

   Die Beeinflussung der Messungen zwischen Amsel3 und Amsel4 durch den Datenstrom von Amsel2 zeigt sich bei Vergleich mit den Daten aus Aufgabe relativ deutlich. Für den TCP- Stream- Test ergeben sich zwischen Amsel3 und Amsel4 für alle Nachrichtengrößen (bis auf 1 Byte) annähernd die gleichen Durchsätze (4,65 Mbyte/s – 5,25 Mbyte/s). Im Gegensatz dazu ergeben sich bei Aufgabe 2 hier Durchsätze zwischen 6,56 Mbyte/s. Die prozentuale Ausnutzung der Bandbreite liegt damit 13 – 19% unter der in Aufgabe 2. Das gleiche Bild ergibt sich für den UDP-Sendtest. Auch hier liegt die prozentuale Ausnutzung 0,0096 – 31,52% unter der aus Aufgabe 2.

   
2. TCP/UDP-Request/Response-Test

   Zumindest für den TCP-Request/Response-Test bestätigen sich auch hier unsere Annahmen. Die Transaktionen/s zwischen Amsel3 und Amsel4 liegen deutlich unter denen zwischen Amsel2 und Amsel3 in Aufgabe 2. Nur beim UDP-Request/Response-Test stimmen die Meßwerte fast überein. Hier ist keine Beeinflussung festzustellen.

   

Theoretischer Vergleich zwischen Fast-Ethernet und ATM

Mit Fast- Ethernet und ATM stehen zwei unterschiedliche Techniken zur Verfügung, Daten und Informationen zwischen Rechnern auszutauschen. Fast- Ethernet als Nachfolger des Ethernet arbeitet aus Kompatibilitätsgründen auch weiterhin mit dem CSMA/ CD- Zugriffsverfahren sowie mit dem gleichen Paketformat (maximal 1518 Byte Paketgröße bei 1500 Byte Nutzdatenfeld), jedoch mit einer höheren Bandbreite, nämlich 100 Mbit/s. Durch die Nutzung des CSMA/ CD- Verfahrens ergeben sich bei Fast- Ethernet auch die gleichen Probleme wie bei Ethernet. CSMA/ CD beruht auf folgenden Überlegungen: Wenn ein Rechner Daten übertragen möchte, versucht er auf dem Übertragungsmedium zu erkennen, ob ein anderer Rechner Daten überträgt (Carrier Sense). Ist das Medium besetzt, wird dieser Test nach einer zufälligen Zeitspanne wiederholt. Dies geschieht so lange, bis das Medium frei ist. Dann beginnt der Rechner mit dem senden seiner Daten. Alle anderen Rechner im Netz untersuchen den Header des Pakets, und wenn die eigene Adresse mit der Zieladresse im Paketheader überstimmt, wird mit dem Empfang begonnen. Will eine weitere Station senden, so wartet sie wieder solange, bis das Medium frei ist. Es kann allerdings passieren, das sich ein weiterer Rechner Zugang zum Medium verschafft und Daten sendet (Multiple Access). Nun kommt es zu einer Paketkollision (Collision Detection), die dazu führt, das die sendende Station ihren Sendeprozeß unterbricht, und ein Störsignal als Information für die anderen Rechner am Bus generiert. Erneutes Senden erfolgt wiederum nach einer zufälligen Zeitspanne. Der Nachteil dieses Verfahren ist, daß die mögliche Bandbreitenausnutzung mit dem Produkt aus Übertragungsgeschwindigkeit und Netzausdehnung stark abnimmt, und wegen des zufälligen Zugriffes auf das Medium ein Rechner im ungünstigsten Fall sehr lange auf das Senden seiner Daten warten muß. Dabei ist die Bandbreitenausnutzung kleiner 50%. Aus der Möglichkeit des Auftretens von Kollisionen ergibt sich ein weiterer Nachteil. Fast- Ethernet eignet sich nicht zum übertragen von isosynchronen Signale (Multimediaanwendungen), da bei auftretenden Kollisionen eben Datenpakete unterschiedlich verzögert werden können. Aus diesen Gründen kann eine Mindestbandbreite (Quality of Service) ebenfalls nicht garantiert werden. Das Problem der Shared-Media-Technologie (alle am Bus hängenden Rechner müssen sich die Bandbreite teilen) kann durch die Switching-Technologie behoben werden. Dabei bekommt jeder an den Switch angeschlossene Rechner eine bestimmte Bandbreite garantiert (100 Mbit/s bei 100Mbit-Switch). Durch diese Technik läßt sich auch die Kollisionproblematik beheben. Der eigentliche Vorteil von Fast- Ethernet liegt daher vor allem in der einfachen Migration von alten Ethernetnetzen, heutige marktübliche FE- Karten können sowohl mit 10 als auch mit 100 Mbit/s- Komponenten arbeiten (Repeater, Switches, Router). Fast- Ethernet bietet somit ein weit besseres Preis/ Leistungsverhältnis. ATM scheint im Gegensatz zu Fast- Ethernet vor allem die Lösung für bandbreitenhungrige Multimediaanwendungen zu sein. Es bietet weitaus höhere Bandbreite (bis zu 622 Mbit/s), Quality of Service, Skalierbarkeit und auf Grund des Einsatzes der Switching-Technologie Full-Duplex-Mode. Ein ATM- Netz arbeitet verbindungsorientiert, das heißt, die Reihenfolge der Zellen für jede Verbindung wird beibehalten. Alle Netzknoten sind über ein oder mehrere ATM-Switches miteinander verbunden Auf jedem Übertragungsabschnitt werden ununterbrochen Zellen fester Länge (53 Bytes, 48 Bytes Nutzdaten, 5 Bytes Header) übertragen. Sind gerade keine Nutzdaten vorhanden, so werden Leerzellen gesendet. Da die Zellen im Vergleich zu Ethernet sehr klein sind, kommt es nur zu geringen Verzögerungen. Somit können synchrone und asynchrone Dienste gleichermaßen realisiert werden. So können auch Audio- und Videodaten relativ verzögerungsfrei übertragen werden bzw. ganze Netze (etwa Telefonnetz) integriert werden.