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论坛: 系统集成标题: 以太网瓶颈浅析(转)

作者: humf [humf]

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摘  要随着芯片速度不断加快、总线位数不断增多、网络速度从百兆升级到千兆，再辅之以最新的操作系统，从理论上来讲，其速率应当会大幅度提高。但实际并不是如此，本文通过实例说明由于桌面系统与千兆以太网的连接存在瓶颈，在企业建造网络时，根据企业的实际情况选择最佳的方案。
关键词网络  瓶颈  PC构件  操作系统  巨幅帧
1 引言

随着社会的发展和时代的进步，新技术和新产品不断的出现在我们的周围。尤其是计算机信息产业的发展，几乎是以六个月作为产品的开发周期和生命周期。各种新技术和代表这些新技术的厂家推动着全社会和广大用户不停地更新和换代。但是，先进的设备不一定能改善我们的工作环境和提高我们的工作效率。
现在我国绝大多数的公司和企业已经建立了自己的信息系统（MIS），将公司内部的各个部门用以太网技术连成一个有机的整体。近几年来，随着技术的发展和市场的成熟，千兆交换技术的产品价格越来越便宜，逐渐体现其越来越强的格和性能优势。并在我国各行各业有着非常普遍的实施和应用。但是，网络工程师却发现在千兆局域网内部互相传送大量文件时，网络速度依然成为瓶颈的所在。那么是什么原因引起的呢？

2 利用实验室的报告分析产生瓶颈的原因

根据美国西弗吉尼亚大学半年前进行的测试，试用千兆以太网来改善网络的总体性能，在拥有服务器CPU速度为200MHz，第二代千兆以太网的智能网络接口卡（NIC）以及Windows 2000操作系统等。但是用户在局域网内传输大量文件时仍然存在着某些重大限制。
为了弄清这个问题，最近美国西弗吉尼亚大学高级网络应用实验室对第二代千兆以太网产品进行了性能测试，用服务器CPU速度为500MHz，和第二代千兆以太网的智能网络接口卡（NIC），并使用了专为增强千兆以太网的性能而进行了改进的操作系统Windows 2000。结果表明，服务器和高性能工作站与千兆以太网直接连接的前景非常好，有些甚至是我们以前无法想像的。

2.1  千兆以太网与高性能工作站的桌面系统连接的必要性

----    在网络的结构图（如图一）中，两次实验都使用了光纤连接千兆以太网交换机（Allied Telesyn 9108），并且每台PC都拥有一个千兆以太网网卡（SysKonnect）直接与交换机连接。

                 交换机                             交换机



     半年前试验结构图                         现在试验结构图
                         图一：试验结构图

测试环境不同之处：半年前试验的工作站是使用Dell Optiplex ， 200MHz PⅡ
现在试验的工作站是使用Dell Precision 610，500MHz Xeon PⅢ
实验室测试方法①：在 Dell Optiplex 200MHz PC上安装了NT 4.0 Service Pack 5和SysKonnect 智能网络接口卡（NIC）进行了性能测试，得到的结果在19Mbps左右；在Dell Precision 500MHz PC上同样安装了NT4.0 Service Pack 5和SysKonnect 智能网络接口卡（NIC）再次进行性能测试，在这种条件下，速率达到了100M～107Mbps之间。从测试的结果可以看出，用Dell Precision 500MHz PC测试的速率是用Dell Optiplex 200MHz PC测试的速率的5倍。
实验室测试方法②：在使用Dell Optiplex 200MHz PC进行的实验中，在这种机器上安装Win 2000和SysKonnect 智能网络接口卡（NIC）进行测试，测量出的平均速率为29Mbps；在Dell Precision 500MHz PC上同样安装了Win 2000和SysKonnect 智能网络接口卡（NIC）进行测试，这次测试，速率达到138M～145Mbps之间。其结果与方法①相同。两种测试方法的实验结果比较如下图：

实验结果比较表
         选用PC        速率操作系统 Dell Optiplex 200MHz Dell Precision 500MHz
方法① NT4.0 19Mbps 100~107Mbps
方法② Win2000 29Mbps 138~145Mbps

根据以上的测试结果表明，只有拥有现代化的PC、服务器或工作站，桌面系统才可能享受千兆以太网的网络性能优势。这也证明了千兆以太网与高性能工作站（或服务器）桌面系统的连接的必要性。

2.2 分析瓶颈存在的原因

有一点是可以肯定的，瓶颈总是无处不在。在ATM和千兆以太网等新的技术问世后，网络性能瓶颈存在于智能网络接口卡（NIC）、总线甚至服务器或工作站的构件（如CPU）中。下面我们以实际例子详细说明瓶颈所在的地方。

2.2.1 网络性能瓶颈存在于PC构件中

为了弄清在测试中是什么内部构件降低了千兆以太网的利用率，测试人员使用了直接转换存储器这种方式。尽管这种转换反映的不是实际情况，但是，却有助于找出瓶颈之所在。在进行存储器测试时，测试人员将硬驱完全去掉，其他则全部留下，包括CPU、总线和NIC等等。测试结果发觉，在PC的所有构件中，可能是硬驱限制了总的速率。
实验结果证明，利用这种方式进行测试，速率达到了360Mbps。绕过硬驱，性能几乎增长了250%。这些PC所使用的并非廉价的ISA硬驱，而是性能卓越的Quantum 9G字节的Ultra 2/Wide SCSI (10000 rpm)硬驱。即便如此，这种硬驱仍不能跟上来自网络的写请求（write request）。
这项测试表明，千兆以太网受到的重要切换限制是由当前硬驱读写信息的时间造成的。用户可以通过添加或加速磁盘来改进硬驱的性能，同时，驱动器厂商也可以设计出具有冗余Ｉ/Ｏ优化和更大容量高速缓存的硬盘驱动器，从而改善网络的性能。在进行的第一次测试中，Windows机器进行网络处理的方式是通过操作系统来处理，这就意味着PC的构件（包括 CPU、总线和存储器）都参与了数据包的处理，网络的性能受到制约。

2.2.2  网络性能瓶颈存在于操作系统中

在Win2000中，微软把包处理的工作交给智能网络接口卡（NIC）去做，减少了使用 CPU频度，使其性能得到进一步增强，提高了网络的速度。
⑴ Win2000使用网络驱动器接口标准（NDIS）5.0，将任务卸载到NIC。
Win2000大都通过自调整来实施TCP/IP和使用网络驱动器接口标准（NDIS）5.0。 NDIS 5.0为桌面系统带来了大量新的功能，它通过允许智能网络接口卡（NIC）执行TCP硬件校验和及IP Security，将任务卸载到NIC。NDIS 5.0通过缺省，允许TCP/IP查询NIC驱动器，找出最大传输单元（MTU）受什么支持。这不但有助于操作系统最大限度地使用MTU，而且反过来提高了网络的效率。另外，还可以通过其他手段，如手动调节大型数据包的分割及配置巨幅帧（Jumbo Frame）的使用，来改善千兆以太网的环境。
⑵ Win2000通过硬件执行数据包的校验和。
在以前的Windows版本中，一般是由CPU和操作系统处理数据包的校验和。Win2000改变了这种情况，用硬件器件NIC来执行TCP校验和的计算。由于校验和的执行是一个严密的数学运算过程，用Windows版本时，每个数据包都要通过CPU和操作系统执行校验和，这样，不仅会给网络性能，而且会给CPU的使用造成重大浪费。使用Win2000时，TCP使用标题上的一个校验和及每段的数据，将校验和计算卸载到硬件上之后，速率从360 Mbps 激增到 504Mbps，网络利用率提高了50%。性能得到了大幅的改进。
   ⑶ Win2000能对文件进行高速缓存。
在网络环境不变的情况下，在两个Dell Precision 610工作站上安装了Windows 2000 Professional，并把它们作为客户机。在第三个Precision 610工作站上安装了 Windows 2000 作为服务器。
在测试过程中，首先，在各种机器之间传输一份未压缩的文件，执行的是服务器至客户机的传输、客户机与客户机之间的传输。在每次传输时都将源文件重命名，这样的测试方式，Win2000是不能在存储器中对文件进行高速缓存，测量几次文件进出机器的时间，即存储器至存储器的传输时间，并求出其平均值。然后，在每次传输时不对源文件重命名，使Win2000是能在存储器中对文件进行高速缓存，再多次进行存储器至存储器的时间测试，测出的结果比前面测出的要小得多，从而知道通过Win2000得出的性能较佳。

2.3 简单介绍改善网络瓶颈―巨幅帧的应用

在早期的测试中，没有使用巨幅帧，原因在于当时它在千兆以太网中并不常见。如今巨幅帧已被广泛地应用在千兆以太网上。由于千兆以太网的带宽远远大于快速以太网，因此，巨幅帧被使用，它通过帧的尺寸的扩大来降低日常的开支，并提高效率。
标准以太网帧是每帧1615字节。当帧的尺寸增加到 9014字节时，在千兆以太网能提供对巨幅帧的支持的情况下，利用存储器转换方式，进一步测试可得到的其速率激增到806Mbps，千兆以太网带宽利用率可达到81%，从而对网络的瓶颈起到了改善作用。

3  小结

测试表明，使用了第二代NIC、专为高性能网络设计的操作系统和速度更快、功能更强大的PC，千兆以太网的网络性能将得到显著改善。这种结合，再加上灵敏的TCP调节，就可以接近千兆以太网所许诺的网络性能。然而，如果局域网内多数为旧式服务器或工作站，在里面直接插入千兆以太网产品，这种优越的性能就没办法实现。以上测试结果表明，除非你拥有现代化的PC、服务器或工作站，加上最新的操作系统，你的桌面系统才可能享受千兆以太网的网络性能优势。

    4  结束语

通过以上对千兆以太网综合性能的分析，其目的是想消除一个似乎是常识的概念：百兆以太网升级到千兆以太网，性能必然有质的飞跃。所以，企业在进行技术革新和改造的同时，不仅仅要考虑厂家的技术和产品优势，同时，应根据自己本身的实际业务和已有设备，做出一个最佳的解决方案。

参考文献
《Windows 2000 应用、管理与开发》  人民邮电出版社   出版年份：2000年
《美国西弗吉尼亚大学校刊》  出版年份：2001年.

地主发表时间: 11/06 11:20

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