Jumbo Frames
Was sind Jumbo Frames?
Ein Jumbo Frame ist ein Ethernet-Frame oder ein Paket mit einer Nutzlast, die größer ist als die Standardgröße von 1.500 Byte. Jumbo Frames sind größer als die normale maximale Übertragungseinheit (MTU), die in der Ethernet-Spezifikation festgelegt ist. Unter bestimmten Umständen kann die Verwendung von Jumbo Frames zu einer besseren Leistung führen, unter anderen Umständen kann sie jedoch die Leistung beeinträchtigen.
In den Ethernet-Spezifikationen IEEE 802.3 ist die normale maximale Frame-Größe auf 1.518 oder 1.522 Byte festgelegt. Dies ermöglicht 14 Byte Routing-Header-Daten, 4 Byte Prüfsumme und 1.500 Byte Nutzdaten, die als MTU bezeichnet werden. Da der Standard die Frame-Größe auf 1.518 Byte festlegt, sind die meisten Geräte standardmäßig so eingestellt, dass sie Frames dieser Größe senden und empfangen.
Seit der Festlegung des Standard-MTU für Ethernet sind jedoch Netzwerke und Verarbeitungsgeschwindigkeiten deutlich schneller geworden.
Gigabit-Ethernet ist weitgehend Standard und in speziellen Anwendungen werden sogar noch schnellere 10-Gigabit- oder sogar 40-Gigabit- und 100-Gigabit-Verbindungen verwendet. In diesen schnelleren Netzwerken kann es zu Leistungsverbesserungen kommen, wenn die Geräte so konfiguriert sind, dass sie größere Datenpakete, also Jumbo Frames, senden.
Es gibt zwar keinen spezifischen Standard, aber 9.000 Byte wurden während der Entwicklung von Gigabit-Ethernet gewählt und später von den meisten Geräteherstellern und Behörden übernommen. Die meisten modernen Ethernet-Netzwerkgeräte unterstützen Jumbo Frames daher mit 9.000 Byte ohne Probleme.
Ein Super Jumbo Frame liegt vor, wenn die Nutzlastgröße über 9.000 Byte beträgt. Die theoretische maximale Nutzlast beträgt 65.535 Byte, was in der Praxis jedoch selten verwendet wird.
IPv6 unterstützt eine Jumbo-Nutzlast- oder Jumbogramm-Option, die Nutzlasten von bis zu etwa 4 Gigabyte ermöglicht.
Baby Jumbo Frames oder Baby Giant Frames sind Datenframes, die nur geringfügig größer sind als die Standard-Maximalgröße von 1.522 Byte, typischerweise bis zu 1.600 Byte. Baby Jumbo Frames werden häufig verwendet, da bestimmte Netzwerk-Routing- oder Kapselungstechnologien das Hinzufügen zusätzlicher Header-Informationen erfordern, die ein Datenpaket über die Standard-Frame-Größe hinaus vergrößern und eine Paketfragmentierung verursachen würden. Beispielsweise fügt Multiprotocol Label Switching (MPLS) jedem Frame 4 Byte als zusätzliche Label-Informationen hinzu.
Vor- und Nachteile von Jumbo-Frames
In kontrollierten Netzwerken mit hoher Auslastung kann die Verwendung von Jumbo-Frames aufgrund des geringeren Overheads zu einer Verbesserung des Netzwerkdurchsatzes führen. Bei unsachgemäßer Verwendung können sie jedoch zu Paketverlusten und einer Verschlechterung der Netzwerkleistung führen.
Vorteile von Jumbo-Frames
Geringerer Protokoll-Overhead: Jedes Datenpaket benötigt Header-Informationen, um die Quelle und das Ziel des Pakets zu beschreiben. Dazu gehören Ethernet-MAC-Adressen, IP-Adressen und IP-Protokollinformationen.
Bei einer Standard-Frame-Größe machen die Header-Daten bis zu 5 Prozent der gesamten Übertragung aus. Bei Verwendung eines 9.000-Byte-Jumbo-Frames beträgt die relative Gesamtgröße der Header hingegen nur etwa ein Prozent der Übertragung, sodass mehr nützliche Daten übertragen werden können. Da die meisten Netzwerke jedoch nicht mit maximaler Kapazität arbeiten, führt dies in den meisten Fällen nicht zu spürbaren Durchsatzsteigerungen.
Geringere CPU-Auslastung: Da jedes Paket und sein Header von jedem Gerät im Netzwerkpfad überprüft werden müssen, ist die CPU-Belastung höher. Da es mit Jumbo Frames insgesamt weniger Pakete gibt, ist die Gesamtzahl der zu überprüfenden Pakete geringer. Das bedeutet, dass jedes Gerät weniger Zeit für die Überprüfung der Pakete aufwenden muss. Aufgrund der hohen Geschwindigkeit von heutigen CPUs und der Offloading-Funktionen moderner Netzwerkkarten (NIC) stellt dies in den meisten Fällen aber kein großes Problem mehr dar.
Nachteile von Jumbo-Frames
Paketfragmentierung und Paketverluste: Eine Paketfragmentierung tritt auf, wenn ein Netzwerkpaket zu groß ist und während der Übertragung in zwei oder mehr Pakete aufgeteilt werden muss. Dies geschieht, weil einige Netzwerkgeräte größere Pakete nicht routen können. Die Paketfragmentierung verursacht zusätzlichen Netzwerk-Overhead und längere Übertragungszeiten. Paketfragmentierung ist eine Funktion von IPv4. IPv6 erlaubt keine Fragmentierung und verwirft zu große Pakete (Paketverlust) einfach.
Konfigurationsabweichungen: Die meisten Geräte verwenden per Voreinstellung die Standard-MTU und Standardpaketgrößen. Die Aktivierung von Jumbo Frames muss dagegen in den meisten Fällen manuell erfolgen. Dies kann dazu führen, dass die Konfiguration im gesamten Netzwerk nicht einheitlich ist. Dadurch können Netzwerkleistungsprobleme entstehen, die schwer zu beheben sind.
Um die Vor- und Nachteile von Jumbo-Frames zu verstehen, stellen Sie sich vor, jedes Netzwerk-Frame sei ein Paket, das verschickt werden muss. Ein Frame in Standardgröße entspricht einem Paket, das eine einzelne Person in einem gewöhnlichen Zustellwagen transportieren kann. Es lässt sich ohne Spezialausrüstung überallhin versenden.
Wenn Sie jedoch viele schwere Gegenstände versenden müssen, laden Sie sie auf eine Palette, die mit einem Gabelstapler bewegt werden kann. Das entspricht der Verwendung von Jumbo Frames. Wenn Sie die gesamte Transportkette kennen, etwa vom Lager auf den Lkw und wieder ins Lager, ist das effizienter. Muss die Sendung hingegen von einem normalen Paketdienst befördert werden, muss die Palette zerlegt und die Artikel einzeln verschickt werden. Dieser Prozess wird als Paketfragmentierung bezeichnet und führt zu einem langsameren, weniger effizienten Transport.
Wann Jumbo Frames verwenden?
Aufgrund der begrenzten Vorteile und der Möglichkeit negativer Auswirkungen bei falscher Verwendung sollten Jumbo Frames am besten in kontrollierten Netzwerken eingesetzt werden. Ihre Vorteile kommen nur in Hochgeschwindigkeits-Netzwerken (1 GBit/s oder mehr) mit hoher Auslastung zum Tragen. Beispiele hierfür sind Storage Area Networks (SAN) oder High-Performance-Computing-Netzwerke (HPC). In typischen Heim- oder Büronetzen sind Jumbo Frames in der Regel nicht von Nutzen und sollten nicht auf mit dem Internet verbundenen Geräten verwendet werden.
