What's the Delay? Understanding Latency Across the Network
2026 (English)Doctoral thesis, comprehensive summary (Other academic)Alternative title
Vad är det som dröjer? Att förstå latens i datornätverk (Swedish)
Abstract [en]
Network latency directly affects the performance of many applications that run over the Internet. While significant effort is spent on reducing network latency, the fundamental capability to observe latency remains limited in many network environments. Network operators who rely on active measurements do not get a complete view of the latency encountered by ordinary application traffic, while the coarse-grained measurements frequently used by network researchers fail to capture the rapid latency fluctuations in emerging wireless networks.
In this thesis, we explore the potential of technologies like eBPF and hardware timestamps to address the limited observability of latency in modern networks. To this end, we use eBPF to design two lightweight in-kernel passive monitoring solutions that network operators can use to monitor the end-to-end network latency and track the latency within the local endhost network stack. Through deployments in an Internet service provider network and across servers in a global content distribution network, we demonstrate the feasibility of continuously monitoring the latency in production. Our analysis of the monitoring data highlights that last-mile access remains a significant source of latency in end-users' Internet connections, and shows how large latency spikes can occur already in the early parts of web servers' packet processing pipeline. Additionally, we develop methodologies that combine high-frequency active measurements with accurate hardware timestamps to gain a more detailed understanding of the latency characteristics in wireless networks. Using our high-fidelity measurements to study Starlink, we reveal how its link-layer scheduling and apparent use of front-drop queueing impact latency. By studying latency in various network environments, we thus advance our understanding of network latency, and by designing new tools to measure latency, we provide a foundation for future research on network latency.
Abstract [en]
Network latency impacts the user experience for many current Internet applications and remains a key challenge for enabling future network use cases. However, the observability of latency in many network environments is poor, leaving both network operators and researchers alike with a limited understanding of the delays in modern networks. To improve the visibility of network latency, this thesis explores how eBPF can be leveraged to passively and continuously monitor production traffic, and how hardware-supported high-frequency active measurements can be used to capture the rapid latency fluctuations in wireless networks. We utilize our solutions to study the latency inside a wireless Internet service provider network, the packet processing time within the web servers, and the delays across the Starlink network. Our measurements reveal long latency tails in the last-mile access, within the host network stack, and from the resource allocation mechanisms in the Starlink network. Our measurements thereby provide a better understanding of latency in current networks, while our novel measurement tools provide the means to study the latency in future networks.
Abstract [sv]
Nätverksfördröjningen påverkar prestandan för många av de applikationer som körs över internet. Trots att betydande insatser görs för att minska nätverkslatensen är möjligheten att observera latensen fortfarande begränsad i många nätverksmiljöer. Nätverksoperatörer som förlitar sig på aktiva nätverksmätningar får inte en fullständig bild av latensen för vanlig applikationstrafik, medan de lågfrekventa mätningar som ofta används av nätverksforskare inte lyckas fånga de snabba latensfluktuationerna i trådlösa nätverk.
I denna avhandling undersöker vi potentialen hos tekniker som eBPF och hårdvarutidsstämplar för att förbättra möjligheterna att observera latens i moderna nätverk. Vi använder eBPF för att designa två effektiva passiva övervakningslösningar som körs i operativsystemets kärna, vilka låter nätoperatörer övervaka latensen både över hela nätverket och inom den lokala nätverksstack. Genom att installera dessa verktyg hos en internetleverantör och på servrar i ett globalt distributionsnätverk visar vi att det är möjligt att kontinuerligt övervaka latensen i produktionsmiljöer. Vår analys av mätdata visar att accessnätverk fortfarande orsakar en stor del av latensen i slutanvändarnas internetanslutningar, samt att stora fördröjningar kan uppstå redan tidigt i webservrars mjukvarustack för bearbetning av nätverkspaket. Vidare utvecklar vi metoder som kombinerar högfrekventa aktiva mätningar med exakta hårdvarutidsstämplar för att få en mer detaljerad förståelse av latensen i trådlösa nätverk. Genom att använda våra högupplösta mätningar för att studera Starlink avslöjar vi hur dess resursschemaläggning i länklagret och köhantering påverkar latensen. Genom att studera latensen i olika nätverksmiljöer fördjupar vi därmed vår förståelse av nätverkslatens, och genom att designa nya verktyg för att mäta latens lägger vi grunden för framtida forskning om nätverkslatens.
Place, publisher, year, edition, pages
Karlstad: Karlstads universitet, 2026. , p. 62
Series
Karlstad University Studies, ISSN 1403-8099 ; 2026:30
Keywords [en]
network latency, host latency, passive monitoring, active measurements, Linux networking, eBPF, hardware timestamps, Starlink
National Category
Computer Sciences
Research subject
Computer Science
Identifiers
URN: urn:nbn:se:kau:diva-108434DOI: 10.59217/qklv6836ISBN: 978-91-7867-709-2 (print)ISBN: 978-91-7867-710-8 (electronic)OAI: oai:DiVA.org:kau-108434DiVA, id: diva2:2050121
Public defence
2026-05-29, Eva Eriksson 21A342, Universitetsgatan 2, Karlstad, 09:15 (English)
Opponent
Supervisors
2026-05-082026-03-312026-06-11Bibliographically approved
List of papers