Расчеты трафика. 
Проект сети доступа в Интернет абонентов жилого массива г. Хабаровска

Основные характеристики коммутатора

Данная локальная сеть строится на коммутаторах, поэтому в этой главе рассматриваются основные характеристики производительности коммутаторов.

Основными характеристиками коммутатора, измеряющими 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 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. 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. 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 14 880 кадров в секунду и пропускная способность 5,48 Мбит/с, а при передаче кадров максимальной длины — скорость передачи в 812 кадров в секунду и пропускная способность 9,74 Мбит/c. 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. 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 внимание, для какого варианта трафика получены публикуемые данные производительности.

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.

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 MAC-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 портами. 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. 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 создавать 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 приведен на рисунке 4.1. Коммутатор верхнего уровня имеет информацию о всех узлах сети, поэтому кадр с адресом назначения МАС3, переданный ему через магистральный порт, он передает через порт 2 коммутатору, к которому подключен узел с адресом МАС3.

Рисунок 4.1 — Использование магистрального порта для доставки кадров с неизвестным адресом назначения 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 изображена на рисунке 4.2. Коммутатор нижнего уровня удалил из своей адресной таблицы адрес МАС8, который подключен к его порту 4, для того, чтобы освободить место для нового адреса МАС3. 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.

Рисунок 4.2 — Потеря кадра при использовании магистрального порта.

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.