Modularer LAN-Switch für Unified Communications:
Test: High-End-Switch »Extreme Black Diamond 8810«

von Prof. Dr. B. Stütz, Th. Rottenau

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21.10.2008

Switches wie der Black Diamond 8810 von Extreme Networks sollen eine robuste Plattform für Unified-Communications-Anwendungen bilden. Vorsicht ist allerdings geboten, wenn das System mit großen Datenpaketen konfrontiert wird. Dann stößt es an Leistungsgrenzen.

Unterschiedliche Anwendungen liefern sich im Zeitalter von Unified-Communications häufig ein Wettrennen im Netzwerk.

Priorisierungsmechanismen sollen dafür sorgen, dass zeitkritische Daten zur rechten Zeit am rechten Ort eintreffen. Eine Testreihe aktueller LAN-Switches in den Real-World Labs an der FH Stralsund sollte klären, wie gut diese Systeme ihren Anforderungen gewachsen sind.

Dabei sollten insbesondere die Priorisierungsmechanismen untersucht werden, die zeitkritischen Daten die Vorfahrt im LAN einräumen sollen, wenn es im Netzwerk eng wird.

Der Testkandidat

Extreme Networks [1] »BlackDiamond 8810« ist ein modularer LAN-Switch. Das System kann wahlweise mit 48-Port-Gigabit-Ethernet-Modulen oder mit 4-Port-10-Gigabit-Ethernet-Modulen bestückt werden. Das Chassis kann maximal neun solcher Module aufnehmen.


Der Black Diamond 8810 von Extreme Networks kann mit bis zu 432 Gigabit-Ethernet-Ports oder 36 10-Gigabit-Ethernet-Schnittstellen ausgestattet werden.

Somit ergibt sich eine maximale Portzahl von 432 Gigabit-Ethernet-Ports oder von 36 10-Gigabit-Ethernet-Ports. Selbstverständlich ist auch eine gemischte Bestückung möglich. Für Gigabit-Ethernet besteht die Auswahl zwischen Kupfer-Ports, die wahlweise auch Stromversorgung über PoE bieten, und LWL-Mini-GBIC-Ports. Als gesamte Switch-Kapazität gibt der Hersteller 4,016 TBit/s an.

Auf Grund der modularen Bauweise soll der Switch sowohl als Edge- als auch als Core-Switch seinen Dienst versehen und auch beispielsweise für den Einsatz in High-Performance-Cluster-Computing-Umgebungen taugen. Dabei ist der Blackdiamond-8810 nach Herstellerangaben für Voice-over-IP, Video, Wireless und Daten geeignet. Dafür solle nicht zuletzt der implementierte Quality-of-Service sorgen.

Konfiguration des getesteten Switches

Der von uns getestete Blackdiamond-8810 war mit zwei 48-Port-Gigabit-Ethernet-Modulen (G48Ta und G48Tc) sowie mit einem 4-Port-10-Gigabit-Ethernet-Modul (10G8Xc) bestückt. Eins der 48-Port-Gigabit-Ethernet-Module unterstützte zusätzlich Power over Ethernet (PoE). Hinzu kam dann noch ein Management-Modul.

Die Testergebnisse haben wir unter Verwendung der C-Module (G48Tc und 10G8Xc) ermittelt. Auf dem Switch lief die Firmware-Version 12.1.2.5. Für die Trunk-Messungen standen zwei baugleiche Systeme zur Verfügung.

Die Testreihen

Insgesamt haben wir im Rahmen unseres Tests fünf Messreihen durchgeführt. Bei allen Messungen haben wir den oder die Switches in einer Zangenmessung belastet. Als Lastgenerator und Analysator haben wir ein »TestCenter SPT-9000A« von Spirent Communications eingesetzt.

Das System war mit 36 Gigabit-Ethernet- und sechs 10-Gigabit-Ethernet-Ports sowie Spirents »TestCenter Application 2.20« ausgestattet. Für unsere Tests haben wir Datenströme mit unserem Test-Center erzeugt und an die Eingangsports des zu testenden Systems gesendet. An den entsprechenden Ausgangsports haben wir dann mit dem Test-Center die ankommenden Datenströme analysiert.


Die Test in den Real-World Labs an der Fachhochschule in Stralsund wurden mithilfe des "Testcenter SPT-9000A" von Spirent durchgeführt.

Getestet haben wir in den Betriebs-Modi Fully-Meshed, Unicast-QoS, Multicast und Trunk. Zusätzlich haben wir den Stromverbrauch in Abhängigkeit von der Datenlast ermittelt.

Messungen mit Frames zwischen 64 und 1518 Byte

Alle Messungen haben wir nacheinander mit Frame-Formaten von 64, 128, 256, 512, 1024, 1280 und 1518 Byte durchgeführt. Die Last an den Eingangsports startete jeweils bei 25 Prozent und wurde dann in entsprechenden Schritten auf 100 Prozent erhöht. Das bedeutete an den Ausgangsports eine Last zwischen 100 und 400 Prozent – dabei waren die Lastanteile für die vier Prioritäten immer gleich groß, so dass die Daten der verschiedenen Prioritäten immer in einem gleichen Verhältnis zueinander standen.

Bei den Messungen mit Überlast, die wir alle mit Strict-Priority durchgeführt haben, sollten die Switches folgendes idealtypisches Verhalten zeigen: Bei 100 Prozent Last an den Ausgangsports sollten alle Datenströme ungehindert weiter geleitet werden.


Einsatzgebiet des Black Diamond 8810: Das System lässt sich unter anderem im Kern eines Unternehmensnetzes verwenden.

Bei zunehmender Last sollten die Switches dann jeweils möglichst viele Daten der niedrigsten Prioritäten verlieren und möglichst viele Daten der hohen Prioritäten unbeschadet passieren lassen. Bei vierfacher Überlast sollte der jeweilige Switch folglich alle Daten mit Ausnahme denen der höchsten Priorität verwerfen.

Fully-Meshed

Im Testaufbau »Fully-Meshed« haben wir mit unserem Lastgenerator/Analysator Last erzeugt und auf alle 36 Gigabit-Ethernet-Eingangsports des zu testenden Switches gesendet. Die Datenströme haben wir an die jeweils 35 anderen Gigabit-Ethernet-Ports desselben Switches adressiert und mit dem Lastgenerator/Analysator analysiert.

In diesem Szenario haben also 36 Gigabit-Ethernet-Ports gleichzeitig an alle anderen Ports gesendet und von diesen Datenströme empfangen. Den gleichen Test haben wir dann mit sechs 10-Gigabit-Ethernet-Ports wiederholt. Überlasten entstehen in diesem Szenario nicht, so dass hier keine Datenverluste zu erwarten sind, vorausgesetzt, der so belastete Switch arbeitet mit Leitungsgeschwindigkeit.

Mustergültig hat der »Schwarze Diamant« im Fully-Meshed-Test gearbeitet. Er leistete sich im Betrieb mit allen Frame-Formaten und unter Volllast keinerlei außerplanmäßige Datenverluste. Dies gilt sowohl für die Messungen mit den Gigabit-Ethernet-Ports als auch mit den 10-Gigabit-Ethernet-Ports.

Unicast-QoS

Im Betriebsmodus »Unicast-Gigabit-Ethernet intern« haben wir mit unserem Lastgenerator/Analysator Last erzeugt und nacheinander auf 28 Gigabit-Ethernet-Eingangsports des zu testenden Switches gesendet. Die Datenströme haben wir dann nacheinander an sieben Gigabit-Ethernet-Ports desselben Switches adressiert und mit dem Lastgenerator/Analysator analysiert, so dass wir eine maximal vierfache Überlast erzeugen konnten.

Im selben Betriebsmodus haben wir dann auch die 10-Gigabit-Ethernet-Ports belastet. Hierzu haben wir nacheinander die Datenströme an vier 10-Gigabit-Ethernet-Ports und an einen 10-Gigabit-Ethernet-Port adressiert.

Dann haben wir die Datenströme an sechs 10-Gigabit-Ethernet-Ports gesendet und an 15 Gigabit-Ethernet-Ports adressiert. Zuletzt adressierten 36 Gigabit-Ethernet-Ports einen 10-Gigabit-Ethernet-Port. Bei diesen Messungen erzeugten wir jeweils eine maximale Überlast von 400 Prozent, im letzten Fall von 360 Prozent.

Probleme bei größeren Frames

Sendeten 28 Gigabit-Ethernet-Eingangsports an sieben Gigabit-Ethernet-Ausgangsports, kam der Blackdiamond mit kleinen Frames recht gut zurecht. Er verhielt sich bei unseren Messungen mit 64-Byte- und 128-Byte-Paketen exakt nach den Strict-Priority-Regeln und verwarf grundsätzlich die niedriger priorisierten Daten zu Gunsten der hoch priorisierten.

Bei Volllast bedeutete das Totalverlust der drei niedrigeren Prioritäten zu Gunsten der am höchsten priorisierten Daten. Die kamen auch bei Volllast verlustfrei durch. Ab einem Frame-Format von 256 Byte waren dann auch Datenverluste in der höchsten Priorität zu verzeichnen. Bei der Messung mit 256-Byte-Paketen gingen fast 8 Prozent der am höchsten priorisierten Daten verloren.


Ein weiteres Einsatzszenario: Das Kernstück des Corporate Network bilden zwei Black Diamon 8810. Als Ergänzung dienen Edge-Switches der "Summit"-Reihe von Extreme.

Dafür verwarf der Switch nicht alle Daten der zweithöchsten Priorität. Bei unseren Messungen mit 512 bis 1518 Byte großen Frames gingen dann jeweils gut 31 Prozent der am höchsten priorisierten Daten verloren.

Bis zu 11 Prozent der Daten verloren

Sendeten dann vier 10-Gigabit-Ethernet-Ports an einen 10-Gigabit-Ethernet-Port, war die Priorisierungswelt wieder in Ordnung. Hier leistete sich der Blackdiamond keinerlei außerplanmäßigen Datenverluste. Auch als wir mit sechs 10-Gigabit-Ethernet-Ports auf 15 Gigabit-Ethernet-Ports sendeten, verhielt sich der Switch über eine lange Strecke unauffällig.

Mit großen Frames bekam er dann allerdings auch sichtbare Probleme. So gingen bei der Messung mit den größten Frames rund 4,5 Prozent aller hoch priorisierten Frames verloren.

Ein ähnliches Bild ergab sich auch bei der letzten Unicast-QoS-Messung. Hier sendeten 36 Gigabit-Ethernet-Ports auf einen 10-Gigabit-Ethernet-Port. Außerplanmäßige Datenverluste in der höchsten Priorität ergaben sich hier ausschließlich bei unserer Messung mit den größten Frames. Hierbei gingen dann gut 11 Prozent der Daten in der höchsten Priorität verloren.

Unicast-Trunk

Im Betriebsmodus »Unicast-Trunk« haben wir zwei baugleiche Switches in Reihe geschaltet. Dabei haben wir wieder mit unserem Lastgenerator Last erzeugt und auf vier Gigabit-Ethernet- beziehungsweise vier 10-Gigabit-Ethernet-Eingangsports des jeweils zu testenden Switches gesendet. Über vier Ausgangsports des ersten Switches, die einen Trunk bildeten, haben wir dann vier Gigabit-Ethernet- beziehungsweise vier 10-Gigabit-Ethernet-Ports des zweiten Switches adressiert.

Die Gigabit-Ethernet- beziehungsweise 10-Gigabit-Ethernet-Eingangsports des zweiten Switches haben dann die Datenströme an vier Gigabit-Ethernet- beziehungsweise 10-Gigabit-Ethernet-Ausgangsports desselben Switches gesendet. In diesem Szenario haben wir stets maximal eine zweifache Überlast erzeugt.

Die Trunking-Technologie ermöglicht das Bündeln von mehreren Ports zu einer logischen Verbindung zwischen zwei Switches. Den Trunk-Mechanismus realisieren die Switch-Hersteller heute so, dass alle Datenströme, die über den Trunk gesendet werden sollen, in jeweils eine Queue pro Port laufen. Jeder Trunk-Port hat seine eigene Hardware-Queue. Die einzelnen Datenpakete, die über den Trunk gesendet werden sollen, werden mittels proprietärer Hash-Algorithmen den einzelnen Queues zugewiesen, ohne Rücksicht auf die Auslastung des jeweiligen Ports zu nehmen.

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 und wir dürfen diese aus rechtlichen Gründen hier auch nicht veröffentlichen.

Wichtig: Datenströme gleichmäßig verteilen

In vorhergehenden Tests stellte sich bereits heraus, dass für alle Switches Situationen erzeugbar waren, in denen die Algorithmen für eine gleichmäßige Verteilung der Datenströme sorgten. Andererseits kam es aber auch bei allen Systemen zu Situationen, in denen die Verteilung der Datenströme sehr unsymmetrisch erfolgte. Jede Leitung hat ihre eigene Queue, daher werden die Datenströme unabhängig voneinander abgearbeitet.

Das hatte dann deutliche Performance-Einbußen zur Folge, weil der »verstopfte« Port einen Rückstau in der davor geschalteten Queue verursachte. Dabei verhielten sich die Switches nicht eindeutig für den Administrator vorhersagbar, da dieser den Algorithmus nicht kennt und zudem die Absenderportnummern in der Regel dynamisch vergeben werden, was er 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 wurde. Da es sich hierbei um ein konzeptionelles Problem handelt, das allen aktuellen Switches gemeinsam ist, haben wir einen Test durchgeführt, der das Verhalten exemplarisch darstellt.

Ansonsten haben vorhergehende Tests gezeigt, dass für alle getesteten Switches Szenarien möglich sind, in denen die Systeme die Datenströme gleichmäßig verteilten, und solche, in denen sie sehr asymmetrisch arbeiten und somit auf schlechte Durchsatzleistungen kommen.

Bei unserer Trunk-Messung mit den 10-Gigabit-Ethernet-Ports verhielt sich der Blackdiamond-Switch mustergültig. Da bei dieser Messung maximal eine zweifache Überlast zu bewältigen war, musste der Switch hier die beiden niedrigen Prioritäten zu Gunsten der beiden hohen Prioritäten verwerfen. Die Datenströme der beiden hohen Prioritäten sollten auf alle Fälle immer verlustfrei an ihrem Ziel ankommen. Exakt dieses Verhalten haben unsere Trunk-Messungen dann auch ergeben. Somit hat der Blackdiamond dieses Klassenziel voll erfüllt.

Multicast

Als nächste Messreihe haben wir einen einzelnen Switch im Multicast-Betrieb einer Zangenmessung unterzogen. Dabei haben wir mit unserem Lastgenerator Datenströme erzeugt und auf vier Gigabit-Ethernet- beziehungsweise vier 10-Gigabit-Ethernet-Eingangsports des Switches gesendet.

Jeder dieser vier Ports hat dann die Datenströme an 32 Gigabit-Ethernet-Ports beziehungsweise zwei 10-Gigabit-Ethernet-Ports weiter geleitet. Dort wurden sie vom Analysator gelesen und ausgewertet. Bei diesem Szenario haben wir maximal eine Überlast von jeweils 400 Prozent erzeugt.

Die gleiche Messung haben wir dann auch mit 10-Gigabit-Ethernet-Ports durchgeführt. Hier mussten dann vier 10-Gigabit-Ethernet-Ports Daten an zwei 10-Gigabit-Ethernet-Ports übertragen. Bei unseren Multicast-Messungen hat sich der Blackdiamond-Switch korrekt verhalten und keine ungebührlichen Datenverlustraten in den höheren Prioritäten erzeugt.

Stromverbrauch

Um den Stromverbrauch des Switches unter Last zu ermitteln haben wir sechs 10-Gigabit-Ethernet-Ports und 36 Gigabit-Ethernet-Ports mit unserem Lastgenerator verbunden und Datenströme der verschiedenen Frame-Formate erzeugt. Im Leerlauf, also ohne Datenlast, kam der Switch auf einen Stromverbrauch von 408 Watt mit einem Netzteil und von 454 Watt im Leerlaufbetrieb mit zwei Netzteilen.

Unter Datenlast schwankte dann der Stromverbrauch mit einem angeschlossenen Netzteil zwischen 423 und 412 Watt. Waren zwei Netzteile angeschlossen, verbrauchte das System zwischen 467 und 456 Watt. Tendenziell war dabei zu beobachten, dass der Stromverbrauch im Betrieb mit größeren Frames etwas geringer ist, als wenn kleinere Frames zu verarbeiten sind. Allerdings sind diese Unterschiede prozentual sehr gering.

Fazit

Switches wie der Blackdiamond-8810 sind grundsätzlich für den Einsatz in Unternehmensnetzen mit Unified-Communications-Anwendungen geeignet. Dass solche Switches aber bedingungslos und ohne Einschränkungen Leitungsgeschwindigkeit und Quality-of-Service bieten, ist auch heute noch keine Selbstverständlichkeit. Auch der Blackdiamond ist da keine Ausnahme.

Wenn zu viele große Datenpakete zu transportieren sind, dann kommt der Switch unter Umständen an seine Leistungsgrenzen.

Wer diese Einschränkungen kennt, kann den Blackdiamond-Switch sicherlich in den verschiedensten Umgebungen sinnvoll einsetzen.

Voraussetzung ist allerdings, dass die IT-Verantwortlichen die Möglichkeiten und Einschränkungen seiner aktiven Komponenten genau kennen.

Und da hilft wirklich nur messen, denn schon alleine der Wechsel der Firmware-Version oder der Generationswechsel der verwendeten Module kann zu anderen Eigenschaften desselben Switches führen.

[1] http://www.extremenetworks.com/

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