Paketvermittlung und Netzwerkleistung

Eine Webanfrage beginnt in einer Anwendung und endet in einer anderen. Das Internet stellt die Verbindungen und Vermittlungsgeräte dazwischen bereit, während gemeinsame Regeln unabhängig voneinander entwickelten Geräten ermöglichen, nutzbare Nachrichten auszutauschen.

Hosts, Verbindungen und Switches

Auf einem Host oder Endsystem laufen Anwendungen. Smartphones, Laptops, Sensoren und Server sind alle Hosts; viele Server stehen zusammen in Rechenzentren. Ein Client fordert einen Dienst an, etwa wenn ein Browser eine Seite anfordert. Ein Server stellt ihn bereit. Diese Namen beschreiben Rollen in einer Kommunikation, nicht zwei verschiedene physische Arten von Computern.

Kommunikationsverbindungen übertragen Signale über Kupfer, Koaxialkabel, Glasfaser oder Funk. Paketvermittler leiten Daten von einer Verbindung zur nächsten weiter. Router verbinden Netze und bilden einen großen Teil des Netzkerns; Switches der Sicherungsschicht verbinden Geräte hauptsächlich innerhalb lokaler Netze und Zugangsnetze. Die Folge von Verbindungen und Switches, die ein Paket durchläuft, ist sein Pfad oder seine Route.

Der Netzrand besteht aus den Endsystemen und den Zugangsnetzen, die sie anbinden. Der Netzkern ist das Netz aus Switches und Verbindungen, das diese Zugangsnetze miteinander verbindet. Bei einem Download zu Hause gehört der Laptop zum Netzrand, selbst wenn der Server Tausende Kilometer entfernt ist: Die geografische Entfernung macht aus einem Endsystem keinen Router des Netzkerns.

Der Dienst und die Regeln

Als Dienst betrachtet überträgt das Internet Daten zwischen verteilten Anwendungen: Webbrowsern und Webservern, Gesprächspartnern, Spielen und E-Mail-Programmen. Ein Programm übergibt Daten über eine Socket-Schnittstelle an das Betriebssystem. Das Netz transportiert diese Daten dann zum empfangenden Programm.

Ein Protokoll legt Nachrichtenformate, die Reihenfolge der Nachrichten und die Aktionen beim Senden oder Empfangen fest. HTTP regelt den Austausch im Web, während TCP und IP andere Aufgaben im TCP/IP-Schichtenstapel übernehmen. Eine Einigung allein auf ein Kabel reicht nicht aus: Die kommunizierenden Systeme müssen die Nachrichten auch einheitlich interpretieren und darauf reagieren.

Größen vor der Zeitberechnung umrechnen

Ein Sender zerlegt Anwendungsdaten in Abschnitte und ergänzt Header, sodass Pakete entstehen. Die Rate einer Verbindung gibt an, wie viele Bit sie pro Sekunde auf das Medium senden kann. Es gelten dezimale Präfixe: 1 kbps sind 1.000 bit/s, 1 Mbps ist eine Million bit/s und 1 Gbps ist eine Milliarde bit/s.

Dateigrößen werden oft in Byte angegeben. Ein Byte enthält 8 Bit; 1 kB sind 1.000 Byte und 1 MB ist eine Million Byte. Ein MiB ist eine andere Größe: 1.048.576 Byte, etwa 5 % mehr als ein MB.

So sendest du eine 1 MB große Datei auf eine Verbindung mit 20 Mbps:

1. Rechne die Größe um: $1\text{ MB}=8\times {10}^6\text{ Bit}$.
2. Gib die Rate an: $20\text{ Mbps}=20\times {10}^6\text{ bit/s}$.
3. Teile die Größe durch die Rate: $8\times {10}^6\mathrm{/}(20\times {10}^6)=\mathrm{0,4}\text{ s}$.

Das ist die Zeit, um die Bit auf diese Verbindung zu senden. Die Laufzeit und Wartezeiten an anderen Stellen sind separate Verzögerungen. Bei 100 Mbps beträgt die entsprechende maximale Byterate $100\mathrm{/}8=\mathrm{12,5}$ MB/s. Wer Mbps als MB/s liest, schätzt die Übertragungszeit achtmal zu kurz.

Ein Heimanschluss hat zwei Strecken: ein lokales Netz von deinen Geräten zum Heimrouter und anschließend eine Zugangsverbindung zum Internetanbieter. Eine schnelle lokale WLAN-Verbindung kann eine Begrenzung auf dieser zweiten Strecke nicht aufheben.

Kupfertelefonleitungen und Kabelnetze

Ein Heimrouter vereint oft einen Router, einen WLAN-Access-Point und einen kleinen Ethernet-Switch. Ein separates Modem kann ihn mit dem Zugangsmedium verbinden. Diese Verbindung führt in das Netz des Internetanbieters und zu dessen erstem Router, dem Randrouter.

DSL nutzt ein Kupfertelefonadernpaar weiter. Das DSL-Modem im Haushalt kommuniziert mit einem DSLAM in der Vermittlungsstelle des Anbieters. Bei ADSL trennen Frequenzbänder Sprache, Daten zum Anbieter und Daten zum Haushalt. Das Sprachband belegt 0–4 kHz; das Band zum Haushalt ist breiter als das zum Anbieter. Jeder Haushalt hat ein eigenes Kupferadernpaar zur Vermittlungsstelle.

DSL-Anschlüsse für Privathaushalte bieten gewöhnlich mehr Kapazität zum Haushalt als zum Anbieter. Zur DSL-Familie gehören auch symmetrische Varianten, die hauptsächlich Unternehmen nutzen. Längere Kupferleitungen schwächen das Signal und nehmen mehr Störungen auf, wodurch die verfügbare Rate sinkt. Glasfaser bis zu einem Straßenverteiler verkürzt die Kupferstrecke; VDSL nutzt oft weniger als einen Kilometer Kupferleitung.

Der Kabelzugang nutzt ein hybrides Glasfaser-Koaxialnetz, kurz HFC. Glasfaser führt zu Knoten in Wohngebieten; Koaxialkabel führen von dort zu typischerweise Hunderten von Haushalten. Das Kabelmodem eines Haushalts tauscht Daten mit einem CMTS an der Kopfstation aus. DOCSIS 4.0, 2020 veröffentlicht, spezifiziert für den gemeinsam genutzten Kanal bis zu 10 Gbps zum Haushalt und 6 Gbps zum Anbieter. Diese Werte beschreiben die Kanalkapazität, keine für jeden Haushalt reservierte Rate.

Welche Kapazität wird geteilt?

Kabelsignale zum Haushalt erreichen jeden Haushalt am Knoten. Beim Senden zum Anbieter müssen sich die Nutzer abwechseln. FTTH führt Glasfaser bis zum Haushalt; in einem passiven optischen Netz (PON) versorgt ein Splitter ohne eigene Stromversorgung gewöhnlich 32 oder 64 Haushalte. Der Anbieter hat einen OLT, jeder Haushalt einen ONT. Jeder ONT wählt die für ihn bestimmten Daten aus. FTTH unterstützt sehr hohe Zugangsraten, oft 1 Gbps oder mehr; symmetrische Anschlüsse sind üblich.

Zugang ohne neues Kabel

Drahtloser Festnetzzugang über 5G nutzt ein fest installiertes Modem im Haushalt und eine nahe gelegene Mobilfunkbasisstation. Satellitenzugang kann abgelegene Haushalte erreichen. Ein GEO-Satellit kreist in 35.786 km Höhe, sodass der kürzeste Weg vom Boden zum Satelliten und zurück 71.572 km beträgt. Bei $3\times {10}^8$ m/s kommen dadurch etwa 0,24 s in eine Richtung und 0,48 s für Anfrage und Antwort hinzu, bevor weitere Verzögerungen berücksichtigt werden.

Ein LEO-Satellit in etwa 550 km Höhe ergibt für den Weg nach oben und zurück eine Mindeststrecke von etwa 1.100 km oder 3,7 ms. Die tatsächlichen Pfade hängen auch von der Geometrie und den Bodenverbindungen ab. Die beworbene Zugangsrate allein kann einen Download daher nicht vorhersagen: Gemeinsame Nutzung, eine lange DSL-Leitung oder eine langsamere Verbindung weiter entlang des Pfades können die erreichte Rate verringern.

Innerhalb eines Büros kann ein Paket seinen Weg über Kupfer oder Funk beginnen und das Gebäude über Glasfaser verlassen. Auch ein Mobilfunkpaket gelangt nach seiner drahtlosen Zugangsstrecke in denselben Netzkern des Internets. Jede Verbindung hat ihr eigenes Medium und ihre eigenen Beschränkungen.

Lokaler und großräumiger Zugang

Ein lokales Netz (LAN) verbindet Geräte in der Nähe mit einem Randrouter. Bei Ethernet ist ein Computer gewöhnlich über verdrillte Kupferadern mit einem Switch verbunden, und zwar mit 1 Gbps. Server sind oft mit 10 Gbps oder mehr angebunden. Verbindungen zwischen Switches und dem Router fügen diese lokalen Verbindungen zu einem nutzbaren Pfad zusammen.

Über WLAN auf Grundlage von IEEE 802.11 tauschen Geräte per Funk Pakete mit einem Access Point aus, der mit dem LAN verbunden ist. Es deckt Entfernungen von einigen zehn Metern ab. Geräte, die sich seinen Funkkanal teilen, konkurrieren um Sendezeit; weitere aktive Nutzer verringern daher die für jeden verfügbare Kapazität.

Mobilfunkzugang deckt ein größeres Gebiet ab. Ein Smartphone tauscht Pakete mit einer Basisstation eines Betreibers aus, die manchmal mehrere Kilometer entfernt ist. 4G LTE und 5G bieten diesen Zugang; 5G unterstützt höhere Raten und geringere Verzögerungen, wobei höhere Frequenzbänder mehr Kapazität über kürzere Entfernungen bieten. Die vom Smartphone erreichte Rate hängt weiterhin von den Signalbedingungen und der Auslastung der Zelle ab.

Die Funkverbindung führt nicht in ein eigenes drahtloses Internet. Hinter dem Access Point oder der Basisstation durchlaufen Pakete gewöhnliche miteinander verbundene Netze. Der Mobilfunk-Backhaul, die Verbindung von einer Basisstation zum Netz des Betreibers, kann selbst sowohl Richtfunk als auch leitungsgebundene Medien nutzen.

Das passende Medium wählen

Ein leitungsgebundenes Übertragungsmedium führt ein Signal entlang eines physischen Pfades. Ein nicht leitungsgebundenes Übertragungsmedium lässt es sich durch Luft oder Weltraum ausbreiten.

Ungeschirmte verdrillte Adernpaare sind in LANs üblich. Kategorie 6A unterstützt 10-Gbps-Ethernet über bis zu 100 m. Glasfaser überträgt auf einer Verbindung einige zehn bis mehrere hundert Gbps; durch mehrere Wellenlängen ist mehr Kapazität möglich. Der geringe Signalverlust eignet sich für Langstrecken im Backbone und unter dem Meer. Optische Geräte können bei kurzen Verbindungen mehr kosten als Kupfergeräte, und Glasfaser ist schwer, aber nicht unmöglich abzuhören.

Funk ist von Pfadverlust betroffen, weil Signale über die Entfernung und durch Hindernisse schwächer werden. Mehrwegeausbreitung tritt auf, wenn Reflexionen auf verschiedenen Wegen zu unterschiedlichen Zeiten eintreffen. Andere Sender verursachen zusätzliche Interferenzen. Durch diese Effekte sind Raten und Fehler bei Funkverbindungen weniger vorhersehbar als bei leitungsgebundenen Verbindungen.

Für die Installation auswählen

Ein mobiler Inventurscanner benötigt Bewegungsfreiheit, sodass Funk auch dort wertvoll ist, wo Ethernet schneller ist. Für eine feste Verbindung zwischen entfernten Gebäuden kann Glasfaser wegen ihrer Reichweite und Widerstandsfähigkeit gegen elektrische Störungen günstiger sein. Die Installationsarbeiten kosten oft mehr als das Kabel selbst, weshalb Neubauten gewöhnlich gleichzeitig Glasfaser und Reservekabel erhalten. Ein sinnvoller Vergleich berücksichtigt Rate, Entfernung, Installationskosten, Störungen und Mobilität, nicht nur die Spitzenrate einer Technik.

Paketvermittlung zerlegt eine Nachricht in unabhängig voneinander weitergeleitete Pakete. Jede ausgehende Verbindung sendet ein Paket mit ihrer vollen Übertragungsrate, während gleichzeitig andere Pakete andere Verbindungen durchlaufen können.

Auf das ganze Paket warten

Bei Store-and-Forward empfängt ein Switch das vollständige Paket, bevor er dessen erstes Bit auf der nächsten Verbindung sendet. Für eine Paketlänge von $L$ Bit und eine Rate von $R$ bit/s dauert eine Übertragung $L\mathrm{/}R$ Sekunden.

Ein Paket mit 1.500 Byte enthält 12.000 Bit. Auf einer Verbindung mit 10 Mbps gilt:

Über drei Verbindungen mit gleicher Rate wird das Paket dreimal übertragen. Ohne Ausbreitung, Verarbeitung und Warteschlangen kommt es nach $3\times \mathrm{1,2}=\mathrm{3,6}$ ms an. Drei Verbindungen bedeuten zwei dazwischenliegende Router: Zähle die Verbindungen einschließlich der Verbindungen von Quelle und Ziel.

Paket-Pipelining aufbauen

Sende nun fünf gleich große Pakete unmittelbar hintereinander über diese drei Verbindungen. Die Quelle sendet Paket 2, während der erste Router Paket 1 weiterleitet. Nachdem das erste Paket den Pfad gefüllt hat, kommen die weiteren Pakete jeweils im Abstand einer Übertragungszeit an.

Für $P$ gleich große Pakete über $N$ Verbindungen mit gleicher Rate und ohne weitere Verzögerungen trifft das letzte Paket nach folgender Zeit ein:

Das erste Paket benötigt alle $N$ Übertragungen; jedes weitere Paket fügt ein Übertragungsintervall hinzu. Die Multiplikation $P\times N\times L\mathrm{/}R$ würde jede Verbindung warten lassen, bis das vorherige Paket das Ziel erreicht hat, und damit die parallele Arbeit ausschließen, die das Netz leisten kann.

Die fünf Pakete enthalten insgesamt 60.000 Bit. Würden diese Bit als eine ungeteilte Nachricht gesendet, dauerte es 6 ms pro Verbindung und 18 ms über drei Store-and-Forward-Verbindungen. Die Übertragung in Paketen dauert 8,4 ms und ist schneller, weil die Weiterleitung beginnt, bevor die gesamte Nachricht angekommen ist. Zusätzliche Paketheader benötigen ebenfalls Kapazität; sie werden in diesem Vergleich gleicher Datenmengen getrennt betrachtet.

Entscheiden, wohin das Paket gelangt

Ein Router untersucht die Ziel-IP-Adresse im Header eines Pakets. Seine Weiterleitungstabelle ordnet Zieladressbereiche ausgehenden Verbindungen zu. Routingprotokolle füllen diese Tabellen; die Weiterleitung ist der lokale Vorgang, bei dem eine Tabelle abgefragt und dieses Paket über die gewählte Schnittstelle gesendet wird.

Jede ausgehende Verbindung hat einen Ausgangspuffer oder eine Warteschlange. Ist die Verbindung beschäftigt, warten neu eingetroffene Pakete dort. Ihre Wartezeit ist die Warteschlangenverzögerung, die sich mit dem Verkehr an diesem Ausgang ändert. Ein Eingang mit wenig Verkehr verhindert keine Überlastung, wenn mehrere andere Eingänge denselben Ausgang speisen.

Puffer haben begrenzten Speicherplatz. Wenn ein Puffer voll wird, verwirft der Router je nach Verfahren ein eintreffendes oder bereits wartendes Paket. Das ist Paketverlust. Store-and-Forward erklärt, wann die Weiterleitung beginnen kann; es garantiert nicht, dass die ausgehende Verbindung oder der Puffer verfügbar ist.

Leitungsvermittlung reserviert Ressourcen entlang eines gesamten Pfades für eine Kommunikationssitzung. Der Sender baut zuerst eine leitungsvermittelte Verbindung auf und nutzt dann die reservierte Rate, bis die Sitzung endet. Traditionelle Telefonnetze veranschaulichen dieses Verfahren.

Eine Reservierung auf gemeinsam genutzten Verbindungen

Eine leitungsvermittelte Verbindung ist ein reservierter Anteil der Verbindungs- und Vermittlungskapazität. Sie muss kein separates physisches Kabel sein. Viele leitungsvermittelte Verbindungen können sich dasselbe Kabel teilen und dabei ihre reservierten Ressourcen getrennt halten. Sobald eine leitungsvermittelte Verbindung aufgebaut ist, erzeugen die Daten anderer Nutzer keine Ausgangswarteschlangen für ihren reservierten Anteil. Der Sender erhält daher eine konstante Rate und eine vorhersehbare Verzögerung.

Multiplexen ermöglicht mehreren leitungsvermittelten Verbindungen, eine physische Verbindung zu nutzen. Zwei gängige Verfahren trennen sie nach Frequenz oder nach Zeit.

Bei FDM bestehen mehrere Frequenzbänder gleichzeitig. UKW-Radiosender sind ein vertrautes Beispiel. Analoge Telefonverbindungsleitungen wiesen Gesprächen etwa 4 kHz breite Bänder zu. Die Frequenzbandbreite eines Bandes wird in Hertz gemessen. Eine Bitrate wird in bit/s gemessen: Die beiden Einheiten beschreiben unterschiedliche Größen.

Bei TDM wiederholt sich die Zeit in Rahmen, die jeweils feste Zeitschlitze enthalten. Eine leitungsvermittelte Verbindung erhält in jedem Rahmen einen Zeitschlitz. Teile bei gleich großen Zeitschlitzen ohne Rahmen-Overhead die Übertragungsrate durch die Anzahl der Zeitschlitze, um die Rate dieser leitungsvermittelten Verbindung zu erhalten. Sie sendet während ihres eigenen Zeitschlitzes und wartet auf dessen nächste Wiederkehr; ihre durchschnittliche Rate entspricht ihrem reservierten Anteil an der Verbindung.

Zuerst die Rate der leitungsvermittelten Verbindung berechnen

Eine Verbindung mit 2,048 Mbps hat 32 gleich große Zeitschlitze pro Rahmen. Der Verbindungsaufbau dauert 400 ms, und der Sender hat eine Datei mit 960.000 Bit.

1. Rechne die volle Übertragungsrate in 2.048.000 bit/s um.
2. Teile sie auf die Zeitschlitze auf: $\mathrm{2.048.000}\mathrm{/}32=64.000\text{ bit/s}$.
3. Teile die Dateigröße durch die Rate der leitungsvermittelten Verbindung: $960.000\mathrm{/}64.000=15\text{ s}$.
4. Addiere den Verbindungsaufbau: $15+\mathrm{0,4}=\mathrm{15,4}\text{ s}$, ohne Ausbreitung.

Der Sender erhält nicht deshalb 2,048 Mbps, weil andere Nutzer gerade nichts senden. Seine leitungsvermittelte Verbindung verfügt weiterhin über einen Zeitschlitz in jedem Rahmen. Außerdem wird die Übertragungszeit der Datei nicht mit der Anzahl der Verbindungen auf dem Pfad multipliziert. Die reservierte leitungsvermittelte Verbindung überträgt einen fließenden Bitstrom; die gesamte Datei wird nicht an jedem Switch als ein Paket gespeichert und dann weitergeleitet. Addiere die Ausbreitung separat, wenn sie Teil einer Aufgabe ist.

Ungenutzte Reservierungen berücksichtigen

Die Garantie hat ihren Preis. Wenn ein Gesprächspartner schweigt oder ein Nutzer innehält, um eine geladene Seite zu lesen, bleibt der Anteil der leitungsvermittelten Verbindung ungenutzt. Ein anderer Nutzer kann diesen Anteil nicht nach Bedarf übernehmen. Sind alle leitungsvermittelten Verbindungen vergeben, kann eine neue Verbindung blockiert werden, selbst wenn einige bestehende Verbindungen keine Daten senden. Das ist eine Grenze für die Zulassung von Sitzungen und unterscheidet sich vom Verwerfen von Paketen aus einem vollen Puffer.

Webverkehr wechselt oft zwischen kurzen Downloads und langen Pausen. Eine Reservierung, die für die aktive Phase jedes Nutzers bemessen ist, lässt während der Pausen Kapazität ungenutzt. Paketvermittlung ermöglicht anderen Nutzern, diese Kapazität zu nutzen, sobald ihre Pakete eintreffen.

Kapazität bei Bedarf teilen

Statistisches Multiplexen ist die bedarfsgerechte gemeinsame Nutzung einer Verbindung durch Pakete verschiedener Nutzer. Ein wartendes Paket kann die nächste verfügbare Sendemöglichkeit nutzen, sodass die Ruhephase eines Nutzers keine ungenutzte Kapazität reserviert. Das funktioniert besonders gut bei Büschelverkehr, dessen aktive Phasen durch Ruhephasen getrennt sind.

Betrachte zehn Nutzer, die sich eine Verbindung mit 10 Mbps teilen. Einer sendet 2.000 Pakete mit je 1.000 Bit, während die anderen neun nichts senden. Insgesamt sind das $2.000\times 1.000=2\times {10}^6$ Bit. Bei zehn gleichen TDM-Reservierungen benötigt seine leitungsvermittelte Verbindung mit 1 Mbps dafür 2 s. Bei Paketvermittlung sendet die volle Verbindung mit 10 Mbps das Verkehrsbüschel in 0,2 s, wenn andere Verzögerungen außer Acht bleiben.

Spitzenbedarf mit durchschnittlichem Bedarf vergleichen

Angenommen, jeder aktive Nutzer benötigt 1 Mbps und ist unabhängig von den anderen zu 20 % der Zeit aktiv. Eine leitungsvermittelte Verbindung mit 10 Mbps kann diese Rate höchstens zehn Nutzern garantieren. Paketvermittlung kann 20 Nutzer versorgen, wobei eine geringe Wahrscheinlichkeit besteht, dass der gleichzeitige Bedarf die Kapazität übersteigt.

Die Zufallsvariable $X$ zähle die aktiven Nutzer. Sie folgt einer Binomialverteilung: 20 unabhängige Nutzer, die jeweils mit Wahrscheinlichkeit 0,2 aktiv sind. Die Wahrscheinlichkeit für genau $k$ aktive Nutzer beträgt:

Der Binomialkoeffizient zählt, welche Nutzer aktiv sind. Überlastung beginnt bei 11 aktiven Nutzern, weil zehn genau Platz haben. Addiere die Wahrscheinlichkeiten für 11 bis 20:

Das entspricht etwa 0,06 % der Zeit. Der durchschnittliche Bedarf beträgt nur 4 Mbps, doch dieser Durchschnitt allein verrät dir die Überlastungswahrscheinlichkeit nicht. Die Unabhängigkeit ist wichtig: Nutzer, die gleichzeitig aktiv werden, erzeugen größere gleichzeitige Verkehrsbüschel, als diese Rechnung vorhersagt.

Das Verfahren auf den Verkehr abstimmen

Paketvermittlung ermöglicht eine effiziente Kapazitätsnutzung und vergleichsweise einfache Vermittlungsgeräte. Veränderliche Wartezeiten und Verluste sind ihre zentralen Nachteile für den Dienst. Echtzeitanwendungen können Wiedergabepuffer nutzen, um die Ankunftszeiten auszugleichen, während Übertragungswiederholungen fehlende Daten auf Kosten zusätzlicher Verzögerung wiederherstellen können.

Für gleichmäßigen Verkehr, der eine garantierte Rate benötigt, kann eine leitungsvermittelte Verbindung nach dem Aufbau einen besseren Dienst bieten. Paketvermittlung ist nicht immer schneller: Ein stark ausgelasteter Ausgang kann lange Wartezeiten verursachen. Das Internet nutzt Paketvermittlung, und Telefondienste sind zunehmend von leitungsvermittelten Verbindungen zu Sprache über IP übergegangen.

Die Verbindung zu einem Zugangsanbieter gibt einem Host ein erstes Netz, das er nutzen kann. Um Hosts anderswo zu erreichen, sind Vereinbarungen zwischen Netzen nötig. Diese unabhängig betriebenen Netze bilden zusammen das Internet.

Warum über Anbieter verbinden?

Würde jeder Zugangsanbieter direkt mit jedem anderen verbunden, wären für $n$ Internetanbieter $n(n-1)\mathrm{/}2$ Verbindungen nötig. Bei 10.000 Internetanbietern sind das 49.995.000 separate Verbindungen. So viele Beziehungen und physische Verbindungen zu unterhalten, ließe sich kaum skalieren.

Stattdessen kaufen Zugangsanbieter Transit bei größeren Anbietern. Ein Kunde bezahlt einen Anbieter dafür, Verkehr zwischen dem Netz des Kunden und dem übrigen Internet zu übertragen; die Gebühren hängen gewöhnlich vom ausgetauschten Verkehr ab. Regionale Anbieter können Transit bei noch größeren Anbietern kaufen. Manche Zugangsanbieter verbinden sich direkt mit der obersten Ebene.

Ein Tier-1-Internetanbieter erreicht alle Ziele im Internet, ohne Transit zu kaufen. Ungefähr ein Dutzend große internationale Netze werden gewöhnlich so beschrieben; sie sind miteinander verbunden. Tier-1 bezeichnet eine Position hinsichtlich Erreichbarkeit und Geschäftsbeziehungen und behauptet nicht, dass jedes Paket einen solchen Anbieter durchlaufen muss.

Transit und Peering unterscheiden

Ein Peering-Partner bietet allein durch das Peering keinen Transit zu jedem anderen Netz an, das er erreichen kann. Dieser Unterschied ist wichtig, wenn du mögliche Pfade verfolgst. Netze betreiben Peering oft an einem Internetaustauschknoten (IXP), einer gemeinsam genutzten Vermittlungseinrichtung, an der viele Internet- und Inhalteanbieter zusammentreffen. Große Austauschknoten in Städten wie Frankfurt, Amsterdam und London verbinden Hunderte von Netzen.

Ein PoP ist ein Standort eines Anbieters mit Routern, an dem Kunden sich anschließen können. Ein IXP bringt viele Netze zum Verkehrsaustausch zusammen; ein PoP ist ein Standort innerhalb des Versorgungsgebiets eines Anbieters. Ein Netz kann außerdem Multihoming nutzen und sich für eine höhere Ausfallsicherheit mit zwei oder mehr Anbietern verbinden. Fällt ein Anbieter aus, kann eine andere Verbindung das Netz erreichbar halten, sofern der verbleibende Pfad und die eigenen Geräte des Kunden funktionieren.

Einen Pfad und die Zahlungen verfolgen

Ana nutzt den Kabelanbieter A. A bezahlt den regionalen Internetanbieter R, der den Tier-1-Anbieter T1 bezahlt. Ben nutzt den Mobilfunkanbieter B, der den Tier-1-Anbieter T2 bezahlt. T1 und T2 betreiben Peering. Ein Paket kann folgenden Weg nehmen:

A → R → T1 → T2 → B.

Die Zahlungen folgen den Kunden-Anbieter-Beziehungen, nicht jeder Richtung, in die ein Paket reist. B bezahlt T2 für die Anbindung, auch wenn dieses Paket bei B ankommt. T1 und T2 tauschen ihren Verkehr gewöhnlich ohne Ausgleichszahlung aus.

Wenn A und B einem IXP beitreten und Peering vereinbaren, kann ihr Kundenverkehr stattdessen direkt zwischen A und B übertragen werden. Sie vermeiden für diesen Verkehr den Transit über vorgelagerte Anbieter und verkürzen oft den Pfad. Die Transitverbindungen bleiben für Ziele außerhalb der Netze und Kunden der Peering-Partner nützlich.

Ein autonomes System (AS) ist ein unabhängig betriebenes Netz oder ein Teil davon mit eigener Routingrichtlinie und AS-Nummer. Ein Internetanbieter kann mehrere AS betreiben. Das gibt dem Bild vom Netz aus Netzen eine Verwaltungseinheit: Getrennt verwaltete AS sind durch die gerade beschriebenen Geschäftsbeziehungen miteinander verbunden.

Ein Videodienst kann Daten effizienter ausliefern, wenn er ein Netz in der Nähe seiner Zuschauer kontrolliert. Große Inhalteanbieter verbinden private Backbone-Netze, direkte Anbindungen an Internetanbieter und nahe gelegene Kopien beliebter Dateien.

Auch Inhalteanbieter bauen Netze

Unternehmen wie Google, Microsoft, Amazon und Meta betreiben Netze von Inhalteanbietern, die ihre Rechenzentren verbinden. Diese privaten globalen Netze ermöglichen ihnen, einen größeren Teil der Route ihrer Dienste zu kontrollieren und weniger von gekauftem Transit abhängig zu sein.

Ein Inhaltenetz kann an einem IXP oder über eine private Verbindung direktes Peering mit einem Zugangs- oder regionalen Internetanbieter betreiben. Der Verkehr gelangt dann in das Netz dieses Internetanbieters, ohne zuerst die gesamte Anbieterhierarchie aufzusteigen. Für Ziele, die über diese Vereinbarungen nicht erreichbar sind, kann das Inhaltenetz Transit bei einem vorgelagerten Anbieter kaufen. Dieser muss kein Tier-1-Anbieter sein; manche großen Inhaltenetze stützen sich überwiegend auf direkte Verbindungen.

Der wirtschaftliche Grund und der Leistungsgrund verstärken sich gegenseitig. Direkter Austausch kann Transitgebühren für diesen Verkehr vermeiden, und ein kürzerer Pfad durchläuft gewöhnlich weniger Verbindungen. Ein eigenes Backbone und Peering bedeuten jedoch nicht, dass eine Kopie jeder Datei nahe bei jedem Nutzer liegt. Die Platzierung der Server ist ein eigener Teil der Auslieferung.

Inhalte nahe an der Anfrage bereitstellen

Ein CDN platziert Server mit Kopien beliebter Inhalte innerhalb oder in der Nähe von Zugangsnetzen und an Austauschknoten. Videos, Webdateien und Softwareupdates können dann von einem nahe gelegenen Server statt von einem entfernten Ursprungsrechenzentrum kommen. Das verringert den Langstreckenverkehr und den Ausbreitungsanteil der Verzögerung.

Eine Person in einer Stadt, die ein zwischengespeichertes Video anfordert, durchläuft möglicherweise nur wenige Weiterleitungsschritte innerhalb des Zugangsanbieters. Vergleiche das mit einem 8.000 km entfernten Rechenzentrum. Selbst ein idealer Glasfaserpfad dieser Länge trägt Folgendes bei:

in eine Richtung. Für Anfrage und Antwort kommen allein durch Ausbreitung mindestens $2\times \mathrm{0,04}=\mathrm{0,08}$ s oder 80 ms hinzu. Warteschlangen, Übertragung, Geräte und ein längerer tatsächlicher Kabelweg können weitere Verzögerungen verursachen. Eine höhere Übertragungsrate beseitigt diese Entfernung nicht; eine nähere Kopie des Inhalts verkürzt sie.

Das flachere Netzbild verstehen

Diese Anordnungen bestehen nebeneinander. Zugangs-, regionale und Tier-1-Anbieter bilden weiterhin eine lockere Hierarchie, aber direkte Anbindungen von Inhaltenetzen tragen einen großen Teil des Verkehrs. Multihoming, privates Peering und IXPs ergänzen weitere Verbindungen zwischen den Ebenen.

Keine einzelne Organisation besitzt oder betreibt dieses gesamte System. Eine Route spiegelt die verfügbaren Verbindungen zwischen unabhängig verwalteten Netzen wider. Wenn du einen Download verfolgst, frag dich zuerst, wo die ausliefernde Inhaltskopie liegt und welche Netze direkte Vereinbarungen haben. Ein CDN innerhalb des Internetanbieters des Nutzers kann einen kurzen Pfad ganz ohne Tier-1-Station erklären.

Der Beitrag eines Routers zur Verzögerung ist keine einzige unteilbare Pause. Wenn du seine vier Teile unterscheidest, erkennst du, ob ein vorgeschlagener Ausbau die beobachtete Verzögerung verringern kann.

Vier Teile der Knotenverzögerung

Die Knotenverzögerung beträgt:

Die Verarbeitung umfasst das Untersuchen des Headers, die Prüfung auf Bitfehler und die Auswahl einer ausgehenden Verbindung. Bei einem Hochgeschwindigkeitsrouter dauert sie typischerweise Mikrosekunden oder weniger. Die Warteschlangenverzögerung ist das Warten auf vorausgehende Pakete am Ausgang. Sie kann bei freier Verbindung und leerer Warteschlange null betragen oder unter Last viele Millisekunden. Anders als die festen Bestandteile für ein bestimmtes Paket und eine bestimmte Verbindung variiert sie mit dem übrigen Verkehr.

Die letzten beiden Teile werden oft verwechselt:

Übertragung bedeutet, das Paket auf das Medium zu senden. Ausbreitung bedeutet, dass ein Bit das Medium durchläuft. In Glasfaser und Kupfer beträgt die Signalgeschwindigkeit ungefähr $2\times {10}^8$ m/s; bei Funk durch Luft oder Weltraum liegt sie nahe $3\times {10}^8$ m/s. In Glasfaser fügt jeder Kilometer etwa 5 µs Ausbreitungsverzögerung hinzu.

Eine lange Verbindung

Sende ein Paket mit 1.500 Byte über eine 2.000 km lange Glasfaserverbindung mit 100 Mbps.

1. Rechne die Paketgröße um: $1.500\times 8=12.000$ Bit.
2. Teile durch die Rate: $12.000\mathrm{/}{10}^8=\mathrm{0,00012}$ s oder 0,12 ms Übertragungszeit.
3. Rechne die Entfernung um: 2.000 km sind 2.000.000 m.
4. Teile durch die Ausbreitungsgeschwindigkeit: $2\times {10}^6\mathrm{/}(2\times {10}^8)=\mathrm{0,01}$ s oder 10 ms.

Die Ausbreitung überwiegt. Wenn der Sender nach 0,12 ms das Paket vollständig auf die Verbindung gesendet hat, hat dessen erstes Bit erst $\mathrm{0,00012}\times 2\times {10}^8=24.000$ m oder 24 km zurückgelegt. Das Paket kann sich also vollständig auf der Verbindung befinden, bevor sein erstes Bit ankommt.

Eine kurze Verbindung mit derselben Rate

Über 10 m Kabel dauert die Ausbreitung $10\mathrm{/}(2\times {10}^8)=50$ ns. Das Paket benötigt weiterhin 0,12 ms, um auf die Verbindung gesendet zu werden. Wenn sein erstes Bit ankommt, haben erst $50\times {10}^{-9}\times {10}^8=5$ Bit den Sender verlassen. Hier überwiegt die Übertragung.

Ein Ausbau der langen Verbindung auf 1 Gbps verkürzt ihre Übertragungszeit auf 0,012 ms. Die Ausbreitungsverzögerung bleibt bei 10 ms. Eine höhere Bitrate überträgt mehr Bit pro Sekunde; sie lässt ein Bit nicht schneller durch die Glasfaser laufen.

Rechne vor dem Einsetzen in aufeinander abgestimmte Einheiten um: Multipliziere Byte mit 8, Kilometer mit 1.000 und Mbps mit einer Million. Teilt man Byte direkt durch bit/s, fehlt der Faktor acht; verwendet man Kilometer mit m/s, fehlt der Faktor 1.000.

Für ein einzelnes Paket macht Store-and-Forward den Pfad zu einer Folge von Übertragungen. Addiere den Beitrag jeder Verbindung und die Arbeit jedes Routers, um zu bestimmen, wann das letzte Bit das Ziel erreicht.

Verbindungen und Router getrennt summieren

Für $N$ identische Verbindungen und $N-1$ dazwischenliegende Router mit leeren Warteschlangen gilt:

Addiere die Verarbeitung an den Endsystemen gegebenenfalls separat. Berechne bei unterschiedlichen Verbindungen jeden Übertragungs- und Ausbreitungsterm mit der Rate und Entfernung der jeweiligen Verbindung. Addiere Warteschlangenverzögerungen dort, wo sie auftreten; sie müssen nicht an jedem Router gleich sein.

Betrachte Host → R1 → R2 → Server. Ein Paket mit 12.000 Bit durchläuft 10 km mit 100 Mbps, 1.000 km mit 1 Gbps und anschließend 5 km mit 50 Mbps. Die Signalgeschwindigkeit beträgt $2\times {10}^8$ m/s. Jeder Router verarbeitet das Paket 20 µs lang, und die Warteschlangen sind leer.

Zwei Router fügen $2\times \mathrm{0,02}=\mathrm{0,04}$ ms hinzu. Das letzte Bit kommt nach $\mathrm{0,372}+\mathrm{5,075}+\mathrm{0,04}=\mathrm{5,487}$ ms an. Allein die Ausbreitung auf der mittleren Verbindung macht über 90 % dieser Gesamtzeit aus. Würde nur die Übertragung auf der langsamsten Verbindung gezählt, wäre die Verzögerung für das einzelne Paket unvollständig.

Ankunftszeit und Umlaufzeit unterscheiden

Auf einer einzelnen Verbindung kommt das letzte Bit einer Nachricht mit $F$ Bit nach $F\mathrm{/}R+d\mathrm{/}s$ an. Das letzte Bit muss zuerst den Sender verlassen und dann zum Empfänger gelangen. Frühere Bit breiten sich bereits aus, während spätere noch übertragen werden.

Die Umlaufzeit (RTT) reicht vom Senden eines Testpakets bis zur Rückkehr seiner Antwort. Sie umfasst die Verzögerungen auf Hin- und Rückweg sowie die Antwortzeit des Ziels. Der Befehl ping misst sie. Eine Schätzung für eine Richtung zu verdoppeln funktioniert nur, wenn die Annahmen über den Rückweg und die Antwort diese Rechnung tragen.

Unterwegs befindliche Bit zählen

Das Bandbreiten-Verzögerungs-Produkt einer Verbindung beträgt $R\times d_{\text{ausbr}}$. Auf einer kontinuierlich sendenden Verbindung mit 1 Gbps und 10 ms Ausbreitungsverzögerung können ${10}^9\times \mathrm{0,01}={10}^7$ Bit oder 1,25 MB unterwegs sein. Ein Bit nimmt auf dieser Verbindung $s\mathrm{/}R=\mathrm{0,2}$ m ein. Das Produkt ist eine Datenmenge, keine Verzögerung.

Verzögerungen vor der Übertragung einbeziehen

Eine Sprachquelle, die 64 kbps erzeugt, benötigt Zeit, um eine Nutzlast von 160 Byte zu füllen. Sie muss $160\times 8=1.280$ Bit sammeln, was $1.280\mathrm{/}64.000=20$ ms benötigt. Das ist die Paketierungsverzögerung, die entsteht, bevor das Paket gesendet werden kann. Ein gemeinsam genutzter Zugang wie WLAN kann außerdem eine Wartezeit auf den Kanal verursachen.

Bei kurzen LAN-Pfaden können Übertragung und Verarbeitung überwiegen, bei langen Pfaden die Ausbreitung und bei überlasteten Pfaden die Warteschlangen. Eine näher platzierte ausliefernde CDN-Kopie verringert den Entfernungsterm; eine höhere Übertragungsrate wirkt vor allem auf die Übertragung und bei unverändertem Bedarf auf die Warteschlangenverzögerung.

Eine Ausgangswarteschlange wächst immer dann, wenn eintreffende Pakete vorübergehend mehr Arbeit verursachen, als die Verbindung bewältigen kann. Sowohl die durchschnittliche Last als auch die zeitliche Verteilung der Ankünfte sind wichtig, besonders wenn der Puffer begrenzten Platz hat.

Eingangslast mit Bedienkapazität vergleichen

Die Verkehrsintensität beträgt:

$I=La\mathrm{/}R$,

wobei $a$ die durchschnittliche Anzahl eintreffender Pakete pro Sekunde, $L$ die Paketlänge in Bit beziehungsweise bei unterschiedlich großen Paketen die mittlere Länge und $R$ die Übertragungsrate ist. Der Zähler gibt die eingehenden bit/s an, die Intensität ist also ein Verhältnis ohne Einheit.

Bleibt $I>1$ bestehen, treffen Pakete schneller ein, als sie bedient werden. Eine unbegrenzte Warteschlange würde unbegrenzt wachsen; ein realer begrenzter Puffer füllt sich stattdessen und Pakete werden verworfen. Die durchschnittliche Intensität unter 1 zu halten ist eine grundlegende Entwurfsregel, beseitigt aber keine Verkehrsbüschel.

Derselbe Durchschnitt kann unterschiedliche Wartezeiten erzeugen

Sind die Warteschlange zu Beginn leer und die Verbindung frei, findet bei einer Ankunft alle $L\mathrm{/}R$ Sekunden jedes Paket die Verbindung bereit vor. Treffen alle $NL\mathrm{/}R$ Sekunden Gruppen von $N$ Paketen ein, passt die Gruppe zur selben durchschnittlichen Kapazität, doch ihre Pakete warten aufeinander. Paket $n$ wartet $(n-1)L\mathrm{/}R$, die durchschnittliche Wartezeit beträgt also $(N-1)L\mathrm{/}(2R)$.

Bei fünf Paketen und einer Bedienzeit von 1,2 ms betragen die Wartezeiten 0, 1,2, 2,4, 3,6 und 4,8 ms. Ihre Summe beträgt 12 ms, der Durchschnitt also 2,4 ms. Die Wartezeit umfasst nicht die eigene Übertragungszeit des jeweiligen Pakets.

Zufällige Ankünfte nahe der Vollauslastung

Zufällige Ankünfte erzeugen ungleichmäßige Warteschlangen. Ein Modell, M/M/1, nimmt unabhängige Poisson-Ankünfte, unabhängige exponentialverteilte Paketlängen mit dem Mittelwert $L$, eine Bedienstation und einen unbegrenzten Puffer an. Bei einer gleichbleibenden Last unter 1 beträgt seine mittlere Wartezeit in der Warteschlange:

Bei einer mittleren Bedienzeit von 1,2 ms erhöht ein Anstieg der Intensität von 0,5 auf 0,8 die mittlere Wartezeit von 1,2 ms auf 4,8 ms. Bei 0,9 beträgt sie 10,8 ms; bei 0,96 beträgt sie 28,8 ms. Die schwindende freie Kapazität lässt die Verzögerungen nahe der Vollauslastung stark wachsen.

Bei 800 Paketen/s, einer mittleren Länge von 12.000 Bit und einer Verbindung mit 10 Mbps beträgt die Intensität $12.000\times 800\mathrm{/}{10}^7=\mathrm{0,96}$. Das Modell ergibt $\mathrm{0,96}\mathrm{/}\mathrm{0,04}\times \mathrm{1,2}=\mathrm{28,8}$ ms. Ein Ausbau auf 20 Mbps führt zu einer Intensität von 0,48 und einer mittleren Bedienzeit von 0,6 ms. Die neue mittlere Wartezeit beträgt $\mathrm{0,48}\mathrm{/}\mathrm{0,52}\times \mathrm{0,6}\approx \mathrm{0,55}$ ms. Beide Faktoren ändern sich, sodass die Wartezeit um weit mehr als die Hälfte sinkt.

Begrenzte Puffer: Verlust gegen Verzögerung abwägen

Ein voller Puffer kann nicht jedes eintreffende Paket aufnehmen. Ein Router verwirft ein Paket, wodurch Verlust entsteht; auch Bitfehler bei Funk können Verlust verursachen. Verkehrsbüschel können einen Puffer selbst dann füllen, wenn die durchschnittliche Intensität unter 1 liegt. Ein größerer Puffer fängt mehr eines Verkehrsbüschels auf, doch dauerhaft lange Warteschlangen erzeugen Bufferbloat: hohe Verzögerung trotz weniger verworfener Pakete.

Der Router sendet ein Paket, das er aus Platzmangel verworfen hat, nicht erneut. TCP kann fehlende Daten erkennen und die Quelle veranlassen, sie Ende zu Ende erneut zu übertragen. UDP bietet keine Übertragungswiederholung auf der Transportschicht, sodass eine Anwendung mit den fehlenden Daten umgehen muss, etwa in Form einer kurzen Videostörung.

Die bei einem Empfänger ankommende Bitrate ist sein Durchsatz. Sie beschreibt, wie viel pro Sekunde ankommt, während die Verzögerung beschreibt, wie lange ein einzelnes Paket oder ein einzelner Austausch benötigt.

Die erreichte Rate messen

Der momentane Durchsatz ist die Rate zu einem bestimmten Zeitpunkt. Der durchschnittliche Durchsatz ist die empfangene Datenmenge geteilt durch die verstrichene Übertragungszeit:

Ein Sprachanruf benötigt geringe Verzögerung bei mäßiger Bitrate; ein großer Download profitiert vor allem von dauerhaftem Durchsatz. Eine entfernte Verbindung mit hoher Kapazität kann einen schnellen Download ermöglichen und dennoch eine spürbare Verzögerung im Gespräch verursachen.

Den Engpass finden

Bei einer langen Übertragung über einen ansonsten freien Pfad begrenzt die langsamste Verbindung die dauerhaft erreichbare Rate:

Übertragungsraten sind Kapazitäten hintereinander geschalteter Verbindungen und keine Zahlen, die addiert oder gemittelt werden. Eine vorgelagerte Verbindung kann kurzzeitig schneller senden, doch ihre überschüssigen Pakete müssen am langsameren Ausgang warten. Diese Warteschlange kann nicht bewirken, dass der Empfänger Daten schneller erhält, als die langsame Verbindung sie überträgt.

Die Zugangsverbindung eines Servers hat 100 Mbps und die eines Clients 25 Mbps. Ihr Pfad unterstützt 25 Mbps, wenn keine andere Verbindung eine niedrigere Grenze setzt. Eine Datei mit 500 MB enthält $500\times 8=4.000$ Mbit, sodass die kapazitätsbasierte Schätzung $4.000\mathrm{/}25=160$ s beträgt, ohne Anlaufzeit, Ausbreitung und Protokoll-Overhead.

Erweitert der Client seinen Zugang auf 1 Gbps, wird die Verbindung des Servers mit 100 Mbps zum Engpass. Die Schätzung beträgt nun $4.000\mathrm{/}100=40$ s. Ein weiterer Ausbau der Clientverbindung würde die Kapazität dieses Pfades nicht erhöhen.

Gemeinsam genutzte Kapazität einbeziehen

Die Gesamtrate einer Verbindung im Netzkern muss nicht für eine einzelne Übertragung verfügbar sein. Teilen sich $M$ Übertragungen eine Verbindung zu gleichen Teilen, erhält jede einen Anteil von $R\mathrm{/}M$. Kombiniere diesen Anteil mit den Verbindungen der Endsysteme:

Fünfzig Übertragungen, die sich 1 Gbps gleichmäßig teilen, erhalten jeweils 20 Mbps. Für den ursprünglichen Server mit 100 Mbps und den Client mit 25 Mbps wird die gemeinsam genutzte Verbindung im Netzkern bei 20 Mbps zum Engpass. Die Datei mit 500 MB benötigt nun etwa $4.000\mathrm{/}20=200$ s.

Zugangsverbindungen begrenzen häufig den Durchsatz, doch Engpässe können überall auftreten und sich mit dem Bedarf verlagern. Paketheader verbrauchen Kapazität, Verluste müssen behoben werden, und Transportprotokolle können bei Überlastung die Senderate verringern. Der Anwendungsdurchsatz kann daher unter der Schätzung anhand der reinen Übertragungsrate liegen.

Die richtige Berechnung der Übertragungszeit wählen

Wurde der durchschnittliche Durchsatz bereits über eine vollständige Übertragung gemessen, ergibt $T=F\mathrm{/}\text{durchschnittlicher Durchsatz}$ direkt die verstrichene Zeit. Eine erneute Addition der RTT würde die Verzögerung doppelt zählen.

Bei einer Schätzung anhand der Engpasskapazität lässt $F\mathrm{/}{R}_{\text{Engpass}}$ Anlauf- und Pfadverzögerungen aus. Diese zusätzlichen Zeiten sind bei kleinen Objekten besonders wichtig. Ein Objekt mit 10 kB benötigt bei 25 Mbps nur 3,2 ms Übertragungszeit, sodass eine Umlaufzeit von einigen zehn Millisekunden seine Abrufzeit dominieren kann. Bei einer großen Datei überwiegt gewöhnlich die Datenmenge geteilt durch die dauerhaft erreichte Rate.

traceroute ermittelt antwortende Router auf dem Weg zu einem Ziel und erfasst eine Umlaufzeit zu jedem davon. Unter Windows heißt der Befehl tracert. Beide nutzen ein Feld, das normalerweise verhindert, dass Pakete endlos kreisen.

Testpakete an aufeinanderfolgenden Routern ablaufen lassen

Die Lebensdauer (TTL) von IPv4 zählt Weiterleitungsschritte; IPv6 nennt das entsprechende Feld Hop-Limit. Ein Router verringert den Wert vor dem Weiterleiten. Erreicht der Wert null, verwirft der Router das Paket und sendet eine ICMP-Zeitüberschreitungsmeldung zurück, sofern seine Konfiguration und Filterung das zulassen.

Traceroute sendet Testpakete, beginnend mit TTL 1. Der erste Router lässt diese Testpakete ablaufen und kann sich durch seine Antwort zu erkennen geben. Testpakete mit TTL 2 können diesen Router passieren und beim nächsten ablaufen. Durch Erhöhen des Werts werden aufeinanderfolgende antwortende Stationen sichtbar. Standardmäßig werden drei Testpakete pro TTL gesendet, die an jeder Station drei RTT-Messungen ergeben.

Für Host → R1 → R2 → R3 → Server:

Wenn alle Antworten eintreffen, sendet diese Ablaufverfolgung mit vier Stationen zwölf Testpakete. Jede RTT beginnt, wenn das jeweilige Testpaket die Quelle verlässt, und endet, wenn dessen Antwort zurückkehrt. Der Wert ist nicht die Zeit, die nur zum Durchlaufen der Verbindung von der zuvor ausgegebenen Station benötigt wird.

Die Antwort des Ziels erkennen

Das Standardverfahren unter Linux und macOS sendet UDP-Testpakete an einen unwahrscheinlichen Zielport, beginnend bei 33434 und für jedes Testpaket erhöht. Ein Ziel ohne lauschenden Prozess sendet die ICMP-Meldung „Port nicht erreichbar“ zurück. Trotz ihres fehlerähnlichen Namens teilt diese Antwort Traceroute mit, dass das Testpaket das Ziel erreicht hat.

Windows-tracert sendet ICMP-Echo-Anfragen; beim Erreichen des Ziels wird eine Echo-Antwort ausgelöst. Dazwischen abgelaufene Testpakete erzeugen weiterhin Zeitüberschreitungsmeldungen. Linux-traceroute und Windows-tracert verwenden standardmäßig höchstens 30 Weiterleitungsschritte. Eine Ablaufverfolgung endet, wenn das Ziel antwortet oder die Obergrenze erreicht ist.

Ausführen und die Ausgabe zuordnen

Verwende traceroute example.org unter Linux oder macOS oder tracert example.org unter Windows. Die Quelladresse einer Antwort identifiziert eine Routerschnittstelle. DNS-Abfragen können lesbare Namen ergänzen. Verwende traceroute -n example.org oder tracert -d example.org, um diese Abfragen zu überspringen und numerische Adressen zu sehen, ohne auf die Namensauflösung zu warten.

Von Betreibern gewählte Routernamen enthalten manchmal einen Stadt- oder Flughafencode, doch ein Name ist ein Hinweis, keine geografische Messung. Ein Router hat außerdem mehrere Schnittstellen, sodass verschiedene Ablaufverfolgungen unterschiedliche Adressen für dasselbe Gerät zeigen können.

Die resultierende Liste erfasst Antworten auf diese Testpakete zu diesem Zeitpunkt. Routen können sich zwischen Durchläufen ändern, und Lastverteilung kann Testpakete über verschiedene Pfade senden. Die Testpakete laufen vorwärts zum Ziel, während jede gemessene RTT auch einen Rückweg umfasst, den die Liste nicht zeigt.

Lies eine Ablaufverfolgung als eine Reihe zeitlich erfasster Antworten. Eine Zeile gibt die Nummer des Weiterleitungsschritts, Namen oder Adressen antwortender Schnittstellen und die RTTs ihrer Testpakete an. Ausbleibende Antworten und Schwankungen müssen interpretiert werden, bevor sie eine Diagnose ermöglichen.

Eine vollständige Ablaufverfolgung lesen

Diese Ablaufverfolgung nutzt private und Dokumentationsadressen:

1 gw.home.example (192.168.1.1)              1.9 ms  1.6 ms  1.7 ms
2 10.20.0.1                               8.4 ms  8.9 ms  8.1 ms
3 core1.city-a.isp.example (198.51.100.17)   9.6 ms 10.2 ms  9.8 ms
4 * * *
5 ix1.city-b.transit.example (203.0.113.40) 21.5 ms 21.1 ms 22.0 ms
6 sub1.ocean.transit.example (203.0.113.73) 84.3 ms 83.9 ms 84.6 ms
7 www.example.org (192.0.2.80)             85.2 ms 85.0 ms 86.1 ms

Der Heimrouter antwortet nach etwa 1,7 ms, die nächste Station nach etwa 8,4 ms und das Ziel nach etwa 85 ms. Das sind Umlaufzeiten von der Quelle zur jeweiligen Station und zurück. Die drei Zahlen einer Zeile gehören zu getrennten Testpaketen, nicht zu drei Teilen der Verzögerung eines Pakets.

Mit fehlenden Antworten umgehen

Ein Sternchen bedeutet, dass vor Ablauf des Zeitlimits keine Antwort eingetroffen ist: bei Standardeinstellungen normalerweise 4 s unter Windows und bis zu 5 s unter Linux. Ein Router kann ICMP-Antworten unterdrücken oder ihre Rate begrenzen; eine Firewall kann sie filtern; ein Testpaket oder seine Antwort kann verloren gehen.

Station 5 antwortet nach der nicht antwortenden Station 4. Die Ablaufverfolgung zeigt also, dass Testpakete über diesen Punkt hinaus gelangen können. Sie belegt nicht, dass gewöhnlicher Verkehr an Station 4 verworfen wird. Sternchen am Ende können bedeuten, dass das Ziel oder eine nahe gelegene Firewall nicht auf Testpakete antwortet; ein tatsächliches Erreichbarkeitsproblem ist aber ebenfalls möglich. Prüfe weitere Hinweise, bevor du dich für eine Ursache entscheidest.

Nach einer anhaltenden Änderung suchen

Die minimale RTT steigt von 21,1 ms bei Station 5 auf 83,9 ms bei Station 6: ein Anstieg um 62,8 ms, der bei Station 7 bestehen bleibt. Das deutet auf zusätzliche Pfadverzögerung nahe diesem Teil der Route hin.

Wäre der gesamte Anstieg Ausbreitungsverzögerung auf einer zusätzlichen, in beide Richtungen genutzten Glasfaserverbindung, betrüge die zusätzliche Zeit in eine Richtung $\mathrm{62,8}\mathrm{/}2=\mathrm{31,4}$ ms. Bei $2\times {10}^8$ m/s entspricht das $\mathrm{0,0314}\times 2\times {10}^8=\mathrm{6.280.000}$ m oder 6.280 km. Diese Schätzung hängt vom angegebenen Pfadmodell ab. Unterschiedliche Rückwege der Antworten, Warteschlangen und Antwortzeiten der Router können den Anstieg verändern; die Ablaufverfolgung bestimmt weder den Kabeltyp noch misst sie die Verbindungslänge.

Weiterleitung und Antwort trennen

Ein Router kann langsam antworten und gleichzeitig Pakete schnell weiterleiten. Seine ICMP-Verarbeitung kann niedrige Priorität haben, und seine Antwort kann einen anderen Rückweg nehmen. Eine hohe RTT, die bei späteren Stationen verschwindet, weist gewöhnlich auf eine langsame Antwort hin, während ein anhaltender Anstieg untersucht werden sollte.

Wiederholt gemessene Minima helfen, die feste Verzögerung zu schätzen, während eine Streuung der RTTs veränderliche Warteschlangenverzögerung erkennen lassen kann. Beides trennt die Bestandteile nicht perfekt: Auch die Antwortverarbeitung und Änderungen des Pfades können variieren. Vergleiche Durchläufe zu verschiedenen Zeiten und nutze wiederholte ping-Messungen, um das Ziel über längere Zeit zu prüfen.

Lastverteilung kann mehrere Adressen an einer Station zeigen. Paris Traceroute hält Headerfelder zur Identifizierung eines Datenstroms konstant, um Pfadwechsel bei datenstrombasierter Lastverteilung zu verringern, doch paketbasierte Lastverteilung kann Testpakete weiterhin aufteilen. MPLS-Tunnel können interne Router verbergen, sodass die ausgegebenen Stationen nicht jeden physischen Router erkennen lassen müssen.