Tietoverkkojen suorituskyvyn ja palvelunlaadun mittaamiseen on kehitetty lukuisia erilaisia menetelmiä. Eroavaisuuksia on niin toiminnallisuuksissa kuin myös käyttötarkoituksissa. Mittausmenetelmät voidaan jaotella monella eri tavalla, mutta pääjaottelu alkaa usein siitä, onko menetelmä aktiivinen vai passiivinen. On oleellista ymmärtää näiden kategorioiden monisyiset erot, sillä molempiin liittyy sekä etuja että rajoitteita.
11.2.2025
Palvelunlaatu
Aloitetaan kertauksella, mitä tiedonsiirron palvelunlaatu tarkoittaa. Lyhyesti sanottuna se kertoo, kuinka hyvin tiedonsiirtoyhteys kykenee palvelemaan verkottuneita sovelluksia ja palveluita. Teknisessä mielessä käyttäjien näkökulmasta vain palvelunlaadulla on lopulta merkitystä. Laatu on riittävä silloin, kun käyttäjän ei tarvitse kiinnittää verkkoyhteyden olemassaoloon huomiota. Sen päämittareita ovat muun muassa viive, viiveen vaihtelu, pakettihäviöt ja tiedonsiirtonopeus.
Palvelunlaadun tarve on sovelluskohtaista. Jotkin sovellukset tarvitsevat suurta tiedonsiirtonopeutta ilman erityisvaatimuksia esimerkiksi viiveelle. Toisille taas jopa pienet viivepiikit voivat olla haitallisia, mutta ne menevät läpi ohuestakin putkesta. Tähän liittyen tietoliikennelaitteiden yhteydessä palvelunlaaduksi markkinoidaan usein erilaisia teknologioita. Ne eivät kuitenkaan ole palvelunlaatua itsessään, vaan menetelmiä, joilla palvelunlaatua voidaan parantaa tyypillisesti priorisoimalla erilaisten sovellusten liikennevirtoja sopivasti.
Palvelunlaatu on luonnostaan kahden pisteen yli vaikuttava ominaisuus. Kun esimerkiksi mitataan datapakettien viivettä tietoverkossa, on oltava alkupiste ja päätepiste, joiden välille viive lasketaan. Koko yhteysvälille nämä mittauspisteet ovat usein päätelaite ja palvelin, mutta viive voidaan mitata myös lyhyemmälle välille. Tästä johtuen suurin osa palvelunlaadunmittausmenetelmistä toimii kahdessa pisteessä. Yhden pisteen menetelmien on hyödynnettävä tietoja, joita mitattava liikenne jo sisältää.
Aktiiviset mittausmenetelmät
Kun tietoverkko on vasta pystytysvaiheessa, ei siellä tyypillisesti vielä ole oikeaa sovellusliikennettä, jonka suhteen verkon suorituskykyä voisi arvioida. Sama tilanne on toisinaan T&K-työssä laboratorio-olosuhteissa. Helposti ohjattavat liikennegeneraattorit ovat tuolloin tarpeen, ja luodun liikenteen mittaaminen on tehokas keino selvittää suorituskykyä. Aktiiviset mittausmenetelmät, kuten Ping, TWAMPTwo-Way Active Measurement Protocol
TWAMP on standardoitu aktiivinen mittausprotokolla IP-pohjaisille tietoverkoille., maksimikuormitusmittarit ja monet erilaiset räätälöidyt työkalut ovet yleisesti käytössä verkkojen suorituskyvyn arvioinnissa. Ne luovat keinotekoista testiliikennettä, jolle ne mittaavat palvelunlaadullisia suureita.
Eräs etenkin kuluttajien suosima työkaluryhmä on maksimiliikennemittarit. Useimmat niistä ovat verkkoselaimella käytettäviä ilmaisia työkaluja, jotka luovat yleensä TCPTransport Control Protocol
A robust connection-oriented transport protocol for transferring non-realtime data reliably.-pohjaista kuormaa testaajan verkkolaitteen ja työkalun tarjoajan palvelimen välille niin paljon kuin yhteysvälille mahtuu. Näin pystytään mittaamaan maksimiläpäisykyky, mutta paljastaako tulos parhaan operaattorin? Välttämättä ei, sillä tulos kertoo vain senhetkisen tilanteen kyseiselle käyttäjälle kyseisessä paikassa. Yksittäinen hyvä tulos voi kertoa hyvästä verkosta tai siitä, että verkossa on vähän käyttäjiä suhteessa verkon kapasiteettiin sillä hetkellä. Vasta suuret määrät mittauksia eri vuorokauden aikoina pitkällä aikavälillä rupeavat tuomaan tilastollista varmuutta vertailuihin. Hallittavat ja toistettavat mittausolosuhteet luovat edellytykset tarkoille tuloksille ja analyysille.
Vaikka maksimiläpäisykyvyllä on oma tärkeä roolinsa, se on vain yksi osa palvelunlaatua. Esimerkiksi langattomissa verkoissa lukuisista erilaisista ympäristötekijöistä johtuvat vaihtelevat signaaliolosuhteet sekä häiriötilanteet voivat johtaa pakettihäviöihin ja huomattaviin tiedonsiirtoviiveisiin. Tällaisista haastavista olosuhteista kärsivät myös luotettavien protokollien, kuten TCP:n, päälle rakennetut sovellukset, jotka yrittävät mukautua tilanteeseen alentamalla tiedonsiirtonopeuksia entisestään. Täten maksimisuorituskykymittarit reagoivat omalla tavallaan myös erilaisista laatutekijöistä johtuviin ongelmiin, mutta varsinainen aiheuttaja jää pimentoon. Hätäisestä tulkinnasta voi seurata jopa virheellisiä päätelmiä verkon kapasiteetista, mikä johtaa vääriin korjaaviin toimiin. Maksimisuorituskyvyn mittaaminen ei siten yksinään riitä tuomaan tarpeeksi kattavaa näkemystä verkon laadusta. Teollisuusverkoissa asia korostuu: verkon tiedonsiirtonopeus on nykyään enää harvoin hidasteena. Sen sijaan kaivataan jatkuvaa saavutettavuutta ja reaaliaikaista vastetta.
Tuotantoverkkojen jatkuvassa laaduntarkkailussa suositaan yleensä menetelmiä, jotka luovat vain vähän mittausliikennettä tai suorittavat ajoittaisia testejä. Esimerkiksi yleistyökalu Ping lähettää ICMPInternet Control Message Protocol
ICMP on TCP/IP-pinoon kuuluva ohjausprotokolla.-kyselyn kohdelaitteelle ja mittaa vastauksen avulla kiertoviivettä laitteelle. Ping on kuormitusvaikutukseltaan vähäinen ja sen ehdoton valtti on suunnattoman laaja levinneisyys, mutta yksinkertaisuutensa vuoksi se soveltuu käytännössä vain laitteiden yleisen saavutettavuuden tarkasteluun. Toisinaan ICMP-liikennettä saatetaan kohdella verkossa poikkeavasti, mikä voi antaa tilanteesta väärän kuvan. Hienostuneemmilla menetelmillä, kuten UDPUser Datagram Protocol
A simple, fast, unreliable transport protocol.-pohjaisella TWAMP:lla, jolla voi mitata sekä yhdensuuntaista että edestakaista suorituskykyä, päästään tarkempiin tuloksiin. TWAMP on Pingiä harvinaisempi, mutta löytyy kuitenkin useista operaattoritason laitteista. Pingin tavoin sekään ei kuitenkaan kerro kovinkaan paljoa oikeiden sovellusten toimivuudesta verkossa.
On olemassa myös suuri joukko mallintavia aktiivimittaustyökaluja, jotka matkivat oikeaa sovellusliikennettä antaen tarkemman tuloksen verkon suorituskyvystä juuri tietynlaiselle liikenteelle. Ne voivat toisinaan myös toistaa oikeaa sovellusliikennettä, millä päästään vielä lähemmäs aitoa tilannetta. On myös kuormitustestereitä, jotka voivat emuloida jopa tuhansia käyttäjiä ja heidän erityyppisiä sovelluksiaan. Eri työkalut tarjoavat omat yksilölliset menetelmänsä suorituskykyarvojen laskentaan, mikä tekee vertailuista toisinaan haastavaa. Joka tapauksessa laajojakin testiasetelmia voi rakentaa mallintamaan tulevan tuotantokäytön liikenneprofiilia, mikä tarjoaa arvokasta tietoa verkon kyvystä palvella käyttäjiä.
Passiiviset mittausmenetelmät
Kun siirrytään tuotantoverkkoihin, aktiiviset menetelmät eivät ole parhaimmillaan: kevyet menetelmät eivät ole tarpeeksi tarkkoja kriittisessä käytössä, mutta toisaalta mallintavien aktiivityökalujen luoma ylimääräinen liikenne voi muodostua ongelmaksi. Mikäli toimitaan jo muutenkin verkon kapasiteetin rajoilla, voi aktiivityökalujen käyttö pahimmillaan heikentää olemassa olevien hyötysovellusten kokomaa palvelunlaatua. Niin ei saa tapahtua ja lisäksi jouduttaisiin mittaustulosten tulkinnan kannalta hämmentävään tilanteeseen. Tässä kohtaa kuvaan astuvat passiiviset mittausmenetelmät, joiden aiheuttama ylikuorma pystytään painamaan hyvin pieneksi. Passiiviset palvelunlaadunmittausmenetelmät eivät luo verkkoon mitattavaa testiliikennettä, vaan kertovat täsmälleen, miltä verkko näyttää sitä käyttävien sovellusten kannalta. Ne ovat siis parhaimmillaan, kun pyritään saamaan tarkka käsitys, kuinka olemassa olevat sovellukset verkon yli toimivat, mikä tekee niistä korvaamattoman välineen tuotantoverkkojen laaduntarkkailussa.
Myös passiivisia mittausmenetelmiä on monenlaisia. Jotkin menetelmät ovat yleiskäyttöisiä, kun taas toiset on tarkasti räätälöity tiettyyn tarkoitukseen mittaamaan jonkin tietyn sovelluksen tai protokollan palvelunlaatua. Menetelmä voi myös olla rakennettu suoraan jonkin verkkosovelluksen yhteyteen.
Eräs passiivisen laadunmittausmenetelmän tyyppi on tehdä päätelmiä TCP-liikenteen käyttäytymisestä. Mittauksen voi suorittaa yhdessä pisteessä, joten se on helppo ottaa käyttöön erilaisissa ympäristöissä. TCP:n luotettavuuden takaavat sisäiset mekanismit tarjoavat mahdollisuuden mitata tiettyjä suureita, kuten kiertoviivettä ja TCP-vuon datahäviöitä. Kiertoviiveen puute on, ettei kohonneen viiveen tapauksessa ole näkyvyyttä siihen, kummassa suunnassa mahdollinen poikkeama on. Vielä isompi ongelma on, että mukana ei ole ainoastaan tiedonsiirtopolun viive, vaan myös vastaanottavan verkkolaitteen aiheuttama viive. Mikäli kiertoviive vaikuttaa kasvaneen, ei tiedetä, johtuuko se tiedonsiirtopolusta jompaankumpaan suuntaan vai sittenkin vastapään verkkolaitteesta. Tällainen mittaus on kuitenkin moniin käyttötapauksiin riittävää, mutta toisinaan vaaditaan tarkempaa palvelunlaadullista mittaustietoa. On myös iso joukko sovelluksia etenkin reaaliaikapuolella, joita ei ole rakennettu TCP:n päälle.
TCP:n lisäksi on muitakin protokollia, joissa kulkee sovelluksille välttämätöntä tietoa, jota voidaan samalla hyödyntää mittauksissa. Hyvä esimerkki tästä on UDP:n päällä kulkeva RTPReal-time Transport Protocol
A transport protocol for applications with real-time constraints, such as video streams, VoIP, and remote control., jota muun muassa useat VoIPVoice over IP
Refers to technologies which enable a delivery of voice communication over IP network.-sovellukset käyttävät. RTP-otsikkokentässä kulkeva tieto mahdollistaa pakettihäviöiden ja viiveen vaihtelun mittaamisen yhdessä pisteessä. Mittausfilosofisesti kyseessä on kuitenkin edelleen kahden pisteen mittaus: toinen mittapää on se sovellus, joka RTP-vuota lähettää. Tästä johtuen kyetäänkin mittaamaan vain vastaanotettu suunta. Mikäli halutaan mitata myös vastakkainen suunta, tarvitaan mittausväline toiseenkin päähän.
On myös iso joukko passiivisia menetelmiä, jotka keräävät erilaisia tilastoja verkkolaitteilta esimerkiksi SNMPSimple Network Management Protocol
SNMP on TCP/IP-verkkojen hallintaprotokolla laitteiden tilan tiedusteluun sekä ohjaamiseen.:n avulla. Tällaisiin tilastoihin lukeutuvat muun muassa liikennemäärät, pudotetut paketit ja myös erilaiset signaalitiedot langattomien yhteyksien tapauksessa. Vaikka kerätyt tilastot osittain liittyvät palvelunlaatuun, ei menetelmiä voi kuitenkaan kutsua varsinaisiksi palvelunlaadunmittausmenetelmiksi, sillä yhteys sovellusliikenteen laatuun on olematon tai vähintäänkin etäinen. Verkon yleistilanteesta kuitenkin saadaan jonkinlaista käsitystä, mikä on tiettyihin käyttötapauksiin riittävää.
Kun on tarve mitata palvelunlaatua mille tahansa liikennevirralle verkkoteknologiasta riippumatta molempiin suuntiin erikseen, tarvitaan yleiskäyttöinen verkkoliikennettä tutkiva mittausmenetelmä tarkkailtavan polun molempiin päihin. Näin kyetään mittaamaan laatua kokonaisliikenteelle, vuoryhmälle tai vaikka vain yksittäiselle sovellukselle muun liikenteen seasta. Toisin kuin monissa sovelluskohtaisissa mittausmenetelmissä, mittauspisteiden ei tarvitse olla verkkoliikenteen päätepisteissä, vaan voidaan vapaasti mitata haluttua väliä. Mikäli tavoitellaan reaaliaikamittausta, haittana on tarve ohjausliikenneyhteydelle mittauspisteiden välillä. Se tietenkin lisää kokonaisliikennettä, mutta tehokkaalla koodauksella ylikuorma on mahdollista puristaa murto-osaan mitattavasta liikennemäärästä. Kriittisissä tuotantoverkoissa ylikuorma on mitätön haitta tarkan reaaliaikaisen palvelunlaatutiedon hyötyihin nähden. Laboratorioasetelmissa ja tarkoissa tieteellisissä mittauksissa ohjausliikenne voidaan reitittää toista kautta, jolloin mitattava yhteys säilyy puhtaana.
Mittausmenetelmän valinta
Mittausmenetelmää valittaessa on punnittava mittauksen tavoitteet ja tarpeet sekä mittausympäristön vaatimukset ja rajoitukset. Aktiiviset mittausmenetelmät ovat korvaamattomia verkon alkuvaiheen testauksessa, mittauskampanjoissa ja tietynlaisissa vianselvityksissä, koska ne tarjoavat nopeasti tietoa yhteyksien yleisestä toimivuudesta ja suorituskyvystä. Passiiviset menetelmät eivät esimerkiksi kykene mittaamaan maksiminettoliikennettä suoraan. Ne voivat paljastaa sen välillisesti pidemmällä tarkkailujaksolla, mutta on huomattavasti nopeampaa käyttää tähän tarkoitukseen aktiivista mittausmenetelmää. Aktiivisten menetelmien keinotekoinen luonne ei toisaalta kykene useinkaan ilmentämään oikeiden verkkosovellusten kokemaa laatua riittävällä tarkkuudella.
Passiiviset mittausmenetelmät antavat aidon kuvan jatkuvassa käytössä olevien verkkojen todellisesta suorituskyvystä. Oikeaa sovellusliikennettä tarkkailemalla päästään täsmällisesti käsiksi palvelunlaadun käyttäytymiseen erilaisissa tilanteissa, mikä tekee passiivisista mittausmenetelmistä korvaamattomia tutkimustyöhön, jatkuvaan seurantaan sekä verkottuneiden järjestelmien optimointiin. Verkonlaajuinen tilannetietoisuus vallitsevasta palvelunlaadusta voidaan saavuttaa minimaalisella ylikuormalla ja ongelmat paikallistetaan välittömästi.
Kannattaa myös hyödyntää molempien menetelmien parhaita puolia. Esimerkiksi T&K-työssä voi olla tarvetta aktiivisten menetelmien dynaamisuudelle, mutta toisaalta halutaan päästä passiivisten menetelmien tarkkuuteen. Täten toivotun kaltainen liikennevirta luodaan aktiivisella menetelmällä, mutta itse mittaus suoritetaan passiivisella menetelmällä. Voidaan myös käyttää sekaisin sekä keinotekoisia että oikeiden sovellusten liikennevirtoja. Näin kyetään hyödyntämään useita erilaisia liikennelähteitä mittaustavan pysyessä samana. Tulosten tarkkuus ja kattavuus pysyvät muuttumattomina riippumatta mitattavasta sovellusliikenteestä.
Palataan lopuksi alkuperäiseen kysymykseen: kumpi voitti taistelun? Tässä vaiheessa onkin jo arvattavissa, että ei ole suoraa voittajaa tai häviäjää. Sen sijaan sekä aktiivisia että passiivisia palvelunlaadunmittausmenetelmiä tarvitaan, sillä ne palvelevat erilaisia käyttötarkoituksia. Molemmilla on paikkansa tietoliikenteen ammattilaisen työkalupakissa ja ymmärtämällä sekä niiden vahvat puolet että rajoitukset päästään kohti sujuvaa tiedonsiirtoa ja korkeaa palvelunlaatua.
Esa Piri ja Jarmo Prokkola
11.02.2025
Kaitotek Oy