Performanceanalyse IP@ATM - Institut

Performanceanalyse an einer bestehenden IP over ATM Netzstruktur
Dipl.-Ing. Thomas Wegner
Universität Rostock
Fachbereich Elektrotechnik und Informationstechnik
Institut für Angewandte Mikroelektronik und Datentechnik
Richard Wagner Str. 31
18119 Rostock
Tel.: (0381) 498 3534, Fax: (0381) 498 1126, Email: weg@e-technik.uni-rostock.de
Abstract. Das vorhandene Datennetz des Fachbereiches Elektrotechnik und Informationstechnik wird hinsichtlich Struktur und Übertragungsgeschwindigkeit analysiert. Praktische
Erfahrungen mit der Installation, dem Betrieb und der Performanceanalyse dieser neuen
Netzwerktechnik werden aufgezeigt, um interessierten Anwendern Entscheidungshilfen
bei eigenen Projekten zu geben. Der Schwerpunkt soll dabei nicht auf dem primären
Benchmarking der eingesetzten ATM-Vermittlungstechnik liegen, sondern auf Messungen
der erreichbaren Datenübertragungsgeschwindigkeiten aus Sicht der DV-Endgeräte mit
Blick auf mögliche Engpässe für die Planung zukünftiger Erweiterungen.
Einführung
Die Einrichtungen der Universität Rostock sind auf 35 Standorte über das gesamte Stadtgebiet verteilt. Für den
Aufbau eines leistungsfähigen Universitätsdatennetzes stand die Frage der Auswahl einer geeigneten
Netzwerktechnologie für den Backbonebereich. Wesentliche Entscheidungskriterien dabei waren die
Kompatibilität zum Deutschen Forschungsnetz zur Sicherstellung der problemlosen WAN-Anbindung der
Universität Rostock und die Möglichkeit der Bildung virtueller LAN's im lokalen Bereich zur flexiblen
Anbindung der teilweise schon vorhandenen Datennetze der einzelnen Fachbereiche. Daher fiel die Wahl auf
ATM, die moderne Vermittlungs- und Multiplextechnik des Breitband-ISDN, da diese Netzwerktechnologie der
Hochgeschwindigkeitsdatennetze gleichermaßen für den WAN- und LAN-Bereich geeignet ist. Zur Übertragung
von IP-Datenpaketen über ein ATM-Netzwerk werden derzeit die Protokolle Classical IP over ATM und LANEmulation over ATM genutzt.
Im ersten Abschnitt wird das grundsätzliche Funktionsprinzip der LAN-Emulation over ATM kurz vorgestellt.
Dann folgt eine Darstellung der Netzstruktur und der mit dem verwendeten Softwaretool HP-netperf erzielten
Ergebnisse.
1. Prinzip der LAN-Emulation über ATM
Am Fachbereich Elektrotechnik und Informationstechnik der Universität Rostock ist eine umfangreiche
Workstation-ausstattung mit Systemen der Firma SUN vorhanden, so daß als Transportprotokoll im LANBereich TCP/IP vorherrscht. Aus Anwendersicht ist eine Bewertung der derzeit installierten Netzwerktechnik
hinsichtlich der erreichbaren Übertragungsgeschwindigkeit auch für das Performancetuning von Interesse
[ALU96].
Zur Übertragung von IP-Datenpaketen über ein ATM-Netzwerk wird derzeit die LAN-Emulation des ATMForums, LANE 1.0, genutzt. LANE 1.0 beruht auf der MAC-Layer-Emulation eines lokalen Netzwerkes, so daß
unterschiedliche, verbindungslos orientierte Protokolle (IP, IPX) über das verbindungsorientierte ATM-Netz
transportiert werden können. Durch das Prinzip des ELAN (Emulated LAN) wird die IP-Subnetzstruktur
beibehalten. Die benötigte LAN-Funktionalität wird pro ELAN durch Emulation-Client/Server (LEC, LES,
BUS, LECS) bereitgestellt.
Der LAN Emulation Client (LEC) muß in jedem ATM-Endsystem (Workstation, Router, Switch) implementiert
sein und stellt höheren Protokollen (IP, IPX) die MAC-Schicht zur Verfügung.
Die Hauptaufgabe des LAN Emulation Servers (LES), der Steuerzentrale des emulierten LAN's, ist die
Adreßauf-lösung zwischen Ethernet-MAC und ATM über das LAN-Emulation-Adress-Resolution-Protokoll.
Eng verbunden mit dem LES ist der Broadcast- und Unknown-Server (BUS), der die Verteilung von Broadcastund Multicastpaketen übernimmt. Pro ATM-Verwaltungsdomäne gibt es einen LAN Emulation Configuration
Server (LECS). Diese Komponente verwaltet die Konfigurationsinformationen für ein ATM-Netz und ist
zuständig für die Zuordnung von LEC und LES aller ELAN's.
LAN-Emulation ist daher protokolltransparent und unterstützt Broad- und Multicast. Ein ELAN arbeitet
unabhängig von jedem anderen ELAN in dem gleichen ATM-Netzwerk. Über ELAN-Grenzen hinweg erfolgt
die Verbindung durch Bridges und Router, wobei IP-ATM-Router zusätzliche Verzögerungen im Datenstrom
bewirken.
Intranet / Internet
Router
LEC 1/4
LECS
LEC 2/4
AT
M
-1
55
55
-1
M
AT
LEC 1/2
LES
BUS
Ethernet
Switch
Ethernet
Switch
WS 2
WS n
WS 1
WS 2
AT
M-1
55
5
15
MAT
WS 1
LEC 1/1
ELAN 2
ATM - Netz
AT
M15
5
5
15
MAT
ELAN 1
-155
ATM
ATM
-155
LEC 2/1
LES
BUS
LEC 2/2
WS
WS
LEC 1/3
LEC 2/3
WS n
Ethernet
Switch
WS 1
WS 2
WS n
ELAN 1
Ethernet
Switch
WS 1
WS 2
WS n
ELAN 2
Bild 1: Das Prinzip der LAN-Emulation over ATM
Die Emulation-Client/Server LEC, LES, BUS und LECS stellen Single-Point-of-Failer im Gesamtsystem dar.
Durch MPOA (Multi Protocoll over ATM) sollen die Verfahrensweisen weiterentwickelt werden, so daß auch
Rechner aus unterschiedlichen IP-Subnetzen direkt (Shortcuts) über ATM-VCC (Virtual Channel Connection)
Daten austauschen können.
2. Performanceanalyse von TCP/IP über LANE mit HP-netperf
Das oben kurz skizzierte Verfahren der LAN-Emulation zeichnet sich durch einen hohen Verwaltungs-Overhead
aus, der eine nicht geringe Grundlast im ATM-System bewirkt. Das Ziel der Performanceanalyse war daher die
Untersuchung des erreichbaren LAN-Durchsatzes auf TCP/IP-Protokoll-Ebene. Es sollte kein detailliertes
Bench-marking der angeschlossenen Workstationsysteme und Netzwerktechnik erfolgen.
Für die Analyse eines Datennetzwerkes sind die verschiedensten Monitoring- und Benchmarking-Tools in Hardund Software realisiert. Die Software Netperf von HP [NET95] ist ein Benchmark, mit dem verschiedene
Aspekte der Netzwerkperformance über das TCP/IP-Protokoll gemessen werden können. Entsprechend dem
Client/Server-Modell wird beim Aufruf des Programms Netperf auf der Gegenstelle der Netserver-Prozeß durch
den Inet-Dämon gestartet. Hauptanwendungsgebiet ist die Messung der Stream-Performance über TCP oder
UDP zwischen zwei Systemen.
Das Verhalten und der Durchsatz eines Netzwerksystems wird bestimmt durch:
• Netzwerktopologie: TP-Kategorie
• Netzwerkprotokolle: Ethernet, ATM, IP
• Implementation der Protokolle in Hard- und Software auf der Workstation
• Tuningparameter: Buffer Size, Path MTU
• Systemperformance der Workstation: Systembus, CPU, DMA, RAM, HD
• Backbonetechnologie: FDDI, IP over ATM (Classical IP over ATM, LANE)
• Internetworking Devices: Paketvermittlung- und Verzögerung in Bridge, Switch, Router
Die Datenpfade der durch Netperf erzeugten Last sind in der im Bild 2 dargestellten Meßanordnung zu erkennen.
UNI-RZ
WIN
Cisco
7500
ATM-34
LightStream
1010
ATM-155
ATM-Switch
Catalyst 5000 / 1324a
1,2 Gbps
ATM-Switch
Switch 202
Switch 201
10
10Base
T
Ba
s
eT
verilog - SparcUltra
170 MHz
100BaseT
SVE
abel - Sparc 5
85 MHz
1,2 Gbps
SVE
Switch 202
FET / MD
LightStream
1010
ATM-155
LANE
Catalyst 5000 / 1324b
LECS, LES-Bus
ATM-155
Router, ATMARP-Server
Cisco
5000
ATM-155
10Bas
eT
Switch 211
xilinx - Sparc 20
2 x 50 MHz
Buffer
KByte
Daten
KByte
Buffer
KByte
Daten
KByte
8
4
7,6
8
4
8
8
7,2
8
8
7,0
7,5
7,2
MBit/s
MBit/s
8,0
8
32
8
32
32
4
8,9
32
4
8,7
32
8
8,7
32
8
8,6
32
32
8.8
32
32
8,5
57
4
9,1
57
4
8,6
57
8
9,0
57
8
8,8
57
32
9,0
57
32
8,5
abel - verilog
xilinx - verilog
LAN-Emulation über ATM: Performanceanalyse mit HP-netperf
Bild 2: Die Struktur des mit HP-netperf untersuchten 10BaseT-ELAN's, (März '98)
Das in der freien Netperf-Distribution [NET95] vorhandene tcp_stream_script variiert beim Test die Größen der
Socket-Buffer auf Sender- und Empfängerseite mit verschiedenen Nachrichtenlängen, wie in der nachfolgenden
Tabelle 1 aufgeführt.
Das tcp_stream_script wurde im 1h-Takt über einen Zeitraum von 3 Tagen auf SUNSparc-Workstation mit
SOLARIS 2.5 während des täglichen Betriebes ausgeführt.
#netperf -l test_time -H remotehost -m message_size -s local_send/receive_buffer -S emote_send/receive_buffer
1
2
3
4
5
6
7
8
9
Receive_buffer in Byte
57344
57344
57344
32768
32768
32768
8192
8192
8192
Send_buffer in Byte
57344
57344
57344
32768
32768
32768
8192
8192
8192
Message in Byte
4096
8192
32768
4096
8192
32768
4096
8192
32768
Test_time in s
60
60
60
60
60
60
60
60
60
Tabelle 1: Kommandozeilenparameter desHP-netperf-scripts
Eine repräsentative Auswahl der gemittelten Meßwerte ist im Bild 3 dargestellt. Ein Unterschied zwischen den
Werten der Tages- und Nachtzeit konnte nicht beobachtet werden, obwohl natürlich die lokale Systemlast der
Work-station schon einen maßgeblichen Einfluß auf den erreichbaren Datendurchsatz ausübt.
10
9
8
7
6
5
4
3
2
1
0
8192 / 8182
32768 / 8192
57344 / 32768
Sparc5SparcU
Sparc10Sparc10
Sparc20SparcU
Sparc20SparcU
Bild 3: Ausgewählte Meßwerte über 10BaseT, (März '98)
Deutlich ist hierbei zu erkennen, daß die schnellerenSUNSparcUltra-Systeme auch einen höheren LANDurchsatz ermöglichen, der sich jedochVLAN-übergreifend wieder verringert (rechte Säule Bild 3).
50
40
47 46
34
38 40
40
30
8192 / 8192
20
32768 / 8192
10
57344 / 32768
0
Sparc10Sparc10
SparcU-Sparc10
Bild 4: Ausgewählte Meßwerte über 100BaseTX, (März '98)
Der 100BaseTX-Anschluß einer Workstation erfolgte zu Testzwecken über dasSupervisor Engine Modul (SVE)
des LEC (CISCO Catalyst 5000). Eine repräsentative Auswahl der gemittelten Meßwerte ist im Bild 4
dargestellt.
Die Datentransferrate zum UNIX-Server konnte zwar für den Anwender spürbar erhöht werden, allerdings stellte
die nur knapp 50% ige Auslastung des 100 Mbit/s Datenkanals noch kein befriedigendes Ergebnis dar.
Hier zeigt sich deutlich, daß der ATM-Backbone mit einer Übertragungsrate von 155Mbit/s als Flaschenhals
wirkt. Das Routersystem (CISCO 7500) stößt unter diesen Belastungssituationen ebenfalls schnell an seine
Leistungsgrenzen. Bei Einsatz einesFast-Ethernet-Switches sind bessere Ergebnisse im LAN zu erzielen.
UNI-RZ
WIN
Cisco
7500
ATM-155
LightStream
1010
ATM-155
Cisco
5000
ATM-155
ATM-Switch
LECS, LES-BUS
FET / MD
Catalyst 5000 / 1324a
LANE
ATM-155
SVE
Catalyst 5000 / 1324b
Router
SVE
100BaseTX
Switch 202
gerda - SparcUltra
170 MHz
Catalyst 5000 / 8116a
LANE
Switch 200
X
seT
Ba
100 uplex
d
herta - Sparc Ultra
170 MHz
100BaseTX
duplex
4
Daten
KByte
8
4
60
8
8
26
8
32
25
MBit/s
MBit/s
28
8
8
8
32
32
4
93
32
4
32
8
94
32
8
71
32
32
32
32
68
57
4
93
57
4
71
57
8
93
57
8
76
57
32
92
57
32
76
SVE
Catalyst 5000 / 8116b
SVE
Buffer
KByte
63
Buffer Daten
KByte KByte
8
100BaseTX
duplex
1,2 Gbps
Cisco
7500
ATM-155
ATM-Switch
mentor - SparcUltra
170 MHz
1,2 Gbps
LightStream
1010
ATM-155
100BaseTX
duplex
1,2 Gbps
1,2 Gbps
ATM-155
Router, ATMARP-Server
herta - gerda
55
88
78
mentor - gerda
März 99
LAN-Emulation über ATM: Performanceanalyse mit HP-netperf
Bild 5: Die Struktur des mit HP-netperf untersuchten 100BaseT-ELAN's, (März '99)
Für den Aufbau eines 100Mbit/s-LAN's sind daher folgende Systemerweiterungen notwendig:
•Fast-Ethernet-Switches in denLEC-Systemen Catalyst 5000
• zusätzliche Routermodule für stark frequentierteVLAN's
• Ausbau der Backbonebandbreite (622Mbit/s ATM)
Die beiden zuerst genannten Ausbaustufen konnten bereits realisiert werden. Das entsprechend erweiterte
LANE-System ist im Bild 5 dargestellt. Deutlich sind die durch Verwendung einesFast-Ethernet-Switches im
LAN verbesserten Transferraten gegenüber Bild 4 zu erkennen.
Die mit Netperf erzielten Ergebnisse wurden mit den Ausgaben desftp-Kommandos verglichen, ohne
wesentliche Abweichungen festzustellen. Eine zusätzliche Steigerung (<5% bei 10BaseT) derftpDatenübertragungs-geschwindigkeit zwischen zwei Workstation läßt sich mit demTuning der TCP/IPSystemparameter des Betriebssystems erreichen [FBR97].
3.
Zusammenfassung
Die LAN-Emulation über ATM ist eine schnelle Backbonetechnologie, die an jedem 10/100BaseT Port dediziert
Mediaspeed liefert. Praktische Messungen zeigen, daß die erreichbare Übertragungsgeschwindigkeit maßgeblich von
der Systemleistung der Endsysteme abhängig ist. Bei der Bildung der virtuellen LAN's ist hinsichtlich des maximalen
Durchsatzes ebenfalls darauf zu achten, daß ein Server mit seinen Clienten möglichst auch über einen EthernetSwitch verbunden ist, um die Routerbelastung des ATM-Systems zu minimieren.
Literatur
[ALU96]
Adam Lukosek:
Einsatz von ATM - Möglichkeiten und heutige Grenzen
Bericht des Forschungszentrums Jülich, August 1996
[FBR97]
Frank Brockners, Lothar Zier:
TCP-Tuning für schnelle Netze
IX-Magazin, S. 146-152, Juli 1997
[NET95]
Rick Jones:
http://www.cup.hp.com/netperf/NetperfPage.html
[THW98]
Thomas Wegner:
Performanceanalyse an einer bestehenden IP over ATM Netzwerkstruktur
Tagungsband Symposium Maritime Elektronik, S. 79-82, April 1998
Internet: http://www-md.e-technik.uni-rostock.de/ma/weg/weg.html