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Datendurchsatz in Telekommunikationsnetzen
Mittwoch, 18.06.2014

Viele kennen den geflügelten Spruch „Bandbreite ist durch nichts zu ersetzen, außer durch mehr Bandbreite“. Dass dies in Telekommunikationsnetzen nicht immer gelten muss, erfahren all die, die Daten über größere Entfernungen transportieren wollen. Hier stellt sich nämlich heraus, dass für den erzielbaren Datendurchsatz neben der verfügbaren Bandbreite auch die Zeit eine Rolle spielt, die es dauert, um die Daten an das Ziel zu übertragen.

Dahinter steckt häufig ein einfaches Prinzip, das in vielen Protokollen der Datenübertragung angewandt wird. Das Prinzip besteht darin, dass der Sender Teillieferungen verschickt und erst dann mit einer weiteren Teillieferung beginnt, wenn er die Bestätigung des Empfängers für die vorangegangene Lieferung erhalten hat.

Die Auswirkung kann man sich leicht am Beispiel einer Spedition klar machen. Ein Spediteur muss zehn 24-Tonner von Bühl nach Einbeck schicken. Die Fahrzeit beträgt 6 Stunden. Der Frachthof ist so an das Verkehrsnetz angebunden, dass alle zehn LKW den Frachthof innerhalb von 4 Minuten verlassen können (240 Tonnen / 4*60 Sekunden entspricht der Bandbreite; hier 1 MGramm/Sekunde). Im Prinzip könnte die gesamte Fracht nach 364 Minuten in Einbeck sein (240 Tonnen / 364*60 Sekunden entspricht der Transportrate; hier 0,011 MGramm/Sekunde). Da aber jeder LKW den Frachthof erst verlässt, wenn die Ankunft des Vorhergehenden unmittelbar telefonisch bestätig wird, dauert es etwa zehnmal länger bis die gesamte Fracht in Einbeck ist und entsprechend sinkt die effektive Transportrate auf ein Zehntel des oben genannten Wertes.

Was im Speditionsgeschäft ein garantiert Konkurs bringendes Verfahren ist, wird bei der Datenübertragung jedoch so ähnlich angewandt, weil in der Regel jedes Bit richtig übertragen werden muss, denn ansonsten wird die gesamte übertragene Information wertlos. Da die Information aus einer nachfolgenden Teillieferung auch meistens nicht genutzt werden kann, wenn nicht klar ist, was die vorangegangene Teillieferung enthalten hat, ist es besser, Teillieferungen zu bestätigen, bevor die nächste Information verschickt wird. Wenn eine Teillieferung nicht richtig ankommt fehlt deren Bestätigung und sie wird noch einmal verschickt.

Abbildung 1:Erzielbarer Durchsatz von TCP/IP für verschiedene Fenstergrößen in Abhängigkeit von der Laufzeit

In einem Telekommunikationsnetz besteht eine Lieferung aus einer Anzahl von Bytes und die Größe der Teillieferung wird durch die maximale Anzahl von Bytes festgelegt, die verschickt werden können, bevor eine Bestätigung eintrifft.

Ein bekanntes Protokoll, bei dem dieses Prinzip eingesetzt wird, ist TCP/IP, bei dem man statt von Teillieferung von Windowsize (Fenstergröße) spricht.  Zur Illustration ist die Auswirkung der Fenstergröße auf den erzielbaren Durchsatz in der obigen Abbildung 1 gezeigt. Sie zeigt deutlich wie der erzielbare Durchsatz mit der Laufzeit (One Way Delay) sinkt. Die Dynamik dieses Effektes in einem nationalen Telekommunikationsnetz wird in unserem Beitrag „Visualisierung stationärer und dynamischer Vorgänge in Kommunikationsnetzen“ anschaulich simuliert. Dort kann man mit den Parametern Laufzeit und Fenstergröße spielen und deren Auswirkungen beobachten.

Aber auch im Umfeld von Storage Area Networks (SAN) findet man mit FiberChannel ein ähnlich arbeitendes Protokoll, wo die Teillieferung in Blockgrößen (Blocksize) definiert ist, wie es die unten stehende Abbildung zeigt.

Abbildung 2:Erzielbare Übertragungsraten bei Fiber Channel Transport über WAN werden von der
Laufzeit wesentlich mitbestimmt.

 

Fazit: Für die oben angesprochenen Protokolle mit Bestätigung hängt der erreichbare Durchsatz sehr von der Qualität des Telekommunikationsnetzes ab, für die die Laufzeit zwischen den Anschlüssen zu einem  bestimmenden Parameter wird. Dadurch wird insbesondere die Entfernung zwischen den Anschlüssen zu einem maßgeblichen Faktor für den erzielbaren Datendurchsatz, und wirkt sich so auf die Möglichkeiten aus, geografisch verteilte Anwendungen miteinander zu koppeln, wenn diese spezifische Mindestanforderungen an den erzielbaren Datendurchsatz stellen.

Autor
Dr. Joachim Bodensohn
IT-/TK-Netzwerke
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