Cała naprzód

Przełączniki mogą tworzyć przeciętnie od dwóch do ośmiu kolejek w obrębie każdego z portów. Pewnym fenomenem jest tu propozycja firmy Cisco - 32 tys. kolejek na port. Czy rzeczywiście jest możliwe, aby zarządzać tak dużą liczbą kolejek i przypisywać każdej z nich inny priorytet? Raczej wątpliwe.

Przełączniki mogą tworzyć przeciętnie od dwóch do ośmiu kolejek w obrębie każdego z portów. Pewnym fenomenem jest tu propozycja firmy Cisco - 32 tys. kolejek na port. Czy rzeczywiście jest możliwe, aby zarządzać tak dużą liczbą kolejek i przypisywać każdej z nich inny priorytet? Raczej wątpliwe.

Wszystkie przełączniki pracują zgodnie z takimi standardami jak 802.1p (tworzenie kolejek i przypisywanie im różnych priorytetów) i 8021.q (budowanie wirtualnych sieci LAN).

Uwaga na liczby

Warto uważnie sprawdzić tak ważny parametr jak podawana przez producenta ogólna (zintegrowana) przepustowość przełącznika. Poszczególne firmy stosują nieraz wyjątkowo wyrafinowane techniki przetwarzania i przełączania pakietów. Te, które podawały bardzo wysokie przepustowości, poproszono, aby zweryfikowały te informacje. Na przykład 3Com podał za pierwszym razem, że przepustowość wewnętrznej magistrali danych przełącznika CoreBuilder 9000 wynosi 560 Gb/s, podczas gdy wydajność układu przełączającego komórki (ATM), zainstalowanego w tym węźle sieci, można skalować w granicach od 15 do 70 Gb/s. Po weryfikacji 3Com przyznał, że poprzednia informacja (560 Gb/s) nie jest właściwa, podając bardziej realną przepustowość - 280 Gb/s.

Ale nie tylko 3Com musiał zweryfikować dane i obniżyć ogólną przepustowość urządzenia. Firma Cisco podała, że zagregowana przepustowość wewnętrznej magistrali danych przełącznika Catalyst 5500 (opartego przecież na układzie Supervisor III, którego wydajność wynosi ok. 3,6 Gb/s) wynosi 50 Gb/s. Po weryfikacji Cisco obniżyło tę wartość do poziomu 9 Gb/s.

Jeśli producent podaje (tak jak to zrobiła np. firma Foundry Networks), że przełącznik może obsłużyć w ciągu jednej sekundy więcej niż 100 mln pakietów, to informację taką należy dokładnie sprawdzić. Wszyscy specjaliści mówią, że każdy port Gigabit Ethernet może kierować do przełącznika maks. 1,5 mln pakietów na sekundę. Aby przełącznik mógł obsłużyć 100 mln pakietów na sekundę, 86 portów Gigabit Ethernet powinno pracować z pełną szybkością. A Foundry podaje, że w produkowanym przez nią przełączniku można zainstalować maksimum 64 porty gigabitowe. Skąd zatem wzięła się liczba 100 mln pakietów na sekundę? Po zadaniu firmie takiego pytania wydajność przełącznika Foundry Networks spadła nagle do poziomu 27 mln pakietów na sekundę.

A teraz kilka słów o cenach. Podając cenę jednego portu producenci mają często na myśli przetwarzanie pakietów w warstwie drugiej (Layer 2). Proszę więc sprawdzać, czy cena odnosi się też do routingu pakietów {Layer 3) przesyłanych przez sieć 10/100. Praktyka dowodzi, że port Layer 2 jest zwykle od 100 do 150 USD tańszy niż port Layer 3.

Test przełączników

Aby przyjrzeć się bliżej, co w tej dziedzinie oferuje obecnie rynek, postanowiono przetestować kilkanaście przełączników produkowanych przez czołowych producentów sprzętu sieciowego. Poproszono więc 12 firm o dostarczenie modularnych przełączników operujących w dwóch warstwach modelu OSI (Layer 2 i Layer 3), zdolnych obsłużyć co najmniej 96 portów Ethernet 10/100 lub 100Base-FX (światłowód) i minimum 4 porty Gigabit Ethernet Na zaproszenie odpowiedziały tylko cztery firmy: Bay Networks (niedawno przejęta przez Nortel Networks, obecnie jeden z oddziałów tej firmy), Cabletron Systems, Extreme Networks i Packet Engines. Tak na marginesie: niedawno Alcatel wykupił firmę Packet Engines.

Testowane przełączniki to (w kolejności) produkty wymienionych firm: Accelar 1200, SmartSwitch Router 8600, BlackDiamond 6800 i PowerRail 2200 Enterprise Routing Switch.

'

Uwaga testujących 'nie koncentrowała się wyłącznie na wydajności testowanych węzłów sieci, co ma z reguły miejsce przy ocenie tego rodzaju sprzętu. Postanowiono przyjrzeć się też bliżej innym cechom przełączników: w jaki sposób każdy przełącznik kontroluje opóźnienia powstałe na skutek przechowywania pakietów w buforach oraz tak ważnemu parametrowi jak liczba gubionych pakietów (odporność na przeciążenia).

Kolejne ważne kwestie to Jakość usług świadczonych przez przełącznik (QoS), ogólna zwłoka w obsłudze pakietu (czas liczony od momentu odebrania pakietu do wyekspediowania go do właściwego portu) czy odporność na zjawisko znane pod nazwą head of line blocking (HOL). Polega to na tym, że przepustowość poszczególnych portów zmniejsza się na pewien czas. Może to być powodowane nadmiernym przeciążeniem portu pakietami lub niewydolnością układów przełączania wbudowanych w urządzenie. Przełącznik potrafi się też blokować, ponieważ port przeznaczenia (wyjściowy) jest często zajęty (używany jest przez inny port wejściowy). Dochodzi wtedy do opóźnień w obsłudze pakietów i tworzenia się „korków" w przełączniku.

Nie próbowano przy tym zapychać przełącznika pakietami do takiego poziomu, aby jego układy przełączania i wewnętrzna magistrala danych zaczęły odmawiać posłuszeństwa. Wydajność przełącznika i liczbę gubionych pakietów mierzono w sytuacji obciążenia go w następujący sposób: dwa strumienie pakietów (ruch dwukierunkowy) przesyłane przez porty Gigabit Ethernet (pełny' dupleks) i dziesięć strumieni pakietów (ruch dwukierunkowy) przesyłanych przez porty Fast Ethernet (też pełny dupleks).

Testy wykazały, że każdy z przełączników przetwarza kierowane do niego pakiety z odpowiednią szybkością nawet wtedy, gdy zainstalowano w nim porty Gigabit Ethernet - i to niezależnie od tego, czy pakiety te są przetwarzane w warstwach 2 czy 3. W żadnym z czterech przełączników nie dochodziło do zjawiska okresowego blokowania się portów (HOL), opóźnienia przy ekspediowaniu pakietów do portów mieściły się w dopuszczalnych granicach i przepustowość przełączników (przy kierowaniu do nich od 40 do 100 proc. generowanych pakietów) nie budziła zastrzeżeń. Wszystko to dowodzi, że najnowsze przełączniki potrafią oferować najwyższe wydajności, dysponując jednocześnie układami przełączania obdarzonymi odpowiednią porcją inteligencji, zdolnymi wykonywać szereg nowych, nieosiągalnych do tej pory funkcji.Ile gniazd i ile portów?

Jeśli chodzi o pojemność, to największe możliwości oferuje przełącznik BlackDiamond 6800 - jest on wyposażony w 10 gniazd i można w nim zainstalować do 48 portów Gigabit Ethernet lub do 256 portów Ethernet 10/100, oraz różne kombinacje tych portów. W ośmiu gniazdach można instalować karty wyposażone w porty Ethernet (10/100 lub 1000 Mb/s), a dwa są zarezerwowane na moduły MSM (Management Switch Module). W przełączniku musi być bezwzględnie zainstalowany jeden taki moduł, a w przypadku zainstalowania dwóch modułów MSM, ten drugi może pełnić rolę zapasowego układu przełączania pakietów (pracując w trybie load shared, czyli z podziałem obciążenia między podstawowym i zapasowym układem przełączania pakietów) i zarządzać protokołami oraz przełącznikiem. Drugi moduł MSM podwaja przepustowość przełącznika - z 32 do 64 Gb/s.

Przełącznik PowerRail 5200 (Packet Engines) oddaje do dyspozycji użytkownika 14 gniazd, a zainstalowane w nich karty mogą obsługiwać do 120 portów 100Base-FX lub do 240 portów 10Base-T/100Base-TX (użytkownik może oczywiście konfigurować przełącznik w dowolny sposób, instalując w nim karty zawierające porty różnych standardów). Porty 10/100 rozpoznają automatycznie rodzaj dołączonej sieci (opcja autosensing). W testowanym przełączniku można też zainstalować do 25 portów Gigabit Ethernet. Już po ukończeniu testów okazało się, że Packet Engines wprowadził do swojej oferty nowy, 6-portowy moduł Gigabit Ethernet, tak iż przełącznik jest w stanie obsłużyć nawet do 73 portów Gigabitowych.

Przełącznik firmy Cabletron - SmartSwitch Router 8600 - może obsłużyć do 30 portów Gigabit Ethernet lub 120 portów Ethernet 10/100 (lub różne kombinacje tych dwóch technologii).

Jeśli chodzi o przełącznik Accelar 1200 (Bay Networks), to dysponuje on ośmioma gniazdami i może obsłużyć do 12 portów Gigabit Ethernet lub 96 portów Ethernet 10/100 (automatyczne rozpoznawanie szybkości pracy dołączonej sieci) lub kombinację tych dwóch technologii.

Porównanie konfiguracji wybranych przełączników*

Szybkość plus inteligencja

Przełącznik BlackDiamond dysponuje wewnętrzną magistralą danych pracującą z szybkością 64 Gb/s (technologia non blocking), ekspediującą na zewnątrz (czyli do portów wyjściowych) 48 mln pakietów w ciągu jednej sekundy (zakładając, że są one przetwarzane w warstwie 3). BlackDiamond realizuje zadania QoS posiłkując się dwoma rozwiązaniami: polem TOS (pierwotnie pole Type Of Service, nazywane obecnie polem sygnalizacyjnym usług QoS), dołączanym do pakietów IP, i mechanizmem ustalania priorytetów pracującym zgodnie ze standardem Ethernet 801.lp, operującym w warstwie 2.

Przepustowość wewnętrznej magistrali danych przełącznika PowerRail 5200 (technologia non blocking) wynosi 52 Gb/s. Ten węzeł sieci może przełączyć w ciągu jednej sekundy ponad 37 mln pakietów. PowerRail świadczy aplikacjom usługi na odpowiednim poziomie, posiłkując się następującymi rozwiązaniami: specjalne mechanizmy realizujące zadanie filtrowania pakietów i zawiadywania nimi, routing pracujący w technologii TOS, protokół Resource Reseruation Protocol oraz standard IEEE 802.1p (ustalanie priorytetów). Użytkownik ma tu do dyspozycji gotowe do użycia szablony, dzięki którym konfigurowanie przełącznika (routing pakietów) przebiega sprawniej. Jest to zupełnie nowe rozwiązanie i dlatego proponowane przez producenta szablony nie pracują jeszcze najefektywniej.

Przełącznik SSR-16 (Cabletron) trasuje oraz przełącza pakiety posiłkując się informacjami zawartymi w nagłówkach protokołu TCP. Technologia ta jest znana jako Layer 4 switching (przełączanie w warstwie 4 modelu OSI). Tak naprawdę samo przełączanie ma miejsce w warstwie 3, a decyzje o sposobie routingu pakietów są podejmowane według informacji pobieranych z nagłówków warstwy 4. Nie jest jednak do końca pewne, czy technologia ta usprawnia rzeczywiście proces routingu pakietów. Praktyka wykaże, czy jest to prawda.

Przełącznik SSR-16 zawiera układ przełączania zdolny wyekspediować w świat 30 mln pakietów IP w ciągu jednej sekundy. Wszystkie porty wyjściowe dysponują oddzielnymi buforami na pakiety, a każdy port Fast Ethernet i Gigabit Ethernet - niezbędną pamięcią, w której można przechowywać co najmniej kilkaset pakietów Ethernet o maksymalnej długości. Istnieją cztery poziomy priorytetów (najwyższy, dwa stopnie pośrednie i najniższy - cztery kolejki, każda obsługująca określoną klasę pakietów), a każda kolejka ma też do swojej dyspozycji oddzielny bufor. Cabletron poradziły sobie tloskonale z wyzwaniami stawianymi przez QoS (gwarantowana jakość usług świadczonych przez przełącznik).. i cztery poziomy priorytetów wydają się być najlepszym rozwiązaniem. Wielu producentów oferuje

bowiem za mało lub za dużo poziomów priorytetów; można spotkać nieraz dwa poziomy (stanowczo za mało) lub szesnaście (to już przesada). Accelar 1200 (Bay Networks) to swego czasu jeden z pier-- wszych produktów oferujących prawdziwe przełączanie pakietów w warstwie 3. Może on wyekspediować w ciągu jednej sekundy 14 mln pakietów (zagregowana przepustowość Layer 3). Jeszcze rok temu taka liczba robiła wrażenie, ale dzisiaj Accelar 1200 prezentuje się słabo w porównaniu z innymi produktami tej klasy. Każdy moduł instalowany w tym przełączniku jest w stanie obsłużyć kilka poziomów QoS, może umieszczać pakiety w oddzielnych kolejkach oraz obsługiwać ruch pakietów IP typu multicast (jedno stanowisko/wiele stanowisk), nadając poszczególnym rodzajom pakietów różne priorytety.

Wszystkie przełączniki oferują rozwiązania pozwalające budować łącza obsługiwane przez kilka zagregowanych portów (opcja port trunking), stosują technologię równoważenia obciążeń poszczególnych portów pakietami (z wyjątkiem przełącznika BlackDiamond) i opcję failover (przełączanie ruchu pakietów na inny port w przypadku awarii jednego z portów podstawowych).

Wydajność

Test był tak skonfigurowany, że liczba pakietów kierowanych do określonych portów Gigabit Ethernet i Fast Ethernet nie obciążała w stu procentach układów przetwarzających pakiety. I tak test Gigabit Ethernet generował ruch pakietów o maksymalnej wielkości rzędu 4 Gb/s, podczas gdy wydajność niektórych przełączników osiąga poziom 32 Gb/s. W każdym razie każdy z testowanych przełączników mógł bez trudu obsłużyć kierowane do niego pakiety.

Wydajność przełączników była taka sama przy przetwarzaniu pakietów w warstwach 2 i w 3. Jest to warte podkreślenie, ponieważ zaprojektowanie przełącznika pracującego równie szybko w warstwie 3 (routing), jak i w warstwie 2 (rzeczywiste przełączanie) jest sporą sztuką. Z reguły przełączniki oferują dużo większą wydajność w warstwie drugiej. Dopiero od niedawna rynek oferuje takie węzły sieci, które pracują w obu warstwach równie szybko.

Przełączniki najnowszej generacji realizują większość zadań wykonywanych w obu warstwach, posiłkując się wyspecjalizowanymi układami scalonymi typu ASIC. Projektanci przełączników stosują podobnego rodzaju technologie w obu warstwach (np. szybkie przeglądanie tabel routingu i tabel przełączania), tak że wydajność warstwy 3 nie odbiega znacznie od wydajności warstwy 2 i opóźnienia są w obu przypadkach niemal identyczne. Są one przy tym tak małe, że nie mają najmniejszego wpływu na wydajność aplikacji uruchamianych w sieci.

Warto zauważyć, że przełącznik Accelar 1200 (Bay Networks) jest jedynym testowanym produktem mającym specyficzną cechę: opóźnienia są takie same niezależnie od długości przetwarzanych pakietów (poniżej 5 mikrose-kund). W przypadku pozostałych trzech testowanych produktów opóźnienia wyraźnie zależą od długości przełączanych pakietów. Dzieje się tak, ponieważ Accelar 1200

przed wyekspediowaniem pakietu do miejsca przeznacze nia zapisuje go w swojej pamięci tylko jeden raz (archi tektura współużytkowanej pamięci). Wszystkie pozostali przełączniki zapisują pakiet kilka razy, zanim trafi dc właściwego portu przeznaczenia. Właśnie dlatego Accela: 1200 nadaje się szczególnie do obsługi aplikacji wrażli wych na opóźnienia, takich jak np. przesyłanie głosi przez sieci IP.

Jeśli chodzi o odporność na przeciążenia, to przełą czniki testowano w następujący sposób: wysyłano d( portu wyjściowego coraz większą liczbę pakietów i coraz szybciej, tak aby stwierdzić, w którym momencie por zaczyna gubić pakiety. W ten sposób sprawdzano, czy bufor obsługujący przeciążony port jest wystarczająco pojemny oraz czy mechanizm zarządzający wielkością buforów przypisywanych poszczególnym portom pracuje efektywnie i skutecznie.

W przypadku sieci Gigabit Ethernet maksymalne rozmiary akceptowanego strumienia danych zawierały się w granicach od 250 pakietów mających długość 1518 bajtów (BlackDiamond) do 12 000 takich pakietów (Power-Rail 5200). W przypadku sieci Fast Ethernet wartości te wynosiły odpowiednio: 60 pakietów dla przełącznika BlackDiamond i 1100 dla przełącznika Accelar 1200.

Przełącznik Accelar 1200 ma wyjątkowo pojemne bufory, a BlackDiamond zajmuje pod tym względem ostatnie miejsce. Wiąże się to z odmienną filozofią przyjętą przy opracowywaniu mechanizmów zapobiegających przeciążeniom. Jedni producenci próbują osiągnąć cel stosując wyrafinowane metody zarządzania strumieniami pakietów, podczas gdy inni całą nadzieję pokładają w pojemnych buforach.

W każdym razie testy wykazały, że poprawnie zaprojektowany przełącznik powinien bez problemu obsłużyć (w dodatku nie gubiąc żadnego pakietu) trzy do pięciu strumieni pakietów (jeden strumień to 40 pakietów, każdy o długości i518 bajtów) pojawiających się jednocześnie na porcie podłączonym np. do silnego serwera. Bardzo ważnym parametrem jest czas potrzebny na opróżnienie pełnego bufora. Jest on oczywiście dużo krótszy w przypadku technologii Gigabit Ethernet niż Fast Ethernet. Biorąc pod uwagę powyższe rozważania można powiedzieć, że porty Gigabit Ethernet powinny dysponować taką przepustowością, aby obsłużyć bez problemu potok od 200 do 500 długich pakietów. Pakiety nie są wtedy gubione i nie mamy do czynienia ze zbyt dużymi opóźnieniami (a opóźnienia takie pojawiają się wtedy, gdy bufor jest zbyt pojemny). Podsumowując można powiedzieć, że przełączniki firm Bay Networks i Packet Engines oferują tu najlepsze i rzeczywiście dopracowane rozwiązania.

Jeśli produkt oferuje bardzo duże bufory (tak jak ma to miejsce w przełączniku PowerRail), to opóźnienia można wyeliminować stosując technologię QoS lub uruchamiając pakiet zarządzający przełącznikiem i zmniejszając przestrzeń adresową (chodzi o wielkość bufora) przypisywaną każdemu z portów.

Blokada HOL pojawia się wtedy, gdy jeden przeciążony port wyjściowy zatyka się lub blokuje pakiety adresowane do tych portów, które nie są przeciążone. Testy wykazały, że wszystkie cztery przełączniki sprawują się dobrze i nie dochodzi w nich do powstawania blokad HOL.

Zarządzanie

Każda karta instalowana w przełączniku BlackDiamond dysponuje swoim własnym serwerem WWW, którego można użyć do zdalnego konfigurowania i kontrolowania przełącznika. Podobać się może interfejs zarządzania we-bowego - jest to bez wątpienia jedno z najlepszych w swojej kategorii rozwiązań. Różne przyciski, aplety Java i dynamiczne opcje HTML są użyte w łatwych w obsłudze narzędziach konfigurujących ten węzeł sieci.

Przełącznikiem Accelar (Bay Networks) też można zarządzać przy użyciu technologii Web i to w trybie out of band (z pominięciem sieci). Oprogramowanie zarządzające można uruchamiać na komputerach platformy Solaris i HP-UX oraz na pecetach pracujących pod systemem Windows 95 lub Windows NT. Graficzny interfejs użytkownika świadczy wiele pożytecznych usług i administrator może zarządzać wieloma przełącznikami zainstalowanymi w sieci, wykorzystując do tego celu technologię „przeciągnij i upuść".

Oprogramowanie zarządzające przełącznikami opracowane przez firmę Cabletron jest napisane w języku Java i udostępnia łatwe w obsłudze szablony i moduły (programy asystenckie) wspomagające poczynania administratora, dzięki czemu zarządzanie przełącznikiem SSR-16 nie powinno sprawiać kłopotu.

Jeśli chodzi o przełącznik PowerRail, to Packet Engines oferuje narzędzie Java pracujące tak jak zwykła przeglądarka. Dlatego i w tym przypadku konfigurowanie przełącznika przebiega wyjątkowo sprawnie.

Przełączniki kolejnych generacji będą musiały być bardziej odporne na przeciążenia, zawiadując wieloma logicznymi kolejkami pakietów, dzięki czemu będą mogły obsługiwać nawet najbardziej wymagające aplikacje, także te multimedialne, pracujące w czasie rzeczywistym. Jedno jest pewne - jeśli nowe technologie będą wkraczać do przełączników tak szybko jak do tej pory, to za rok lub dwa na rynku pojawią się operujące w 2 i 3 warstwach OSI węzły sieci, dzięki którym przez łącze sprzęgające dwa

przełączniki pakiety będą transmitowane z szybkością 10 Gb/s. Produkty takie nie będą miały żadnych kłopotów z przełączaniem pakietów audio, wideo i zwykłych danych.