¿Por qué necesitarías enrutadores de trama gigante?

Enrutadores Jumbo Frame

Sin embargo, los marcos gigantes pueden ser un desafío, ya que existen múltiples tamaños, interpretaciones y tecnologías, lo que dificulta la comprensión y el aprovechamiento de su valor, así como la integración completa de dispositivos de marcos gigantes en su red.

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Trataré de explicar qué son las tramas gigantes y ayudarlo a determinar si puede usar tramas gigantes en su red y de qué manera.

Gigabit Ethernet

• Un hecho importante es que las tramas gigantes no son compatibles a velocidades inferiores a 1000 Mbps . Hay algunas excepciones, con tamaños de trama más grandes posibles en conexiones FDDI, POS y Fibre Channel, pero para fines típicos de red pequeña, necesitará equipos con interfaces Gigabit Ethernet que admitan tramas gigantes para ver las ganancias de red de tamaños de trama más grandes . Hemos cubierto los detalles sobre Gigabit Ethernet bastante a fondo en nuestra Gigabit Ethernet Need to Know hace unos años; Es una excelente discusión sobre los hechos y detalles sobre las velocidades de red gigabit.
• Las interfaces Gigabit Ethernet ahora son comunes en PC, dispositivos NAS, conmutadores y enrutadores. Sin embargo, no todas las interfaces Gigabit Ethernet admiten tramas gigantes, y dado que no hay un estándar para las tramas gigantes, existen diferentes tamaños.

Por ejemplo , tengo una computadora portátil y PC de escritorio con NIC Gigabit Ethernet (tarjeta de interfaz de red). La NIC Gigabit Ethernet de escritorio permite la configuración de trama gigante, mientras que la NIC de mi laptop admite Gigabit Ethernet, pero no es compatible con la configuración de trama gigante. La Figura 1 es una captura de pantalla de las opciones de configuración que tengo para los marcos jumbo en mi PC de escritorio, que muestra los diferentes tamaños de marcos jumbo que admite.

Como puede ver, mi NIC de PC de escritorio admite tamaños de trama gigante de 16128, 4088 y 9014 bytes. Basado en el tamaño admitido de 9014 bytes, parece que mi PC de escritorio es una de esas interpretaciones que no considera el encabezado CRC de 4 bytes como parte del tamaño de cuadro contable, un detalle que cubriré en “¿Qué es un Marco Jumbo? ? ” sección.

¿Por qué Jumbo Frames?

• Cada unidad de datos en una red debe ser ensamblada por el emisor, y sus encabezados deben ser leídos por los componentes de la red entre el emisor y el receptor. El receptor lee el marco y los encabezados TCP / IP antes de procesar los datos. Esta actividad, más los encabezados agregados a los marcos y paquetes para llevarlos del remitente al receptor, consume ciclos de CPU y ancho de banda.
• Enviar datos en tramas gigantes significa que se envían menos tramas a través de la red. Esto genera mejoras en los ciclos de CPU y el ancho de banda. Un solo cuadro jumbo de 9k reemplaza seis cuadros estándar de 1.5k, produciendo una reducción neta de cinco cuadros, con menos ciclos de CPU consumidos de extremo a extremo. Además, solo se requiere un encabezado TCP / IP y un encabezado Ethernet en lugar de seis, lo que da como resultado 290 (5 * (40 + 18)) menos bytes transmitidos a través de la red.
• Se necesitan más de 80,000 tramas Ethernet estándar por segundo para llenar una tubería Gigabit Ethernet, lo que consume muchos ciclos de CPU y sobrecarga. Al enviar los mismos datos con 9k tramas gigantes, solo se deben generar 14,000 tramas, con la reducción en los bytes del encabezado liberando 4 Mbps de ancho de banda.
• Estos ahorros en los ciclos de CPU y el ancho de banda pueden producir algunos aumentos significativos en el rendimiento de la red. En un estudio de 1999 sobre tramas gigantes a través de Gigabit Ethernet, “Microsoft, Sun, Compaq, Hewlett-Packard e IBM registraron al menos un 50% de aumento en el rendimiento de TCP con una utilización reducida de la CPU en sistemas de un solo procesador y multiprocesadores que usan tramas gigantes. ”

La Figura 2 es de un estudio de Alteon Networks que se cita a menudo (Nortel ha adquirido Alteon desde entonces) que muestra las mejoras en una red de gigabits que utilizan tramas gigantes con ganancias de rendimiento y ahorros de CPU de casi el 50%.

• En muchas de nuestras pruebas y revisiones, hemos demostrado el valor de los marcos jumbo. Como mostraré en la Tabla 1, el rendimiento de escritura y lectura en dispositivos NAS puede beneficiarse enormemente mediante el uso de tramas gigantes. Además, como se mostró en nuestra reciente revisión de conmutadores Gigabit Ethernet no administrados, puede haber mejoras significativas en el rendimiento de TCP mediante el uso de tramas gigantes.

¿Qué es un marco jumbo?

Ya dije que una trama gigante es una trama más grande que una trama estándar de Ethernet, pero seamos más específicos. Como sabe, frame es el término para las unidades de datos en la Capa 2 del modelo OSI , mientras que paquete es el término para las unidades de datos en la Capa 3. La Figura 3 es una referencia útil sobre las diversas capas del modelo OSI.

• Una trama Ethernet estándar se compone de la carga útil producida en la Capa 4 y superior, un encabezado IP producido en la Capa 3 y un encabezado de datos producido en la Capa 2. La carga útil en la Capa 4 es el MSS, o tamaño máximo de segmento, y es típicamente 1460 bytes Agregue el encabezado TCP / IP de 40 bytes y tenemos la MTU de capa 3, o unidad de transmisión máxima de 1500 bytes.
• En la capa 2, se agrega un encabezado de trama a la MTU, que se compone de las direcciones MAC de origen y destino (6 + 6 = 12 bytes), el tipo de Ethernet (2 bytes) y la información CRC (4 bytes), con un total de 18 bytes Muchos se refieren a una trama de Ethernet como 1518 bytes, que es simplemente el MTU de 1500 bytes más el encabezado de 18 bytes. La información CRC de 4 bytes a veces no se cuenta, lo que lleva al tamaño de 1514 bytes. Si el etiquetado VLAN 802.1q está en uso, se agregan 4 bytes adicionales, lo que lleva el total a 1522 bytes.
• Entonces, una trama gigante es básicamente algo más grande que 1522 bytes, con un tamaño común de 9000 bytes, que es exactamente seis veces el tamaño de una trama Ethernet estándar. Con encabezados Ethernet, una trama gigante de 9k bytes sería 9014-9022 bytes. Esto lo hace lo suficientemente grande como para encapsular un bloque de datos estándar NFS (sistema de archivos de red) de 8192 bytes, pero no lo suficientemente grande como para exceder el límite de 12,000 bytes del algoritmo CRC (comprobación de redundancia cíclica) de comprobación de errores de Ethernet.

Se utilizan otros tamaños de cuadros gigantes, pero los tamaños más grandes no siempre conducen a un mejor rendimiento, como explicaré más adelante. A menudo utilizamos marcos jumbo 4k en SmallNetBuilder para probar dispositivos NAS que admiten marcos jumbo.

TCP, UDP y tamaño de trama

Un punto clave con respecto a los marcos jumbo es:

Punto clave n. ° 1: para que una trama grande se transmita intacta de extremo a extremo, cada componente de la ruta debe admitir ese tamaño de trama.

Esto significa que los conmutadores, enrutadores y NIC de un extremo al otro deben admitir el mismo tamaño de transmisión de trama gigante para una sesión de comunicación de trama gigante exitosa.

La comunicación de trama gigante puede ocurrir utilizando TCP o UDP como el protocolo de Capa 4, pero de diferentes maneras. TCP tiene un proceso de configuración para cada flujo entre el emisor y el receptor donde los dispositivos intercambian su valor máximo de MSS. El valor más bajo de los valores máximos de MSS del emisor y el receptor determina el MSS utilizado para ese flujo y la MTU y el tamaño de trama subsiguientes. Entonces, si la PC A y la PC B están usando NIC Fast Ethernet estándar, acordarán un MSS de 1460 bytes, generando una MTU de 1500 bytes, lo que da como resultado un tamaño de trama de 1518 bytes.

En el caso de que ambos extremos estén de acuerdo con la transmisión de trama gigante, aún debe existir un soporte de extremo a extremo para tramas gigantes, lo que significa que todos los conmutadores y enrutadores deben estar habilitados para trama gigante. En la capa 2, no todos los conmutadores gigabit admiten tramas gigantes. Los que lo hagan reenviarán los marcos gigantes. Los que no lo hagan dejarán caer los marcos. Este es otro punto clave:

Punto clave n. ° 2: los interruptores que no son compatibles con cuadros gigantes dejarán cuadros gigantes.

La fragmentación, que puede ocurrir en los enrutadores, como explicaré a continuación, es una función de Capa 3. Esto nos lleva a otro punto clave:

Punto clave n. ° 3: para que un paquete jumbo pase a través de un enrutador, las interfaces de entrada y salida deben admitir el tamaño de paquete más grande. De lo contrario, los paquetes serán descartados o fragmentados.

En los paquetes TCP / IP, hay un bit DF o “No fragmentar”. Esta es una función TCP, comúnmente configurada en la mayoría de los hosts. Los enrutadores verán el paquete, y si el bit DF está configurado en un paquete demasiado grande para sus interfaces, el enrutador lo descartará y enviará un mensaje ICMP al remitente que dice “fragmentación necesaria y DF configurado”. El remitente luego reducirá el tamaño de su marco hasta que los marcos pasen con éxito.

La comunicación de red que permite los ajustes de MSS por parte del remitente depende de que los mensajes ICMP se transmitan de regreso al remitente. El problema es que muchos ataques de red, como los ataques de DOS, utilizan ICMP y, por seguridad, muchos firewalls bloquean ICMP. Esto hace que el mensaje ICMP “fragmentación necesaria y DF configurado” no llegue al remitente. El remitente no obtiene información para enviar sus paquetes en un tamaño más pequeño, ni recibe una confirmación TCP de que sus paquetes fueron exitosos. Posteriormente, el remitente reenvía continuamente el marco con el mismo tamaño grande, pero nunca llega al destino, lo que resulta en una condición conocida como “agujero negro”.

Cuando no se establece el bit DF, el enrutador fragmentará los paquetes al tamaño más grande admitido por sus interfaces de entrada y salida. Si alguno de los paquetes fragmentados se descarta, TCP habilitará una retransmisión. Sin embargo, el remitente reenviará la trama gigante, no el paquete fragmentado más pequeño. Esto puede provocar que se envíen más datos a través de la red, consumiendo más ancho de banda y anulando el valor de las tramas gigantes.

El proceso de utilizar el bit DF y la mensajería ICMP se conoce como PMTUD o Packet MTU Discovery. Este proceso se aplica a los flujos TCP, que proporcionan retransmisión. Si las tramas gigantes están utilizando UDP, no hay retransmisión. Si el remitente envía tramas gigantes utilizando UDP a través de una red que admite tramas gigantes, y el receptor no acepta tramas gigantes, los paquetes se descartarán. Si el remitente envía tramas gigantes utilizando UDP a través de una red que no admite tramas gigantes, los paquetes se descartarán en la capa 2 o se fragmentarán en la capa 3.

Para resumir, hay muchos factores que trabajan contra las transmisiones de trama gigante. Todos los dispositivos de extremo a extremo deben admitir marcos jumbo del mismo tamaño de marco. El tamaño de trama máximo en una transmisión está determinado por el tamaño de trama máximo más pequeño admitido de extremo a extremo. Las restricciones de seguridad en una red pueden causar casos de agujero negro. Los paquetes descartados degradarán las conexiones. Finalmente, la fragmentación y los paquetes descartados pueden resultar en retransmisiones excesivas de datos, lo que anula las ganancias de rendimiento.

Hardware y tráfico de red

Uno de los primeros controladores para usar marcos jumbo fue la velocidad limitada de la CPU. Como señalé anteriormente, se necesitan más de 80,000 tramas Ethernet estándar por segundo para llenar una tubería Gigabit Ethernet, que son muchos ciclos de CPU. Las PC con CPU más lentas y velocidades de bus no podían generar y bombear suficientes tramas de Ethernet para utilizar completamente el ancho de banda de Gigabit Ethernet. Por lo tanto, se obtuvieron ganancias de rendimiento de la red del 50% (!) Con tramas gigantes en PC con CPU y velocidades de bus más lentas que las PC que se usan actualmente.

Las CPU y las velocidades de bus actuales son más rápidas y pueden manejar más instrucciones y cuadros por segundo que los utilizados para generar el gráfico en la Figura 2. Así que, irónicamente, las mayores velocidades de CPU y bus actuales han hecho que la utilización de cuadros más pequeños a través de Gigabit Ethernet sea un problema menor para PC Los dispositivos NAS, por otro lado, tienen CPU y velocidades de bus más lentas, lo que hace que las transferencias de datos NAS sean el principal beneficiario del uso de tramas gigantes.

Esto nos lleva a la consideración más importante para determinar si las tramas gigantes pueden ayudar a mejorar el rendimiento de su LAN: su red y el tipo de tráfico que transporta. Si la mayor parte de la actividad de su red es el tráfico de Internet y correo electrónico, las tramas gigantes tienen poco valor, ya que no tiene una conexión Gigabit Ethernet a Internet. Y si tiene una gran cantidad de tráfico sensible a la latencia, como la voz, las tramas gigantes pueden ser contraproducentes, ya que pueden agregar demora en el llenado de los paquetes.

El valor clave de los marcos jumbo viene con grandes transferencias de archivos. Como se demuestra en nuestros gráficos NAS, muchos dispositivos tienen ganancias de rendimiento significativas cuando utilizan marcos jumbo. Observé tres dispositivos NAS diferentes que hemos revisado que tienen interfaces gigabit y admiten tramas gigantes, incluida Synology Cube Station (CS-407), el sistema de almacenamiento de red Gigabit de Linksys (NSS4000) y la tecnología LinkStation Pro de Buffalo (LS- 250GL). Como puede ver en la Tabla 1, el rendimiento de escritura y lectura mejora al utilizar marcos gigantes.

Herramientas de evaluación

Una herramienta que puede usar para evaluar su red es una prueba de ping modificada. El uso de un ping con las opciones -f -l y la configuración del tamaño del paquete se pueden usar para probar los dispositivos finales y la red para determinar el tamaño de trama más grande admitido. En la Figura 4, puede ver tres pruebas de ping.

Nota: Al configurar el tamaño del paquete en una prueba de ping, establece el tamaño del paquete en 12 bytes más que el MSS deseado.

Figura 4: Pruebas de ping que muestran diferentes resultados de MSS

En los primeros dos pings, enviados a través de mi conexión WAN a Home – SmallNetBuilder, puede ver en la Figura 4 que recibí la advertencia de fragmentación con un tamaño de paquete de 1472 bytes, pero tuve éxito en 1464 bytes. Esto resalta una limitación de trama más común; varios circuitos tienen diferentes tamaños de MTU. Mi conexión de ISP utiliza PPPoE, que tiene una MTU máxima de 1492 bytes debido a la necesidad de 8 bytes adicionales de espacio en el encabezado. En el tercer ping, enviado a través de mi LAN, pude hacer ping a la interfaz de mi puerta de enlace usando un tamaño de paquete de 1472 bytes. Esta misma metodología se puede utilizar para ejecutar pruebas con paquetes de mayor tamaño a través de LAN Gigabit Ethernet.

Una vez que haya identificado el tamaño de paquete más alto que funciona con un ping, realice algunas pruebas entre dispositivos. La Figura 1 muestra una PC con una NIC Intel que admite tamaños de trama de 4088, 9014 y 16128 bytes. Sus opciones de NAS pueden incluir tamaños de fotogramas de 4k y 9k. En este escenario, intente enviar un solo archivo hacia y desde la PC y el NAS varias veces utilizando la configuración de 4088 bytes en la PC y la configuración de 4k en el NAS. Repita la prueba usando las configuraciones 9014 y 9k para determinar el rendimiento promedio. El rendimiento se puede calcular tomando el tamaño del archivo y dividiéndolo por los segundos para transferir el archivo. Puede hacer el cálculo en MBytes / seg o Mbps (M bits por segundo); solo se consistente.

Como puede encontrar, el tamaño más grande admitido por ambos dispositivos puede no necesariamente resultar en el rendimiento más rápido. Las limitaciones en el hardware y el software de la PC, así como en el hardware de la red, pueden dar como resultado tasas de caída más altas en tamaños de trama más altos, causando retransmisiones excesivas y reduciendo el rendimiento. La mayoría de nuestras pruebas en SmallNetBuilder se realizan con marcos jumbo 4k porque eso es lo que funciona mejor con nuestras computadoras y sus NIC PCI de 32 bits.

Redes mixtas

Algunas personas recomiendan usar solo componentes de red de un solo fabricante al implementar tramas gigantes. Si bien esto puede parecer un camino fácil, es cuestionable que tenga algún valor. Siempre y cuando todos los componentes admitan el mismo tamaño máximo de marco jumbo deseado, deberían funcionar bien.

Una consideración más importante es cómo configurar redes que tengan una combinación de gigabit, gigabit + jumbo frame y dispositivos 10/100 Ethernet. Esto es común en redes más pequeñas donde las actualizaciones gigabit de “montacargas” de todos los dispositivos son poco probables. También tiene algunos dispositivos como teléfonos y reproductores multimedia en red que no están disponibles en versiones de gigabit.

Dos enfoques para las redes mixtas son agrupar dispositivos física o lógicamente. Si hay dispositivos específicos y flujos de tráfico que merecen la transmisión de trama gigante, aislarlos a su propia red es un medio de aprovechar el rendimiento de la trama gigante. Esto se puede hacer en una base de dispositivo físico, o lógicamente separando los dispositivos de trama gigante en su propia VLAN.

En el modelo físico representado en la Figura 5, los dispositivos de trama gigante a la izquierda están en un conmutador de Capa 2 que admite gigabit Ethernet y tramas gigantes, mientras que los dispositivos de trama no jumbo a la derecha están en un conmutador de Capa 2 diferente. Los dos interruptores están conectados a un enrutador. Incluso si el enlace al enrutador desde la LAN de trama jumbo es solo Fast (100 Mbps) Ethernet, el tráfico entre dispositivos en la LAN de trama jumbo puede utilizar tramas jumbo de forma segura.

Redes mixtas – más

El enfoque lógico representado en la Figura 6, utiliza un conmutador de capa 2 (o 3 si lo tiene) que admite Gigabit Ethernet, tramas gigantes, VLAN y etiquetado 802.1q o VLAN basadas en puertos. Un ejemplo es el Linksys SRW2008, revisado aquí. Además, necesitará un enrutador que admita etiquetado 802.1q o VLAN basadas en puerto. Un ejemplo es el D-Link DFL-CPG310, revisado aquí.

En los dos escenarios anteriores, hemos aislado los dispositivos de trama gigante a una VLAN que admite Ethernet gigabit y transmisión de trama gigante, permitiendo la transmisión de trama gigante entre dispositivos. Una vez más, incluso si el enlace al enrutador es Fast Ethernet, los dispositivos en la LAN de trama gigante aún pueden acceder a Internet. El tráfico de los dispositivos de trama gigante a Internet (recuerde que HTTP usa TCP) simplemente se reducirá a un tamaño de trama más bajo utilizando Packet MTU Discovery, o el enrutador los fragmentará automáticamente. Como se señaló en la discusión anterior de la prueba de ping, si tiene una conexión a Internet PPPoE, su enrutador ya está fragmentando paquetes.

Si experimenta un menor rendimiento de Internet con marcos jumbo habilitados, intente ejecutar algunas pruebas de ping para determinar si el problema es la fragmentación o el bloqueo de ICMP. Si un paquete grande que hace ping con el indicador -f de su PC jumbo frame a un sitio web no regresa con éxito, eso podría indicar que hay un problema con el bloqueo de ICMP. Puede ser necesario un tamaño de marco inferior en este caso.

Por lo tanto, las redes mixtas con dispositivos de marco jumbo y dispositivos de marco no jumbo pueden funcionar bien. Por ejemplo, tengo un conmutador Gigabit Ethernet con marcos jumbo habilitados. Una PC en este conmutador con marcos jumbo habilitados puede imprimir en mi impresora de red, que tiene una interfaz Ethernet de 100 Mbps conectada a este mismo conmutador. Las impresoras de red HP utilizan el puerto TCP 9100, por lo que las solicitudes de impresión de la PC jumbo utilizan el descubrimiento TCP MSS para enviar marcos Ethernet estándar a la impresora. Por otro lado, UDP fluye desde la PC de marco gigante a esta impresora, si hubiera alguna, probablemente fallaría porque UDP no puede realizar el descubrimiento de MSS.

Conclusión

Para concluir, estos son los puntos clave para usar marcos jumbo en redes pequeñas:

1. Las tramas gigantes requieren gigabit Ethernet.
2. El tamaño de trama más alto para una conexión es el tamaño de trama máximo más bajo de extremo a extremo.
3. Gigabit Ethernet Layer 2 conmuta hacia adelante o suelta tramas gigantes; No se fragmentan.
4. La fragmentación es una función de capa 3 (enrutamiento).
5. TCP puede ajustar el tamaño de trama entre diferentes dispositivos. UDP no puede.
6. El uso de marcos jumbo para aplicaciones de baja latencia (juegos, VoIP) puede ser contraproducente
7. Más grande no es necesariamente mejor. Los tamaños de trama gigantes deben coincidir con la potencia informática del dispositivo.