Umlaufzeit und Paketabstand
Größen außerhalb des Systems · in SI-Sekunden ausgedrückt · RTT und Δt zwischen Paketen
Im Jahr 1983 schrieb Mike Muuss, während er einer Störung im Netz nachging, an einem einzigen Abend ein kleines Programm, das einem Rechner eine kurze Anfrage schickte und die Zeit bis zur Antwort ausgab. Den Namen nahm er von den Sonarleuten: ein U-Boot sendet einen Klick und horcht auf das Echo, und die Entfernung wird aus einer einzigen Zeitdifferenz berechnet. Aus dieser Gewohnheit des Messens ist die Einheit entstanden: festgehalten wird weder der Hinweg noch der Rückweg, sondern die ganze Schleife.
Das Feine daran ist, dass der Umlauf von einer einzigen Uhr gemessen wird: die Anfrage geht von derselben Maschine fort, an der die Antwort eintrifft, und darum hängt die Differenz der Ablesungen nicht davon ab, ob die Uhren am anderen Ende übereinstimmen. Eine Verzögerung in nur einer Richtung ist so leicht nicht zu haben — dafür braucht es Uhren, die feiner gleichgehen als die Verzögerung selbst, also entweder ein eigenes Protokoll der Zeitübertragung oder einen Empfänger der Satellitenzeit an jedem Ende.
01 · Definition
Die Umlaufzeit ist die Spanne zwischen dem Absenden eines Pakets und dem Eintreffen der Antwort darauf, gemessen von ein und derselben Uhr. Der Paketabstand ist die Zeit zwischen dem Ausstoß zweier benachbarter Pakete eines Stroms; er wird nicht vom Netz gesetzt, sondern von dem, der es belastet.
Der Umlauf setzt sich aus drei Summanden verschiedener Art zusammen, und sie zu unterscheiden ist wichtig, weil jeder anders zu heilen ist. Der erste ist die Ausbreitungszeit, die sich aus der Länge der Strecke und der Lichtgeschwindigkeit in der Faser ergibt und keiner Besserung weicht außer einem kürzeren Kabel. Der zweite ist die Serialisierung, die Zeit, das Paket in die Leitung zu schieben, und sie sinkt, je schneller die Leitung ist. Der dritte ist die Warteschlange in den Puffern der Zwischenknoten, und nur er hängt davon ab, wie stark das Netz gerade belastet ist.
Daraus folgt ein nicht offensichtlicher Umstand: man kann die Leitung verzehnfachen, und der Umlauf ändert sich dabei überhaupt nicht, denn die Verbreiterung nimmt allein die Serialisierung weg, während die Warteschlangen und die Länge der Strecke bleiben, wo sie waren. Mehr noch, in Puffern, die «für alle Fälle» mit Reserve gebaut sind, gehen die Pakete nicht verloren, sondern warten, und der Umlauf unter Last wächst auf Sekunden — das ist das Übel, das man Bufferbloat getauft hat.
Der Paketabstand steht nicht zufällig daneben: fast alles, was mit einem Strom geschieht, entscheidet sich am Verhältnis von Abstand und Umlauf. Solange die Pakete häufiger hinausgehen, als die Bestätigungen zurückkommen, arbeitet der Absender blind und muss so viel Daten in der Strecke halten, wie physisch hineingeht — und diese Menge ist genau das Produkt aus Rate und Umlauf.
Wählen Sie eine Strecke und führen Sie den Schieber über die Paketgröße. Das blaue Paket geht vom linken Rack zum rechten und kehrt orange zurück; das Band unter der Strecke zerlegt den Umlauf in drei Summanden, damit sichtbar wird, womit er wirklich zugebracht ist. Eine größere Leitung kürzt nur den mittleren Teil — jenen, der auf langen Strecken ohnehin der kleinste ist.
Der Speicher wurde billiger, ehe sich die Verfahren änderten, und die Hersteller bauten Warteschlangen für Hunderte von Paketen in die Geräte, in der Annahme, ein Puffer zu viel könne nicht schaden. Es kam umgekehrt: eine volle Warteschlange verliert die Pakete nicht, sondern hält sie auf, der Absender erhält überhaupt kein Zeichen der Überlastung und lädt weiter nach. Der Umlauf auf einer Hausleitung unter Last wuchs auf anderthalb Sekunden, während die Rate dieselbe blieb.
02 · Umrechnung
Umlauf, Rohr und Paketstrom
Geben Sie einen Umlauf in beliebigen Einheiten ein, und das Blatt rechnet ihn in die übrigen um und ermittelt dann, was vom Umlauf abhängt: wie viel Daten bei verschiedenen Raten in die Strecke passen, welche Grenze das Fenster setzt und welchen Abstand zwischen Paketen die verschiedenen Kodierer wählen.
Die Rate für die Berechnung des Fassungsvermögens stammt aus der im interaktiven Teil gewählten Strecke; in den feinen Einstellungen lässt sie sich auf ein Gigabit festlegen.
Ping misst nicht ganz das, was ein Anwendungsprogramm braucht. Die Behandlung einer Echoanfrage im fernen Knoten läuft auf einem eigenen Weg, oft am Hauptrechenwerk vorbei, und darum trifft ihre Verzögerung nicht die einer wirklichen Verbindung; andere Geräte wiederum beantworten solche Anfragen zuallerletzt oder gar nicht. Deshalb bedeutet ein großer Ping nicht immer eine langsame Verbindung, und ein kleiner verbürgt keine schnelle.
| Wert | Anmerkung | ||
|---|---|---|---|
| {u} | {name} | {value} | {note} |
03 · Größenordnungen
logarithmische Skala: von Mikrosekunden bis Sekunden04 · Messgeräte
Womit die Umlaufzeit gefangen wird
Das Programm sendet ein Paket mit einem Zeitstempel und wartet auf dessen Rückkehr, und die Differenz der Ablesungen ist der Umlauf. Sein Vorzug ist, dass eine Uhr genügt und vom Gegenüber nichts verlangt wird als die Bereitschaft zu antworten; sein Mangel, dass es auf einem eigenen, nicht notwendig schnellen Weg antwortet.
Hat man den ganzen Austausch aufgezeichnet, gewinnt man den Umlauf aus dem Strom selbst: aus der Zeit zwischen dem Fortgang eines Segments und dem Eintreffen seiner Bestätigung. So wird genau jene Verzögerung gemessen, die das Anwendungsprogramm sieht, und zugleich wird die Streuung sichtbar — das, was im Gespräch stärker stört als eine gleichmäßige Verzögerung.
Geräte, die die Zeit unmittelbar im Netzchip stempeln, nehmen die Unbestimmtheit fort, die das Betriebssystem einbringt, und führen die Auflösung auf Zehntel von Mikrosekunden herab. Sie tauschen nach einer eigenen Übereinkunft, in der jedes Ende zwei Stempel setzt — und eben das erlaubt, den Umlauf in seine zwei ungleichen Hälften zu teilen.
Eine Verzögerung in einer Richtung wird nur dort gemessen, wo die Uhren an beiden Enden feiner auf eine gemeinsame Zeit gebracht sind als die Verzögerung selbst — dafür werden die Leitungen mit einem eigenen Protokoll ausgemessen oder Empfänger der Satellitenzeit aufgestellt. Ohne das bleibt der Umlauf die einzige ehrliche Zahl.
05 · Schreibregeln
Der Umlauf mit Einheit, die Streuung gesondert
Die Bezeichnung schreibt man in drei großen lateinischen Buchstaben ohne Punkte, den Wert mit Einheit und dem Hinweis, was genau gemessen wurde: eine einzelne Probe, der Mittelwert einer Reihe oder deren Median. Die Streuung führt man daneben als eigene Zahl an, denn ein Mittelwert allein sagt nichts darüber, ob die Pakete gleichmäßig laufen.
Die erste Schreibweise kommt ohne Einheit aus und damit auch ohne Sinn: hundertdreißig wovon — Millisekunden oder Mikrosekunden? Die zweite gibt eine Annahme für eine Messung aus, während der Weg hin und zurück oft verschiedene Bahnen nimmt und die Hälften ungleich ausfallen. Die dritte wiederholt den verbreitetsten Irrtum und hält den Umlauf für eine Eigenschaft der Leitung statt der ganzen Strecke. Die vierte verwechselt die Größen: ein Abstand zwischen Paketen ist kein Umlauf.
06 · Nachbareinheiten
Der Umlauf beschreibt die Strecke von der Seite der Zeit, die Rate von der Seite der Menge, und ihr Produkt gibt eine dritte Größe, das Fassungsvermögen der Strecke, ohne die sich keine schnelle Verbindung über große Entfernung einrichten lässt. Daneben steht die Streuung der Verzögerung, die im Gespräch und im Spiel stärker stört als eine gleichmäßige Verzögerung.
wie viel in eine Sekunde passt
Rate × Umlauf
Jitter nach RFC 3550
Von den Datenblättern von Simetrium stehen daneben das Bit und Byte, in denen das Fassungsvermögen gerechnet wird, Sekunde, auf die beide Größen letztlich zurückgehen, Dezibel aus Streckenbilanzen und der Prozessortakt, der die Auflösungsgrenze der Hardwarezeitstempel setzt.
07 · Historischer Teil
Der Klick und das Echo
Als zwischen der Universität von Kalifornien und dem Institut in Menlo Park das erste Wort übertragen wurde, diktierte der Bediener es über das Telefon und wartete Buchstabe für Buchstabe auf die Bestätigung. Die Verbindung brach beim dritten Buchstaben ab, doch das Verfahren selbst — abgeschickt, auf die Antwort gewartet, auf die Uhr gesehen — erwies sich als genau jenes, das bis heute in Gebrauch ist.
Mike Muuss schrieb sein Programm an einem Abend, während er einer Störung nachging, und benannte es nach dem Laut des Echolots: ein kurzer Stoß, dann das Warten auf die Rückkehr. Der Name erwies sich als so treffend, dass das Zeitwort «anpingen» weit über das Netzwesen hinaus in die Sprache einging und heute jede kurze Nachricht meint, mit der man nachfragt, ob jemand da ist.
Im Herbst 1986 fiel der Durchsatz einer der Universitätsleitungen um das Tausendfache: die Absender schickten, da sie keine Bestätigungen erhielten, immer neue Abschriften und gaben der Strecke den Rest. Van Jacobson schlug eine Heilung vor, die bis heute wirkt: den Umlauf und seine Streuung beobachten und ihr Wachsen als Zeichen der Überlastung nehmen, das Senden also zurückhalten, ehe die Verluste beginnen.
Die heutigen Verfahren der Flusssteuerung achten nicht mehr auf die Verluste, sondern unmittelbar darauf, wie der Umlauf wächst, und halten das Senden zurück, ehe die Warteschlange sich füllen kann. Heimrouter haben Verfahren erhalten, die den Puffer absichtlich kurz halten — und der Umlauf unter Last fällt von anderthalb Sekunden auf Zehner von Millisekunden auf derselben Leitung.
Der halbe Umlauf ist eine Annahme, keine Messung
Der Umlauf ist darin bequem, dass er keine Übereinstimmung der Uhren verlangt: sowohl das Absenden als auch das Empfangen werden von einem Gerät gestempelt, und ein Auseinandergehen der Skalen geht in die Differenz schlicht nicht ein. Eben darum arbeitet Ping überall und braucht keine Einrichtung, während die Verzögerung in einer Richtung eine weit heiklere Größe ist, die eine feinere Gleichstellung verlangt als das, was gemessen wird.
Die Gewohnheit, den Umlauf zu halbieren, hält sich darum, obwohl wenig dafür spricht: der Strom zum Gegenüber und der zurück nehmen nicht selten verschiedene Wege, von verschiedener Länge und verschiedener Last, so dass die wahren Hälften sich um das Doppelte unterscheiden können. Die im Netzwesen am leichtesten zu messende Größe ist damit zugleich die am häufigsten falsch gelesene.
Katalog · Maßeinheiten
Ein Datenblatt für jede Größe
Sieben SI-Basiseinheiten, zweiundzwanzig abgeleitete mit eigenem Namen und Größen außerhalb des Systems, ohne die weder Technik noch Kalender auskommen.