БИБЛИЯ ХАКЕРА

Характеристики производительности коммутаторов

Основными характеристиками коммутатора, его

Производительность, являются:

• скорость фильтрации (filtering);

• скорость маршрутизации (forwarding);

• пропускная способность (throughput);

• задержка передачи кадра.

Кроме того, существует несколько характеристик коммутатора, ко­торые в наибольшей степени влияют на указанные характеристики про­изводительности. К ним относятся:

• размер буфера (буферов) кадров;

• производительность внутренней шины;

• производительность процессора или процессоров;

• размер внутренней адресной таблицы.

Скорость фильтрации и скорость продвижения

Скорость фильтрации и продвижения кадров — это две основные характеристики производительности коммутатора. Эти характеристики являются интегральными показателями, они не зависят от того, каким об­разом технически реализован коммутатор.

Скорость фильтрации определяет скорость, с которой коммутатор выполняет следующие этапы обработки кадров:

• прием кадра в свой буфер,

• просмотр адресной таблицы с целью нахождения порта для адреса назначения кадра,

• уничтожение кадра, так как его порт назначения совпадает с портом-источником.

Скорость продвижения определяет скорость, с которой коммутатор выполняет следующие этапы обработки кадров:

• прием кадра в свой буфер,

Просмотр адресной таблицы с целью нахождения порта для адреса назначения кадра,

• передача кадра в сеть через найденный по адресной таблице порт назначения.

Как скорость фильтрации, так и скорость продвижения измеряют­ся обычно в кадрах в секунду. В случае, если в характеристиках коммута­тора не уточняется, для какого протокола и для какого размера кадра при­ведены значения скоростей фильтрации и продвижения, то по умолчанию считается, что эти показатели даются для протокола Ethernet и кадров ми­нимального размера, то есть кадров длиной 64 байта (без преамбулы), с полем данных в 46 байт. В случае, если скорости указаны для какого-ли­бо определенного протокола, например, Token Ring или FDDI, то они также даны для кадров минимальной длины этого протокола (например, кадров длины 29 байт для протокола FDDI). Применение в качестве ос­новного показателя скорости работы коммутатора кадров минимальной длины объясняется тем, что такие кадры всегда создают для коммутатора наиболее тяжелый режим работы по сравнению с кадрами другого форма­та при равной пропускной способности переносимых пользовательских данных. Поэтому при проведении тестирования коммутатора режим пе­редачи кадров минимальной длины используется как наиболее сложный тест, который должен проверить способность коммутатора работать при наихудшем сочетании для него параметров трафика. Кроме того, для па­кетов минимальной длины скорость фильтрации и продвижения имеют максимальное значение, что имеет немаловажное значение при рекламе коммутатора.

Пропускная способность коммутатора измеряется количеством пе­реданных в единицу времени через его порты пользовательских данных. Так как коммутатор работает на канальном уровне, то для него пользова­тельскими данными являются те данные, которые переносятся в поле данных кадров протоколов канального уровня — Ethernet, Token Ring, FDDI и т. п. Максимальное значение пропускной способности коммута­тора всегда достигается на кадрах максимальной длины, так как при этом и доля накладных расходов на служебную информацию кадра гораздо ни­же, чем для кадров минимальной длины, и время выполнения коммута­тором операций по обработке кадра, приходящееся на один байт пользо­вательской информации, существенно меньше.

Зависимость пропускной способности коммутатора от размера пе­редаваемых кадров хорошо иллюстрирует пример протокола Ethernet, для которого при передаче кадров минимальной длины достигается скорость передачи в 14880 кадров в секунду и пропускная способность 5.48 Мб/с, а при передаче кадров максимальной длины — скорость передачи в 812 ка­дров в секунду и пропускная способность 9.74 Мб/с. Пропускная способ­ность падает почти в два раза при переходе на кадры минимальной длины, и это еще без учета потерь времени на обработку кадров коммутатором.

Задержка передачи кадра измеряется как время, прошедшее с мо­мента прихода первого байта кадра на входной порт коммутатора до мо­мента появления этого байта на выходном порту коммутатора. Задержка складывается из времени, затрачиваемого на буферизацию байт кадра, а также времени, затрачиваемого на обработку кадра коммутатором — про­смотр адресной таблицы, принятие решения о фильтрации или продви­жении и получения доступа к среде выходного порта.

Величина вносимой коммутатором задержки зависит от режима его работы. В случае, если коммутация осуществляется «на лету», то задерж­ки обычно невелики и составляют от 10 мкс до 40 мкс, а при полной бу­феризации кадров — от 50 мкс до 200 мкс (для кадров минимальной дли­ны).

Коммутатор — это многопортовое устройство, поэтому для него принято все приведенные выше характеристики (кроме задержки переда­чи кадра) давать в двух вариантах. Первый вариант — суммарная произ­водительность коммутатора. при одновременной передаче трафика по всем его портам, второй вариант — производительность, приведенная в расчете на один порт.

Так как при одновременной передаче трафика несколькими порта­ми существует огромное количество вариантов трафика, отличающегося размерами кадров в потоке, распределением средней интенсивности по­токов кадров между портами назначения, коэффициентами вариации ин­тенсивности потоков кадров и т. д. и т. п., то при сравнении коммутаторов по производительности необходимо принимать во для какого

Варианта трафикаполученыпубликуемыеданныепроизводительности. К сожалению, для коммутаторов (как, впрочем, и для маршрутизаторов) не существует общепринятых тестовых образцов трафика, которые можно было бы применять для получения сравнимых характеристик производи­тельности, как это делается для получения таких характеристик произво­дительности вычислительных систем, как ТРС-А или SPECint92. Некоторые лаборатории, постоянно проводящие тестирование коммуни­кационного оборудования, разработали детальные описания условий те­стирования коммутаторов и используют их в своей практике, однако об­щепромышленными эти тесты пока не стали.

Оценка необходимой общей производительности

Коммутатора

В идеальном случае коммутатор, установленный в сети, передает кадры между узлами, подключенными к его портам, с той скоростью, с которой узлы генерируют эти кадры, не внося дополнительных задержек и не теряя ни одного кадра. В реальной практике коммутатор всегда вно­сит некоторые задержки при передаче кадров, а также может некоторые кадры терять, то есть не доставлять их адресатам. Из-за различий во вну­тренней организации разных моделей коммутаторов, трудно предвидеть, как тот или иной коммутатор будет передавать кадры какого-то конкрет­ного образца трафика. Лучшим критерием по-прежнему остается практи­ка, когда коммутатор ставится в реальную сеть и измеряются вносимые им задержки и количество потерянных кадров. Однако, существуют не­сложные расчеты, которые могут дать представление о том, как коммута­тор будет вести себя в реальной ситуации.

Основой для оценки того, как будет справляться коммутатор со свя­зью узлов или сегментов, подключенных к его портам, являются данные о средней интенсивности трафика между узлами сети. Это означает, что нужно каким-то образом оценить, сколько в среднем кадров в секунду узел, подключенный к порту Р2, генерирует узлу, подключенному к пор­ту Р4 (трафик Р24), узлу, подключенному к порту РЗ (трафик Р23), и так далее, до узла, подключенного к порту Р6. Затем эту процедуру нужно по­вторить для трафика, генерируемого узами, подключенными к портам 3, 4, 5 и 6. В общем случае, интенсивность трафика, генерируемого одним узлом другому, не совпадает с интенсивностью трафика, генерируемого в обратном направлении.

Результатом исследования трафика будет построение матрицы тра­фика. Трафик можно измерять как в кадрах в секунду, так и в битах в се­кунду. Так как затем требуемые значения трафика будут сравниваться с показателями производительности коммутатора, то нужно их иметь в од­них и тех же единицах. Для определенности будем считать, что в рассма-

Примере трафик и производительность коммутатора измеря­ются в битах в секунду.

Подобную матрицу строят агенты RMON MIB (переменная Traffic Matrix), встроенные в сетевые адаптеры или другое коммуникационное оборудование.

Для того, чтобы коммутатор справился с поддержкой требуемой ма­трицы трафика, необходимо выполнение нескольких условий.

1. Общая производительность коммутатора должна быть больше или равна суммарной интенсивности передаваемого трафика:

В P1J

Где В — общая производительность коммутатора, Pij — средняя интенсив­ность трафика от і-го порта Kj-му; сумма берется по всем портам комму­татора, от 1 до 6.

В случае, если это неравенство не выполняется, то коммутатор за­ведомо не будет справляться с потоком поступающих в него кадров и они будут теряться из-за переполнения внутренних буферов. Так как в форму­ле фигурируют средние значения интенсивностей трафика, то никакой, даже очень большой размер внутреннего буфера или буферов коммутато­ра не сможет компенсировать слишком медленную обработку кадров.

Суммарная производительность коммутатора обеспечивается до­статочно высокой производительностью каждого его отдельного элемен­та — процессора порта, коммутационной матрицы, общей шины, соеди­няющей модули и т. п. Независимо от внутренней организации коммутатора и способов конвейеризации его операций, можно опреде­лить достаточно простые требования к производительности его элемен­тов, которые являются необходимыми для поддержки заданной матрица трафика. Перечислим некоторые из них.

2. Номинальная максимальная производительность протокола каж­дого порта коммутатора должна быть не меньше средней интенсивности суммарного трафика, проходящего через порт:

Ck Pkj + її Pik

Где Ck — номинальная максимальная производительность протокола k-ro порта (например, если порт поддерживает Ethernet, то равно 10 Мб/с), первая сумма равна интенсивности выходящего из порта трафика, а вторая — входящего. Эта формула полагает, что порт коммутатора рабо­тает в стандартном полудуплексном режиме, для полнодуплексного ре­жима величину Ск нужно удвоить.

3. Производительность процессора каждого порта должна быть не меньше средней интенсивности суммарного трафика, проходящего через порт. Условие аналогично предыдущему, но вместо номинальной произ­водительности поддерживаемого протокола в ней должна использоваться производительность процессора порта.

4. Производительность внутренней шины коммутатора должна быть не меньше средней интенсивности суммарного трафика, передавае­мого между портами, принадлежащими разным модулям коммутатора:

Bbus кХц Pij

Где Вы* — производительность общей шины коммутатора, а сумма 2ц Pij берется только по тем i и j, которые принадлежат разным модулям.

Эта проверка должна выполняться, очевидно, только для тех ком­мутаторов, которые имеют внутреннюю архитектуру модульного типа с использованием общей шины для межмодульного обмена. Для коммута­торов с другой внутренней организацией, например, с разделяемой памя­тью, несложно предложить аналогичные формулы для проверки доста­точной производительности их внутренних элементов.

Приведенные условия являются необходимыми для того, чтобы коммутатор в среднем справлялся с поставленной задачей и не терял ка­дров постоянно. В случае, если хотя бы одно из приведенных условий не будет выполнено, то потери кадров становятся не эпизодическим явлени­ем при пиковых значениях трафика, а явлением постоянным, так как да­же средние значения трафика превышают возможности коммутатора.

Условия 1 и 2 применимы для коммутаторов с любой внутренней организацией, а условия 3 и 4 приведены в качестве примера необходимо­сти учета производительности отдельных портов.

Так как производители коммутаторов стараются сделать свои уст­ройства как можно более быстродействующими, то общая внутренняя производительность коммутатора часто с некоторым запасом превышает среднюю интенсивность любого варианта трафика, который можно на­править на порты коммутатора в соответствии с их протоколами. Такие коммутаторы называются неблокирующими, что подчеркивает тот факт, что любой вариант трафика передается без снижения его интенсивности.

Однако, какой бы общей производительностью не обладал комму­татор, всегда можно указать для него такое распределение трафика между портами, с которым коммутатор не справится и начнет неизбежно терять кадры. Для этого достаточно, чтобы суммарный трафик, передаваемый через коммутатор для какого-нибудь его выходного порта, превысил мак­симальную пропускную способность протокола этого порта. В терминах условия 2 это будет означать, что второе слагаемое S Pik превышает про­пускную способность протокола порта Ск. Например, если порты Р4, Р5 и Р6 будут посылать на порт Р2 каждый по 5 Мб/с, то порт Р2 не сможет пе­редавать в сеть трафик со средней интенсивностью 15 Мб/с, даже если процессор этого порта обладает такой производительностью. Буфер пор­та Р2 будет заполняться со скоростью 15 Мб/с, а опустошаться со скоро­стью максимум 10 Мб/с, поэтому количество необработанных данных бу­дет расти со скоростью 5 Мб/с, неизбежно приводя к переполнению лю­бого буфера конечного размера, а значит и к потере кадров.

Из приведенного примера видно, что коммутаторы могут полно­стью использовать свою высокую внутреннюю производительность толь­ко в случае хорошо сбалансированного трафика, когда вероятности пере­дачи кадров от одного порта другим примерно равны. При «перекосах» трафика, когда несколько портов посылают свой трафик преимуществен­но одному порту, коммутатор может не справиться с поставленной зада­чей даже не из-за недостаточной производительности своих процессоров портов, а по причине ограничений протокола порта.

Коммутатор может терять большой процент кадров и в тех случаях, когда все приведенные условия соблюдаются, так как они являются необ­ходимыми, но недостаточными для своевременного продвижения полу­чаемых на приемниках портов кадров. Эти условия недостаточны потому, что они очень упрощают процессы передачи кадров через коммутатор. Ориентация только на средние значения интенсивностей потоков не учи­тывает коллизий, возникающих между передатчиками порта и сетевого адаптера компьютера, потерь на время ожидания доступа к среде и других явлений, которые обусловлены случайными моментами генерации кад­ров, случайными размерами кадров и другими случайными факторами, значительно снижающими реальную производительность коммутатора. Тем не менее использование приведенных оценок полезно, так как поз­воляет выявить случаи, когда применение конкретной модели коммута­тора для конкретной сети заведомо неприемлемо.

Так как интенсивности потоков кадров между узлами сети оценить удается далеко не всегда, то в заключение этого раздела приведем соотно­шение, которое позволяет говорить о том, что коммутатор обладает доста­точной внутренней производительностью для поддержки потоков кадров в том случае, если они проходят через все его порты с максимальной ин­тенсивностью. Другими словами, получим условие того, что при данном наборе портов коммутатор является неблокирующим. Очевидно, что ком­мутатор будет неблокирующим, если общая внутренняя производитель­ность коммутатора В равна сумме максимальных пропускных способнос­тей протоколов всех его портов Ck:

В = Ck

То есть, если у коммутатора имеется, например, 12 портов Ethernet и 2 порта Fast Ethernet, то внутренней производительности в 320 Мб/с бу­дет достаточно для обработки любого распределения трафика, попавше­го в коммутатор через его порты. Однако, такая внутренняя производи­тельность является избыточной, так как коммутатор предназначен не только для приема кадров, но и для их передачи на порт назначения. По­этому все порты коммутатора не могут постоянно с скоро­

Стью только принимать информацию извне — средняя интенсивность уходящей через все порты коммутатора информации Должна быть равна средней интенсивности принимаемой информации. Следовательно, мак­симальная скорость передаваемой через коммутатор информации в ста­бильном режиме равна половине суммарной пропускной способности всех портов — каждый входной кадр является для какого-либо порта вы­ходным кадром. В соответствии с этим утверждением для нормальной ра­боты коммутатора достаточно, чтобы его внутренняя общая производи­тельность была равна половине суммы максимальных пропускных способностей протоколов всех его портов:

В = (Ек СО/2

Поэтому, для коммутатора с 12 портами Ethernet и 2 портами Fast Ethernet вполне достаточно иметь среднюю общую производительность в 160 Мб/с, для нормальной работы по передаче любых вариантов распре­деления трафика, которые могут быть переданы его портами в течение до­статочно длительного периода времени.

Еще раз нужно подчеркнуть, что это условие гарантирует только то, что внутренние элементы коммутатора — процессоры портов, межмо­дульная шина, центральный процессор и т. п. — справятся с обработкой поступающего трафика. Асимметрия в распределении этого трафика по выходным портам всегда может привести к невозможности своевремен­ной передачи трафика в сеть из-за ограничений протокола порта. Для предотвращения потерь кадров многие производители коммутаторов применяют фирменные решения, позволяющие «притормаживать» пере­датчики узлов, подключенных к коммутатору, то есть вводят элементы уп­равления потоком не модифицируя протоколы портов конечных узлов.

Эти способы будут рассмотрены ниже при рассмотрении дополни­тельных возможностей коммутаторов.

Кроме пропускных способностей отдельных элементов коммутато­ра, таких как процессоры портов или общая шина, на производительность коммутатора влияют такие его параметры как размер адресной таблицы и объем общего буфера или отдельных буферов портов.

Размер адресной таблицы

Максимальная емкость адресной таблицы определяет максималь­ное количество МАС-адресов, с которыми может одновременно опериро­вать коммутатор. Так как коммутаторы чаще всего используют для выпол­нения операций каждого порта выделенный процессорный блок со своей памятью для хранения экземпляра адресной таблицы, то размер адресной таблицы для коммутаторов обычно приводится в расчете на один порт. Экземпляры адресной таблицы разных процессорных модулей не обяза­тельно содержат одну и ту же адресную информацию — скорее всего по­вторяющихся адресов будет не так много, если только распределение тра­фика каждого порта не полностью равновероятное между остальными Каждый порт хранит только те наборы адресов, которыми он пользуется в последнее время.

Значение максимального числа МАС-адресов, которое может за­помнить процессор порта, зависит от области применения коммутатора. Коммутаторы рабочих групп обычно поддерживают всего несколько ад­ресов на порт, так как они предназначены для образования микросегмен­тов. Коммутаторы отделов должны поддерживать несколько сотен адре­сов, а коммутаторы магистралей сетей — до нескольких тысяч, обычно 4К-8К адресов.

Недостаточная емкость адресной таблицы может служить причиной замедления работы коммутатора и засорения сети избыточным трафиком. В случае, если адресная таблица процессора порта полностью заполнена, а он встречает новый адрес источника в поступившем пакете, то он дол­жен вытеснить из таблицы какой-либо старый адрес и поместить на его место новый. Эта операция сама по себе отнимет у процессора часть вре­мени, но главные потери производительности будут наблюдаться при по­ступлении кадра с адресом назначения, который пришлось удалить из ад­ресной таблицы. Так как адрес назначения кадра неизвестен, то коммутатор должен передать этот кадр на все остальные порты. Эта опе­рация будет лишнюю работу для многих процессоров портов, кроме того, копии этого кадра будут попадать и на те сегменты сети, где они совсем необязательны.

Некоторые производители коммутаторов решают эту проблему за счет изменения алгоритма обработки кадров с неизвестным адресом на­значения. Один из портов коммутатора конфигурируется как магистраль­ный порт, на который по умолчанию передаются все кадры с неизвестным адресом. В маршрутизаторах такой прием применяется давно, позволяя сократить размеры адресных таблиц в сетях, организованных по иерархи­ческому принципу.

Передача кадра на магистральный порт производится в расчете на то, что этот порт подключен к вышестоящему коммутатору, который име­ет достаточную емкость адресной таблицы и знает, куда нужно передать любой кадр. Пример успешной передачи кадра при использовании маги­стрального порта заключается в том, что коммутатор верхнего уровня имеет информацию о всех узлах сети, поэтому кадр с адресом назначения переданный ему через магистральный порт, он передает через порт 2 коммутатору, к которому подключен узел с адресом МАСЗ.

Хотя метод магистрального порта и будет работать эффективно во многих случаях, но можно представить такие ситуации, когда кадры будут просто теряться. Одна из таких ситуаций следующая: коммутатор нижне­го уровня удалил из своей адресной таблицы адрес который под-

Ключей к его порту 4, для того, чтобы освободить место для нового адре­са МАСЗ. При поступлении кадра с адресом назначения МАС8, коммута­тор передает его на магистральный порт 5, через который кадр попадает в коммутатор верхнего уровня. Этот коммутатор видит по своей адресной таблице, что адрес МАС8 принадлежит его порту 1, через который он и поступил в коммутатор. Поэтому кадр далее не обрабатывается и просто отфильтровывается, а, следовательно, не доходит до адресата. Поэтому более надежным является использование коммутаторов с достаточным количеством адресной таблицы для каждого порта, а также с поддержкой общей адресной таблицы модулем управления коммутатором.

Объем буфера

Внутренняя буферная память коммутатора нужна для временного хранения кадров данных в тех случаях, когда их невозможно немедленно передать на выходной порт. Буфер предназначен для сглаживания крат­ковременных пульсаций трафика. Ведь даже если трафик хорошо сбалан­сирован и производительность процессоров портов, а также других обра­батывающих элементов коммутатора достаточна для передачи средних значений трафика, то это не гарантирует, что их производительности хва­тит при очень больших пиковых значениях нагрузок. Например, трафик может в течение нескольких десятков миллисекунд поступать одновре­менно на все входы коммутатора, не давая ему возможности передавать принимаемые кадры на выходные порты.

Для предотвращения потерь кадров при кратковременном много­кратном превышении среднего значения интенсивности трафика (а для локальных сетей часто встречаются значения коэффициента пульсации трафика в диапазоне 50-100) единственным средством служит буфер большого объема. Как и в случае адресных таблиц, каждый процессорный модуль порта обычно имеет свою буферную память для хранения кадров. Чем больше объем этой памяти, тем менее вероятны потери кадров при перегрузках, хотя при несбалансированности средних значений трафика буфер все равно рано или поздно переполниться.

Обычно коммутаторы, предназначенные для работы в ответствен­ных частях сети, имеют буферную память в несколько десятков или сотен килобайт на порт. Хорошо, когда эту буферную память можно перерас­пределять между несколькими портами, так как одновременные пере­грузки по нескольким портам маловероятны. Дополнительным средством защиты может служить общий для всех портов буфер в модуле управления коммутатором. Такой буфер обычно имеет объем в несколько мегабайт.