Характеристики производительности коммутаторов

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 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. 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.

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.

 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).

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.

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.