„Bandbreite“ ist eine irreführende Bezeichnung

Die Leute sprechen häufig von Bandbreite, als würde es sich dabei im Netzwerk-Kontext um eine präzise Definition handeln. Tatsächlich stand der Begriff „Bandbreite“ ursprünglich nur für einen Bereich elektromagnetischer Frequenzen oder Wellenlängen und hatte für Netzwerke kaum Bedeutung. Durch längeren Missbrauch und semantische Mutation wird er heute aber für die Geschwindigkeit verwendet, mit der die Daten über einen Netzwerk-Pfad übertragen werden können.

Die meisten werden zustimmen, dass „Bandbreite wichtig ist“, und meinen damit die Rohkapazität eines Abschnitts in ihrem Netzwerk. Aber hilfreich für die Lösung von Problemen ist das nur selten, denn die Performance ist stets das Resultat des schwächsten Gliedes in der Kette. Und wenn manche Glieder kaputt oder zu schwach sind, nützt es wenig, an anderer Stelle andere Glieder (also zum Beispiel die Bandbreite) zu stärken.

All dem zum Trotz wird immer noch häufig gefragt: Wie kann ich meine Bandbreite messen? Oder die verfügbare Bandbreite (nach Abzug des Traffics)? Wie dick ist meine Leitung? Die kurze Antwort darauf lautet: Das hängt davon ab, was genau Sie meinen und vorhaben. Die lange Antwort ist, nun ja, länger.

Nehmen wir an, dass die (hier noch nicht fertig definierte) Bandbreite irgendeine Bedeutung hat, und dass Sie wissen wollen, wie genau das ist und wie Sie es ermitteln können. Lassen Sie uns zunächst die Begriffe definieren und sehen, ob wir damit diesem Ziel ein Stück näher kommen.

Eine Liste dazu – die keinen Anspruch auf Vollständigkeit erhebt – könnte die folgenden häufigen Begriffe umfassen:

• Bandbreite
• Kapazität
• Streaming-Rate
• Bitrate
• Durchsatz
• „Goodput“ (Netto-Durchsatz)
• Übertragungsrate

Dazu gehört noch eine Liste möglicher Zusätze oder Wortteile, wie beispielsweise „Link“, „durchgängig“, „maximal erreichbar“, „Spitzen-“, „Massenübertragung“ und „stabiler Zustand“. Wie kann man also beispielsweise genau zwischen einer „maximal erreichbaren durchgängigen Bandbreite“ und einer „Massenübertragungskapazität“ unterscheiden?

Nehmen wir einmal ein paar kurze Definitionen zu Hilfe, die von der Cooperative Association for Internet Data Analysis (CAIDA) als Material für den Bandwidth Estimation Workshop bereits im Jahr 2003 bereitgestellt wurden:

Kapazität – maximaler Durchsatz, der über ein bestimmtes Leitungsmedium physisch erzielt werden kann.
Durchgängige Kapazität – Mindestkapazität auf einem durchgängigen Pfad; entspricht der Kapazität einer „schmalen Leitung“.
Verfügbare Bandbreite – maximaler ungenutzter Durchsatz auf einem durchgängigen Pfad bei gegebenem aktuellen Querverkehr; entspricht der Kapazität einer „knappen Leitung“.
Massenübertragungs-Kapazität – maximaler Durchsatz, den ein durchgängiges Netzwerk einer einzelnen auslastungsempfindlichen Transportschicht-Verbindung zur Verfügung stellen kann.
Erreichbarer Durchsatz – maximaler Durchsatz, den eine Anwendung in Abhängigkeit vom Übertragungsmechanismus (z. B. TCP) erhalten kann.

Weil sich die meisten dieser Definitionen auf den Begriff „Durchsatz“ stützen, lassen Sie uns auch diesen definieren, ebenso wie den damit zusammenhängenden Begriff „Goodput“:

Durchsatz – die Anzahl von Bits pro Zeiteinheit, die vom Quell-Host übertragen werden
Goodput – die Anzahl von Bits pro Zeiteinheit, die vom Ziel-Host empfangen werden, abzüglich Dubletten (Goodput steht also für den tatsächlich nutzbaren Anteil des Durchsatzes – die übertragenen Daten abzüglich verloren gegangener, doppelter oder erneut gesendeter Bits).

Über diese Definitionen kann man nahezu endlos diskutieren, doch auch so ermöglichen sie einige grundsätzliche Betrachtungen. Vor allem ist es wichtig, die Bedeutung der folgenden Zusätze zu klären:

• Endpunkt zu Endpunkt (Durchgängigkeit) im Gegensatz zu Link zu Link
• Die Auswirkung von Querverkehr, verglichen zu einem leeren Netzwerk-Pfad
• Der Einfluss von Anwendungs- und/oder Transportschicht in Relation zu den tieferen Schichten
• Der Mehraufwand aufgrund verschiedener Protokolle in den unterschiedlichen Schichten
• Die Auswirkung von Verlusten aufgrund von Überlastung oder Funktionsstörungen im Gegensatz zu einer „sauberen“ Übertragung
• Spitzen- oder Maximalrate gegenüber anhaltender oder durchschnittlicher Rate der Datenübertragung
• Tatsächliche Datenübertragungsrate verglichen mit der potenziellen Rate
• Es können zudem noch weitere Unterscheidungen getroffen werden, die folgendermaßen definiert werden:
• wo das durchgängige Netzwerk beginnt und endet – werden zum Beispiel Netzwerk-Karten und Treiber des End-Hosts mit einbezogen?
• ob zu den Anwendungs-/Betriebssystemeffekten auch die Größe der Pakete bezüglich der Kosten für Header – entweder im Hinblick auf die Verarbeitung oder den Mehraufwand für die Datenübertragung – zählen;
• ob sich bestimmte Effekte wie zum Beispiel Verlust oder Querverkehr im Durchschnitt gesehen ausgleichen werden, als Abweichung berücksichtigt oder zugunsten eines Maximal- oder Minimalwerts vernachlässigt werden können;
• Die Duplex-Relevanz – Symmetrie der Messung (in beide Richtungen) und die Bedeutung von unidirektionalen versus bidirektionalen Kapazitäten.
• Die Auswirkungen von bewusst verwendeten Mechanismen, wie QoS oder Traffic-Shaping.

Dies sollte das wichtigste Vokabular und den Kontext weitestgehend beschreiben. Nun müssen Sie noch herausfinden, welche dieser Punkte auf Ihren Kontext zutreffen. Wenn Sie so Ihren Fokus weiter eingegrenzt haben, dann kann es sein, dass Sie einer eindeutigen Definition von „Bandbreite“ (oder welchen Begriff Sie sonst verwenden möchten) nahe kommen.

Ebenso kann es sein, dass Sie dann bereit sind, eine bestimmte Metrik und Methodik für Ihre Messung auszuwählen. Beachten Sie dabei die verschiedenen Wege, über die Sie den für Sie wichtigen Wert ermitteln können:

1. Theoretische Schätzungen – Mit anderen Worten: Sie glauben schlicht, was in den Netzplan-Diagrammen steht, und projizieren die Kapazität logisch auf einen gegebenen Punkt oder von einem Punkt zu einem anderen;

2. Punktmessungen – Verwenden Sie ein Tool wie MRTG, um die Paketzahl an den Router- oder Switch-Schnittstellen mitzuschneiden oder auszulesen und so die Rate zu ermitteln, mit der die Bits durch diese Geräte fließen;

3. Messungen von Ende zu Ende – Verwenden Sie eine der vielen zur Verfügung stehenden Methoden, um die Kapazität eines bestimmten durchgängigen Pfades zu messen:

1. 1. Massen-Datenübertragungen – Verwenden Sie eine typische TCP-Anwendung wie etwa einen optimierten FTP-Client, um eine bestimmte Datenmenge von einem Host zu einem anderen zu bewegen;
   2. Flooding – Verwenden Sie ein Software- (oder Hardware-) Tool wie iPerf, um einen stabilen Datenstrom zwischen zwei Hosts zu erzeugen;
   3. Active Probing – verwenden Sie ein Software-Tool wie PathRate oder Spruce, das die durchgängige Performance des Netzwerks aus dem Verhalten übermittelter Testpakete ableitet;
   4. Passives Herleiten – verwenden Sie ein Software-Tool wie Wren, um die durchgängige Bandbreite anhand passiv beobachteter Pakete zu schätzen.

Wie Sie sich bestimmt denken können, hat jede dieser Methoden ihre Vor- und Nachteile – je nachdem, zu welcher Definition von „Bandbreite“ Sie tendieren. Es kann zum Beispiel sein, dass Sie vorwiegend an den maximalen Frame-Raten beim Senden und Empfangen in Schicht 2 an einer bestimmten Geräte-Schnittstelle interessiert sind. Hier kann Ihnen einfaches Messen von Empfangs- oder Übertragungsraten bei einem Flooding Ihres Netzwerks die Kapazität des betreffenden Messpunkts liefern. Wenn Sie sich eher für die typische anhaltende Rate interessieren, die eine bestimmte Anwendung über einen bestimmten durchgängigen Pfad aufrechterhalten kann, sind Durchschnittswerte unter Berücksichtigung von Querverkehr, Netzwerk-Karten und Verlust besser geeignet. Oder Sie machen sich vielleicht Gedanken darüber, ob Sie bei der WAN-Anbindung durch Ihren ISP wirklich das erhalten, wofür Sie bezahlen.

Zwei der CAIDA-Definitionen stechen als besonders nützlich hervor: „Durchgängige Kapazität“ und „Verfügbare Bandbreite“. Abgesehen vom Einfluss des Querverkehrs beim zweiten Punkt können beide auf einen allgemeingültigen Satz „typischer“ Einschränkungen eingegrenzt werden:

• Ende zu Ende (durchgängig)
• Effekte von Schicht 1-3 (d. h. keine Effekte der Anwendungs- oder Transportschicht)
• Anwendbar auf einen sauberen Netzwerk-Pfad (beinhaltet in der Regel nicht die Leistungsminderung aufgrund von Verlusten oder Funktionsstörungen des Netzwerks)
• Keine Berücksichtigung von Protokoll, Frame-/Paketgröße oder anderen einschränkenden Effekten
• Unidirektional
• Unmittelbarer (Spitzen-) Wert

Software wie iPerf oder NetPerf bieten Ihnen hier wahrscheinlich den größten Nutzen. Sie erfordert zwar Clients auf beiden Endpunkten, bietet dafür aber einen klaren Blick auf die Performance auf Paket-Ebene.

Letztendlich liegt Bandbreite weiter im Auge des Betrachters. Und um sie korrekt zu messen,  müssen Sie natürlich genau wissen, was Sie eigentlich betrachten wollen.

Über den Autor:  Loki Jorgenson, PhD, ist Chief Scientist von Apparent Networks und seit mehr als 18 Jahren in den Bereichen Computing, Physik, Mathematik, wissenschaftliche Bildgebung und Simulation aktiv. Ausgebildet in computergestützter Physik an den Universitäten Queen's und McGill, hat er über so unterschiedliche Themen wie Philosophie, Grafik, Bildungstechnologien, statistische Mechanik, Logik und Zahlentheorie publiziert. Außerdem arbeitet er als Adjunct Professor für Mathematik an der Simon Fraser University, wo er das Center for Experimental and Constructive Mathematics (CECM) mitgegründet hat. Er hat eine Vielzahl von akademischen Forschungsprojekten geleitet – von High-Performance-Computing bis zu digitalem Publishing – und dabei eng mit Partnern aus Privatwirtschaft und Behörden zusammengearbeitet. Jorgenson leitet für Apparent Networks Inc. die Netzwerk-Forschung zu High-Performance, WLAN, VoIP und anderen Anwendungen, häufig in Form der praktischen Zusammenarbeit mit akademischen Organisationen und anderen Vordenkern wie BCnet, Texas A&M, CANARIE und Internet2. www.apparentnetworks.com