Какие спецификации сетевых коммутаторов критически важны для центров обработки данных с высокой пропускной способностью и низкой задержкой?

Выбор правильного коммутатор центра обработки данных является одним из самых важных решений в области инфраструктуры, которое может принять сетевой инженер или ИТ-менеджер. В средах с высокой пропускной способностью и низкой задержкой неверные технические характеристики коммутатора ЦОД могут создавать узкие места, увеличивать потери пакетов и подрывать соглашения об уровне обслуживания (SLA). Понимание того, какие характеристики действительно имеют значение, помогает организациям разумно инвестировать и строить сети, которые надёжно масштабируются даже при высоких нагрузках.

Коммутатор ЦОД, предназначенный для выполнения требовательных рабочих нагрузок, должен обеспечивать стабильную пропускную способность, минимальную задержку пересылки и большую ёмкость буферов. Независимо от того, проектируете ли вы архитектуру «позвоночник–лист», уровень гиперконвергированной инфраструктуры или сеть высокочастотного трейдинга, каждый выбранный вами коммутатор ЦОД должен соответствовать строго определённым показателям производительности. В этой статье подробно рассматриваются ключевые технические характеристики, которые необходимо оценить перед развертыванием любого коммутатора ЦОД в среде с высокой пропускной способностью и низкой задержкой.

Характеристики пропускной способности и плотности портов

Коммутационная ёмкость и скорость пересылки

Пропускная способность коммутатора центра обработки данных определяет общий объём пропускной способности, который он может обрабатывать одновременно на всех портах. Измеряется в терабитах в секунду; пропускная способность определяет, способен ли коммутатор центра обработки данных обрабатывать совокупный трафик от десятков высокоскоростных серверов без возникновения перегрузки. Коммутатор центра обработки данных с недостаточной пропускной способностью будет отбрасывать пакеты при пиковой нагрузке, что недопустимо в приложениях, чувствительных к задержкам, например, в системах анализа в реальном времени или финансовых системах.

Скорость пересылки, выражаемая в миллионах пакетов в секунду, не менее важна. Коммутатор центра обработки данных должен пересылать пакеты со скоростью линии на всех активных портах, чтобы избежать внесения задержек из-за очередей. При оценке коммутатора центра обработки данных убедитесь, что заявленная скорость пересылки обеспечивает производительность на предельной скорости (wire-speed) как для кадров размером 64 байта, так и для кадров размером 1518 байт, поскольку пересылка малых пакетов создаёт более высокую нагрузку на коммутационную ASIC по сравнению с крупными кадрами.

Скорость и плотность портов

Современные развертывания коммутаторов центров обработки данных обычно требуют скоростей портов 25 Гб/с, 100 Гб/с или 400 Гб/с для поддержки высокопропускных соединений серверов и аплинков. Коммутатор центра обработки данных с более высокой плотностью портов снижает количество коммутаторов, необходимых в сети, что упрощает кабельную разводку и снижает совокупную стоимость владения. Плотность портов напрямую влияет на то, сколько серверов или коммутаторов верхнего уровня стойки может обслуживать один коммутатор центра обработки данных без добавления дополнительного агрегирующего оборудования.

Для развертываний на уровне спин-слоя коммутатор центра обработки данных с несколькими аплинк-портами 100 Гб/с или 400 Гб/с обеспечивает необходимую пропускную способность агрегации для предотвращения переподписки. Коэффициенты переподписки на коммутаторе центра обработки данных должны тщательно соответствовать реальному профилю трафика рабочей нагрузки, поскольку коммутатор центра обработки данных с высоким коэффициентом переподписки может демонстрировать низкую производительность при восточно-западном трафике в виртуализированных или контейнеризированных средах.

Задержка и архитектура буферов

Коммутация методом Cut-Through и методом Store-and-Forward

Задержка, пожалуй, является наиболее тщательно изучаемой характеристикой любого коммутатора центра обработки данных, используемого в средах, чувствительных ко времени. Коммутатор центра обработки данных, работающий в режиме cut-through, начинает передавать кадр до его полного приёма, сокращая задержку до нескольких сотен наносекунд. В режиме store-and-forward коммутатор центра обработки данных считывает весь кадр перед его передачей, что добавляет микросекунды задержки, но обеспечивает полную проверку на ошибки. Для рабочих нагрузок с низкой задержкой выбор коммутатора центра обработки данных, поддерживающего переключение в режиме cut-through, представляет собой практическое преимущество.

Задержку пересылки коммутатора центра обработки данных следует измерять в условиях полной загрузки, а не только при холостых тестах. Коммутатор центра обработки данных, обеспечивающий низкую задержку при загрузке 10 %, но значительно ухудшающий свои показатели при загрузке 80 % или 90 %, не сможет выполнить требования SLA в периоды пиковой нагрузки трафика. Всегда запрашивайте у поставщиков коммутаторов центра обработки данных измерения задержки на каждый порт при различных уровнях трафика.

Размер буфера и управление трафиком

Архитектура буфера определяет, как коммутатор центра обработки данных справляется с всплесками трафика без потери пакетов. Коммутатор центра обработки данных с неглубокими буферами может обеспечивать очень низкую среднюю задержку, однако будет терять пакеты при микровсплесках, которые часто возникают при передаче трафика с высокой пропускной способностью — например, в системах хранения данных или в вычислительных кластерах высокой производительности (HPC). Коммутаторы центра обработки данных с глубокими буферами жертвуют небольшой частью средней задержки, чтобы поглощать кратковременные заторы и предотвращать отбрасывание пакетов при переполнении буфера.

Функции качества обслуживания (QoS) на коммутаторе центра обработки данных позволяют приоритизировать трафик, обеспечивая предпочтительную маршрутизацию для потоков, чувствительных к задержкам. Коммутатор центра обработки данных, поддерживающий взвешенное циклическое распределение (WRR) или строго приоритетную очередность (SPQ), предоставляет администраторам детальный контроль над обработкой различных классов трафика. Оценка глубины и гибкости функций QoS коммутатора центра обработки данных является обязательной при одновременной передаче по сети трафика хранилищ, голосового трафика и вычислительного трафика.

Надёжность, масштабируемость и функции управления

Избыточность и высокая доступность

Коммутатор центра обработки данных промышленного уровня должен поддерживать горячую замену блоков питания и модулей вентиляторов для поддержания времени безотказной работы при техническом обслуживании оборудования. Избыточные модули управления на шасси коммутатора центра обработки данных позволяют плоскости управления перейти на резерв без нарушения работы плоскости пересылки, обеспечивая защиту от запланированных и незапланированных простоев. Коммутатор центра обработки данных, поддерживающий непрерывную пересылку и плавный перезапуск, гарантирует, что сходимость протоколов маршрутизации не прерывает поток трафика во время переключения модулей управления.

Возможности агрегации каналов и быстрого переключения также критически важны для любого коммутатора центра обработки данных в избыточной структуре. Коммутатор центра обработки данных с поддержкой ECMP, MLAG или аналогичных технологий многопутевой передачи позволяет распределять трафик по нескольким восходящим линиям связи одновременно, устраняя единственные точки отказа. Эти функции делают коммутатор центра обработки данных значительно более отказоустойчивым по сравнению с использованием единственного активного восходящего канала.

Автоматизация и программируемость

Современные среды центров обработки данных требуют коммутаторов ЦОД, поддерживающих автоматизацию через открытые API, NETCONF, модели YANG или потоковую телеметрию. Коммутатор ЦОД с высокой степенью программируемости обеспечивает более быстрое развертывание, мониторинг в реальном времени и интеграцию с платформами оркестрации. Возможность сбора потоковой телеметрии со всех коммутаторов ЦОД в фабрике предоставляет командам сетевой эксплуатации необходимую видимость для выявления перегрузки, асимметричной маршрутизации и аппаратных аномалий до того, как они повлияют на приложения.

Поддержка сегментной маршрутизации, VXLAN и EVPN также всё чаще требуется от любого корпоративного коммутатора ЦОД, развернутого в программно-определяемых или многопользовательских средах. Коммутатор ЦОД, поддерживающий эти технологии «надстройки» (overlay) и «базовой инфраструктуры» (underlay), может участвовать в динамической автоматизации фабрики, сокращая объем ручной настройки и обеспечивая более быстрое развертывание новых рабочих нагрузок по всей инфраструктуре.

Часто задаваемые вопросы

Какая пропускная способность переключения должна быть у коммутатора центра обработки данных для развертывания 100GbE?

Для развертывания коммутатора центра обработки данных с поддержкой 100GbE пропускная способность переключения должна быть достаточной для поддержки трафика на линейной скорости в режиме полного дуплекса одновременно на всех портах. Для 48-портового коммутатора центра обработки данных с поддержкой 100GbE минимальная пропускная способность переключения должна составлять приблизительно 9,6 Тбит/с, чтобы избежать перегрузки на уровне коммутатора. Всегда убедитесь, что ASIC коммутатора центра обработки данных поддерживает беспрерывную (non-blocking) архитектуру для конкретной конфигурации портов, которую вы планируете использовать.

Как размер буфера влияет на производительность коммутатора центра обработки данных во время всплесков трафика?

Размер буфера напрямую определяет, насколько эффективно коммутатор центра обработки данных поглощает кратковременные всплески трафика без потери пакетов. Коммутатор центра обработки данных с недостаточным объёмом буферной памяти будет испытывать события отбрасывания хвостов (tail-drop) во время микровсплесков, что приведёт к росту частоты повторных передач и увеличению задержек приложений. Для рабочих нагрузок, связанных с хранением данных или высокопроизводительными вычислениями (HPC), выбор коммутатора центра обработки данных с увеличенными буферами на кристалле или внешними буферами DRAM значительно повышает устойчивость к всплесковому характеру трафика.

Всегда ли коммутатор центра обработки данных в режиме cut-through предпочтительнее для сред с низкой задержкой?

Режим сквозной передачи (cut-through) на коммутаторе центра обработки данных снижает задержку пересылки, начиная передачу кадра до полного его приёма. Однако коммутатор центра обработки данных в режиме сквозной передачи может распространять повреждённые кадры при наличии ошибок на линии связи, поскольку проверка на ошибки пропускается. Для большинства сред с низкой задержкой оптимальный баланс между низкой задержкой и целостностью трафика обеспечивает коммутатор центра обработки данных, поддерживающий адаптивное переключение — при повышении уровня ошибок он автоматически переходит в режим накопления и пересылки (store-and-forward).