Quality-of-Service auf dem Prüfstand:
HP-Procurve-Switch 8212zl: Grundsätzlich geeignet für Unified-Communications

von Werner Veith (werner.veith@networkcomputing.de), Dipl.-Ing. Thomas Rottenau, Prof. Dr. Bernhard G. Stütz

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06.10.2008

Aktuelle LAN-Switches bilden die Basis für zeitkritische Übertragungen im Netzwerk wie bei Voice-over-IP. Hierbei sind insbesondere die Quality-of-Service-Mechanismen wichtig. Network Computing hat den Switch »ProCurve 8212zl« von HP unter diesen Gesichtspunkten in den Real-World Labs getestet.

Unified-Communications hat ihre Vorteile: Sie führt verschiedene Kommunikationskanäle zusammen. Weiter hilft sie, Entscheidungen schneller zu fällen, weil Ansprechpartner einfacher zu erreichen sind. Dies führt jedoch dazu, dass über das gleiche Netzwerk Sprach-, Video- und Datenpakete wandern. Die Qualität etwa von Sprache hängt aber von einer möglichst geringen Verzögerung ab. Auch Paketverluste machen hier mehr Probleme. Deswegen kommt den QoS-Mechanismen (Quality-of-Service) in den aktiven Netzwerkkomponenten besondere Bedeutung zu. Network Computing hat sich nun den Switch »ProCurve 8212zl« von HP im Labor angeschaut. Dabei ging es insbesondere darum, wie das Gerät zeitkritischen Daten die Vorfahrt einräumt, wenn es im Netzwerk eng wird. Der Test findet sich auch in der Ausgabe 7/08 der Network Computing, S. 24ff.

Der LAN-Switch »ProCurve 8212zl« von HP

Die Ausstattung des Testkandidats

Der HP-Procurve-Switch »8212zl« ist ein modularer Switch im Format von neun Höheneinheiten. Das Chassis kann mit zwölf Procurve-»zl«-Modulen bestückt werden und ermöglicht so den Einbau von maximal 288 Gigabit-Ethernet- oder 48 10-Gigabit-Ethernet-Ports. Natürlich lässt sich der Switch auch gemischt mit verschiedenen Modulen bestücken. Die Gesamtbandbreite der Backplane beträgt nach Herstellerangaben maximal 692 GBit/s. Das Testgerät selbst war mit zwei Gigabit-Ethernet-Einheiten mit je 24 Ports und mit zwei 10-Gigabit-Ethernet-Modulen á vier Ports ausgestattet.

In dieser Konfiguration stellte der HP-Switch also insgesamt 48 Gigabit-Ethernet- und acht 10-Gigabit-Ethernet-Ports zur Verfügung. Das entspricht einer nominalen Gesamtbandbreite von 128 GBit/s. Damit lag das System deutlich unter der Gesamtbandbreite der Backplane.

Den Switch gezielt überlasten

Insgesamt hat das Testteam fünf Messreihen durchgeführt. Bei allen Messungen wurde der Switch in einer Art Zangenmessung belastet. Als Lastgenerator und Analysator kam das »TestCenter SPT-9000A« von Spirent Communications zum Einsatz.

Das Spirent-System war mit 36 Gigabit-Ethernet- und sechs 10-Gigabit-Ethernet-Ports sowie der Software »TestCenter Application 2.20« ausgestattet. Das Test-Center erzeugte die Datenströme und schickte sie dann an die Eingangsports des HP-Switches. Umgekehrt ging dann der Output des 8212zl wieder an das Testcenter. Dort wurde dann das Ergebnis analysiert. Das Testteam untersuchte dabei die folgenden Betriebsmodi: Fully-Meshed, Unicast-QoS, Multicast und Trunk. Zusätzlich ging es um den Stromverbrauch in Abhängigkeit von der Datenlast.

Alle Messungen erfolgten jeweils mit den Frame-Formaten 66, 128, 256, 512, 1024, 1280 und 1518 Byte. Die Last an den Eingangsports begann jeweils bei 25 Prozent und erhöhte sich dann in entsprechenden Schritten auf 100 Prozent. Das hatte an den Ausgangsports eine Last zwischen 100 und 400 Prozent zur Folge. Dabei waren die Lastanteile für die vier Prioritätsklassen immer gleich groß. Dadurch blieb das Verhältnis zwischen den einzelnen Klassen immer gleich.

Die Messungen mit Überlast geschahen alle im Strict-Priority-Modus. Daher sollte der Switch idealerweise folgendes Verhalten zeigen: Bei 100 Prozent Last an den Eingangssports leitet er alle Datenströme ungehindert weiter. Bei zunehmender Last verliert das System dann jeweils möglichst viele Daten mit niedrigerer Priorität und lässt möglichst viele Daten mit höherer Priorität unbeschadet passieren. Bei vierfacher Überlast verwirft der Switch folglich alle Daten, außer denen mit der höchsten Prioritätsstufe.

Weiterleitung mit nahezu Leitungsgeschwindigkeit

Im Testaufbau »Fully-Meshed« schickt der Lastgenerator auf allen seiner 36-Ausgangsports die Pakete zu dem HP-Procurve-Gerät. Dort gingen die Daten an jedem Port an die 35 anderen Interfaces. Dies bedeutet, dass 36 Gigabit-Ethernet-Ports gleichzeitig von allen anderen beteiligten Ports Daten empfingen und zu diesen sendeten. Eine Überlast entsteht bei dieser Szenerie nicht. Daher sind keine Datenverluste zu erwarten, falls der HP-Switch tatsächlich mit Leitungsgeschwindigkeit arbeitet.

Nahezu fehlerfrei, also weitgehend ohne außerplanmäßige Datenverluste, hat sich HPs Procurve-Switch 8212zl in dieser Szenerie behauptet. Frame-Loss trat bei der Messung nur bei den kleinsten Datenpaketen auf. Hier gingen unter Volllast allerdings gut 19 Prozent der Daten verloren.

Probleme mit kleineren Frames

Im Betriebsmodus »Unicast-Gigabit-Ethernet intern« schickt der Lastgenerator nacheinander auf 4, 16 und 28 Gigabit-Ethernet-Eingangsports des HP-Switches Pakete. Dieser schickte die Daten dann nacheinander an 1, 4 und 7 Gigabit-Ethernet-Ausgangsports und anschließend zum Analysator zurück. So ließ sich eine maximal vierfache Überlast erzeugen.

Im diesem Betriebsmodus wurden auch die 10-Gigabit-Ethernet-Ports belastet. Hierzu gingen die Pakete an vier 10-Gigabit-Ethernet-Ports und von dort an einen 10-Gigabit-Ethernet-Ausgangsport. Anschließend schickte der Lastgenerator Pakete an sechs 10-Gigabit-Ethernet-Port. Diese leiteten die Daten an 15 Gigabit-Ethernet-Ausgangsports weiter. Zuletzt transportierte der Procurve-Switch Daten von 36 Gigabit-Ethernet-Ports zu einem 10-Gigabit-Ethernet-Port.

Bei diesen Messungen erzeugte das Spirent-System jeweils eine maximale Überlast von 400 Prozent, im letzten Fall von 360 Prozent. Der Procurve-Switch hatte keinerlei Probleme bei den Messungen im Betriebsmodus »Unicast-Gigabit-Ethernet intern«, so lange er die Pakete auf vier beziehungsweise 16 Eingangsports empfing.

Dabei verhielt er sich entsprechend den Strict-Priority-Regeln und verwarf bei entsprechenden Überlasten immer erst vollständig die niedrig priorisierten Daten zu Gunsten der höher priorisierten. Das hatte unter maximaler Last den Totalverlust aller Daten bis auf die am höchsten priorisierten Daten zur Folge. Diese blieben unabhängig von den verwendeten Frame-Formaten frei von ungebührlichen Datenverlusten.

Sendeten 28 Gigabit-Ethernet-Eingangsports mit einer maximal vierfachen Überlast auf sieben Gigabit-Ethernet-Ausgangsports, kam es unter Volllast zu Problemen. Hier verlor der Procurve-Switch plötzlich die Daten der höchsten und der zweithöchsten Priorität. So kam es zu ungebührlichen Datenverlusten in der höchsten Priorität. Diese betrugen zwischen 70 Prozent bei der Messung mit den kleinsten Frames und gut 82 Prozent bei den größeren Formaten.

Nicht zu erwartende Paketverluste gab es auch bei der Konstellation von vier 10-Gigabit-Ethernet-Ports auf einen 10-Gigabit-Ethernet-Port. So betrug der Frame-Loss unter Volllast bei der Messung mit den kleinsten Datenpaketen in der höchsten und in der zweithöchsten Priorität jeweils über 56 Prozent. Bei 128-Byte-Pakete gingen unter Volllast noch gut 28 Prozent der am höchsten und gut 71 Prozent der am zweithöchsten priorisierten Daten verloren. Ab 256 Byte war dann die Priorisierungswelt wieder in Ordnung.

Bei der folgenden Messung transportierte der Switch intern die Pakete von sechs 10-Gigabit-Ethernet-Ports zu 15 Gigabit-Ethernet-Ports. Wie zuvor entstand so bei Volllast eine vierfache Überlast. Auch hier arbeitete der HP-Switch bei Frame-Formaten von 256 Byte und größer problemlos. Zu unerwünschten Datenverlusten kam es dagegen bei kleineren Frames. Waren die Datenpakete 66 Byte groß, verlor der Switch hier rund 42 Prozent der Daten in der höchsten Priorität. Bei den 128-Byte-Paketen betrug der Datenverlust in der höchsten Priorität unter Maximallast noch rund 19 Prozent.

In der letzten Unicast-QoS-Messung sendeten dann 36 Gigabit-Ethernet-Eingangsports auf einen 10-Gigabit-Ethernet-Ausgangsport. Hier lagen die Datenverluste unter Maximallast in der höchsten Priorität bei den kleinsten Frames bei gut 19 Prozent. Im Betrieb mit größeren Frame-Formaten verhielt sich der Procurve-Switch dann wieder tadellos.

Probleme beim Trunking mit 10-Gigabit-Ethernet

Im Betriebsmodus »Unicast-Trunk« arbeiteten zwei baugleiche HP-Procurve-Switches in Reihe. Hier sendete der Lastgenerator Pakete zu vier Gigabit-Ethernet- beziehungsweise vier 10-Gigabit-Ethernet-Eingangsports des Test-Switches. Dessen vier Ausgangsport bildeten einen Trunk zum zweiten Switch. Von diesem fließen die Daten dann zurück zum Analysator. Dabei wurde jeweils die zweifache Überlast erzeugt.

Die Trunking-Technologie bündelt mehrere Ports zu einer logischen Verbindung zwischen zwei Switches. Den Mechanismus dazu realisieren Switch-Hersteller heute so, dass alle Datenströme, die über den Trunk wandern sollen, jeweils in eine Queue pro Port laufen. Jeder Trunk-Port hat seine eigene Hardware-Queue. Ein proprietärer Hash-Algorithmus weist dazu die Pakete den Queues des Trunks zu. Die Auslastung des jeweiligen Ports wird dabei nicht berücksichtigt.

Die Hash-Algorithmen verwenden Teile der IP-Adressen und Teile der Portnummern der sendenden und/oder der empfangenden Systeme. Die Hersteller halten ihre Algorithmen geheim. Aus rechtlichen Gründen darf Network Computing diese hier nicht auch veröffentlichen.

Jede Leitung hat ihre eigene Queue. Diese werden unabhängig voneinander abgearbeitet. Das hat deutliche Performance-Einbußen zur Folge. Denn ein verstopfter Port bewirkt einen Rückstau in der vorgeschalteten Queue. Dabei verhielten sich die Switches in den Tests der Network Computing für den Administrator nicht eindeutig vorhersagbar: Er kennt diesen Algorithmus nicht. Außerdem werden die Absenderportnummern in der Regel dynamisch vergeben, was IT-Verwalter zumeist nicht kontrollieren kann.

Generell gilt allerdings bei diesem Verhalten, dass bei steigender Anzahl der IP-Adressen im Subnetz auch die Verteilung der Datenströme im Trunk gleichmäßiger wird. Es handelt sich hierbei um ein konzeptionelles Problem, das allen aktuellen Switches gemeinsam ist. Daher führte Network Computing einen Test durch, der das Problem exemplarisch darstellt.

Bei der ersten Trunk-Messung mit Gigabit-Ethernet-Ports arbeitete der HP-Switch gemäß Strict-Priority-Regeln korrekt: Es gingen keine Daten mit einer der beiden höheren Prioritätsklassen verloren. Beim gleichen Test mit 10-Gigabit-Ethernet-Ports wiederholten, hatte der Procurve-Switch mehr Probleme. Bei der Messung mit dem kleinsten Frame-Format ließ sich eine Priorisierung schlicht nicht nachweisen. Die messbaren Datenverluste streuten gleichmäßig über alle vier Prioritätsstufen und betrugen bei Maximallast jeweils rund 57 Prozent.

Bei der Messung mit 128-Byte-Frames betrug der Datenverlust unter Maximallast in den beiden hohen Prioritätsklassen immerhin noch rund 27 Prozent. Theoretisch hätte der Switch hier aber nicht unbedingt Daten verlieren müssen. Mit den größeren Frame-Formaten kam der Procurve-Switch dann wieder gut zurecht und priorisierte einwandfrei.

Multicast funktioniert bei Gigabit-Ethernet

Für die Multicast-Tests schickte der Lastgenerator Pakete zu vier Gigabit-Ethernet- beziehungsweise vier 10-Gigabit-Ethernet-Eingangsports des HP-Switches. Jeder dieser vier Ports leitete die Datenströme dann an 32 Gigabit-Ethernet-Ports beziehungsweise zwei 10-Gigabit-Ethernet-Ports weiter. Von dort wanderten sie wieder um Analysator zur Auswertung.

Bei dieser Szenerie lag die maximale Überlast bei jeweils 400 Prozent. Die Multicast-Messungen mit den Gigabit-Ethernet-Ports meisterte der HP-Switch gut. Lediglich bei der Messung mit den kleinsten Frames ergab sich unter Volllast eine geringe Verlustrate bei der höchsten Priorität von knapp drei Prozent. Bei den Messungen mit größeren Frames ergaben sich keinerlei unerwünschte Datenverluste.

Beim Einsatz der 10-Gigabit-Ethernet-Ports hatte der HP-Switch dagegen deutliche Probleme. Bei der Messung mit den kleinsten Frames ließ sich eine Priorisierung schlicht nicht nachweisen. Das Gerät erreichte die Leitungsgeschwindigkeit nicht. Mit größeren Frame-Formaten kam der Switch dann tendenziell besser zurecht. Bei der Messung mit den größten Frames gab es aber bei der höchsten Priorität immer noch eine Verlustrate von gut 20 Prozent.

Relativ konstanter Stromverbrauch

Um den Stromverbrauch des Switches unter Last zu ermitteln, verband das Testteam sechs 10-Gigabit-Ethernet-Ports und 36 Gigabit-Ethernet-Ports des Procurve-Switches mit dem Lastgenerator. Dieser erzeugte Datenströme mit verschiedenen Frame-Formate.

Im Leerlauf, also ohne Datenlast, kam der Switch auf einen Stromverbrauch von 263 Watt mit einem Netzteil. 280 Watt waren es im Betrieb mit zwei Netzteilen. Unter Datenlast schwankte dann der Stromverbrauch mit einem angeschlossenen Netzteil zwischen 277 und 285 Watt. Waren zwei Netzteile angeschlossen, verbrauchte der Procurve zwischen 291 und 295 Watt.

Tendenziell war dabei zu beobachten, dass der Stromverbrauch im Betrieb mit größeren Frames etwas geringer ist, als wenn das Gerät kleinere Frames verarbeitet. Allerdings sind diese Unterschiede prozentual sehr gering.

Design-bedingter Flaschenhals

Dass der HP-Switch nicht alle 10-Gigabit-Ethernet-Ports gleichzeitig mit Leitungsgeschwindigkeit versorgen kann, liegt nach Aussage des Herstellers am Design. IT-Verantwortliche können den Switch mit Modulen mit jeweils 24 Gigabit-Ethernet-Ports oder vier 10-Gigabit-Ethernet-Ports bestücken.

Die Anbindung der einzelnen Module an die Backplane hat aber nur eine Bandbreite von 28,8 GBit/s. Parallele Leitungsgeschwindigkeit auf allen Ports eines Moduls ist also nur möglich, wenn 24-Port-Gigabit-Ethernet-Module zum Einsatz kommen. HP empfiehlt: Soll der Switch mit 10-Gigabit-Ethernet-Wirespeed arbeiten, jeweils nur zwei Ports je 10-Gigabit-Ethernet-Modul zu verwenden.

Ein Problem in diesem Design sieht der Hersteller nicht: Die 10-Gigabit-Ethernet-Links würden in der Regel genutzt, um Bündel von Gigabit-Ethernet-Links zu ersetzen. Einer HP-internen Analyse zu Folge sollen über 90 Prozent der 10-Gigabit-Ethernet-Kunden weniger als 20 Prozent der möglichen Kapazität nutzen. Die Switches kämen überwiegend in Rechenzentren zum Einsatz. Dort würden sie genutzt, um Blade-Server mit 10-Gigabit-Ethernet-Adapter anzubinden.

Fazit

Moderne modulare Switches wie der HP-Procurve-Switch 8212zl sind grundsätzlich für den Einsatz in Unternehmensnetzen mit Unified-Communications-Anwendungen geeignet. Es ist aber auch heute noch keine Selbstverständlichkeit, dass solche Switches bedingungslos und ohne Einschränkungen Leitungsgeschwindigkeit und Quality-of-Service bieten.

Auch der Procurve-Switch 8212zl ist da keine Ausnahme. So besitzt er einen Design-bedingten Flaschenhals. Dieser schränkt die gleichzeitige Nutzung von vier 10-Gigabit-Ethernet-Ports auf einem Switch-Modul ein. Hier bekommt der IT-Verantwortliche nicht wirklich die Nominalleistung für sein Geld.

Soll der Switch zu viele kleine Datenpakete transportieren, dann kommt er auch an seine Leistungsgrenzen. Wer diese Einschränkungen kennt, kann die Komponente sicherlich in den verschiedensten Bereichen sinnvoll einsetzen. Voraussetzung ist allerdings, dass die IT-Verantwortlichen die Möglichkeiten und Grenzen der aktiven Komponenten genau kennen.
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