在不同环境下基于铜线的千兆以太网的性能分析

带宽是网络发展的一个真正的瓶颈,基于铜线的以太网技术是解决问题的方案之一。

铜线千兆以太网在宽带网络应用中不仅具有比传统以太网更快的传输速率,还具有很强的兼容性,所以传统的以太网可以向千兆以太网逐次升级。在基于铜线的千兆以太网的应用中网络带宽问题得到有效的解决,服务器可以发挥最高效率,同时在千兆以太网的标准中还加入了校验和功能转移(Checksum Offloading)和Jumbo数据包等第二代网络功能,更大地发挥硬件的效率。千兆位以太网适配卡就是应用该技术标准在传统铜线网络上实现高速数据传输的硬件设备。

该适配卡不仅可以实现传输速率的大幅度提高,还具有其它一些特点:可支持虚拟局域网(Virtual LAN)的弹性网络架构；数据传输接收时采用优先级管理,提升QoS等级；采用总线技术,在网络管理上更加方便有效；还有唤醒局域网(Wake on LAN)功能使得网络资源更有效发挥。所有这些功能使千兆以太网能实现合理的价格和更好的网络服务。

在这些新特点中,检验和转移功能对网络效率的贡献最大。由于所有的数据传输都要采用校验和(checksum)来确认所收到的数据是否有误,而实现该功能需要大量的运算,会占用大量的处理器时间。在铜线千兆以太网技术中采用校验和功能转移,由适配卡处理这部分计算,大大减轻处理器的负担,增大了传输速率。

另一重要的特点是支持Jumbo数据包的功能,由于网络传输速度快,较大的数据包可以承载更多的数据信息,同一信息可以用更少的数据包传送,报头也同时减少,传输效率更高,服务器要处理的工作量也随之减少。因此对于使用Jumbo数据包传输的网络来说,服务器负载减轻,处理速率也随之提高。

另外,千兆以太网的网络架构更为简单有效。一个千兆以太网适配卡可以取代几条100Mbps的配线,接线数量降低,减少了总连线长度。再加上负载平衡与自动故障回复等功能,使得千兆以太网的运行速度和可靠性大幅提高,高速连线让服务器的使用效率也更高。

功效测试

有几个因素决定网络的功效,包括服务器与用户端电脑的处理能力、网络架构、网络路由器与交换器的品质等因素。为了测试千兆以太网适配卡的功效,在设计实验时尽量排除这些外在的因素,让每块适配卡的本身功效能够充分的发挥,因此每次测试中所有的硬件设置都相同,而适配卡本身与配套的驱动程序不同。另外,所有的登录数据、TCP/IP登陆以及操作系统其它部分均不作变动,每个网络适配卡都会在不同的操作系统下测试,并且用相同的功效分析软件与相同的测试状况。

要将功效测试设计成可重复,以便能比较不同适配卡之间的差异。在测试时不采用最大传输量作为标准,因为如果要测试高传输量就必须模拟大型网络上数十或数百个同时发生的操作。在该测试中以较小型的网络(十组网线),通过NetIQ的Chariot第3.2版软件,模拟对等网络( Peer-To-Peer)的连线方式,这样就可以避免交换器的影响,测出使用Jumbo数据包的数据功效。在Chariot测试环境中,有九台电脑同时下载一个10MB的数据,由一台电脑做上传数据的动作,数据的内容并非特定并采用TCP协议来传输。当然可以把网络线组数扩充到几百对,然后用更多的电脑来模拟较大的网络,但是这样就很难分辨出千兆以太网适配卡的效率。

配搭使用的硬件对测试结果也会有相当大的影响。为了准确反应适配卡的功效,在选择时不考虑使用最先进的设备,而采用一般网络中会使用到的硬件配置。执行服务器功能的电脑的组成为:双处理器733MHz的HP Kayak SU 800、 256MB的RDRAM、SCSI 160接口10G硬盘以及两个66MHz的64位PCI总线。用户端电脑的组成为:双处理器733MHz Compaq SP750、128MB的RDRAM、SCSI 160接口10G硬盘以及两个66MHz的64位PCI总线。操作系统采用Windows NT4.00 1381 SP6及Windows 2000 5.00.2195 SP1。参与测试的千兆以太网适配卡有Intel PRO/1000t Server Adapter v2.1、 Netgear GA620T v2.3+及采用DP83820芯片组的千兆以太网适配卡,其驱动程序是1.14版。

Windows 2000环境的功效表现

千兆以太网的功效明显优于传统的以太网。在一般的服务中,采用高速以太网并没有办法达到千兆的速度,Windows 2000支持转移处理器负载的功能,可以发挥千兆以太网的优点,服务器也可以更有效地去处理更多的数据。

单是把校验和计算的工作转移到网络适配卡上,就足以提升约15%的功效,不过目前仅适用于上传的数据部分。虽然下传的部分还无法做到同样的功能,但是从Linux和其它的系统的表现来看,功效的提升指日可待,而只要Windows 2000的功能提升,千兆以太网适配卡也会实现这一功效。

如果网络本身的设计要接收和传送较大的数据包,区别更是显而易见。如图2所示,自左而右分别是使用在10Mbps到100Mbps系统上的各种数据包,中间为Intel所建议的Jumbo数据包,而最右边是业界所建议的Jumbo数据包大小。标准的高速以太网适配卡无法达到1,000Mbps的传输率。

Windows NT环境的功效比较

即使没有用到工作负载转移(Task Offloading)或者是其它的新功能,千兆以太网仍然比其它的LAN技术更具优势。用一个以太网络来做比较,一块千兆以太网卡可以取代七块100Mbps网卡的集成。在图3中,芯片组在执行Jumbo数据包传输时,功效的提升显而易见。

采用千兆以太网不仅服务器能够发挥最大的功效,同时网络架构可以大量简化,从长远来说,简化的架构可降低安装成本,而且可靠性也更高,再加上负载平衡与故障回复等功能,以及铜线千兆以太网的低成本优势,网络可靠度与可用性自然相对提高。

由于现代企业依赖网络的程度日深,带宽的需求及长期使用的可靠性就更难以维持,而采用铜线的千兆以太网是发挥网络与网络设备效益的最佳方案。

采用Jumbo 数据包的效能比较

与标准的以太网数据包(1.5Kb)相比较,Jumbo数据包可以在效率上显著提高,不过由于网络与系统本身的限制,并不是数据包尺寸越大越好,以太网本身对数据包的限制是不能超过13Kb,如果超过这个限制,反而会导致误码率升高。

由图4中可以看出芯片组在不同数据包尺寸下的功效表现,当数据包尺寸越大,功效表现倾向正面的发展,由于系统本身的设计与PCI总线的限制,千兆以太网适配卡在特定的数据包大小时具有最佳的性能,一般业界最常用的为9.014Kb,这个大小足够传输8Kb的应用数据包,同时让系统与PCI总线的效率更高。

对于局域网线路来说,Jumbo数据包也有好处,为了让千兆以太网发挥最大的效用,除了网络本身要保留连线的带宽,同时也要传输Jumbo数据包,如此一来,服务器数据组与局域储存网也可以享受到千兆以太网的好处。

新规格带动发展

从以上对各芯片组的测试可以看出,千兆以太网的技术优势是明显的,而且由于铜线本身的低成本,安装简易,随着千兆以太网技术的进一步完善和新技术新规格如任务转移、PCI-X以及Infiniband的加入,千兆以太网必将走向普及并成为网络系统不可缺少的组成部分。

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