Die Netzwerk-Performance mit fortschrittlichen NIC-Optionen verbessern

NIC- oder Netzwerkkarten-Technologien wie Paket-Tagging und Offloading können die Performance verbessern und die Netzwerke im Data Center entlasten.

Mit einigen Optionen in modernen Netzwerkkarten können IT-Profis die Netzwerk-Performance für wichtige Server verbessern.

Ethernet ist die vorherrschende Technologie für Data Center und LANs (Loca Area Networks). Allerdings tut sie sich oftmals schwer, moderne Workloads angemessen zu unterstützen. Wir sprechen hier zum Beispiel von Storage-Daten, sowie Sprache und Video in Echtzeit. 

Ethernet wurde für einfache Datentransfers und kleine Datenpakete entwickelt, bei denen der Wettbewerb um Zugriff auf die Verbindung zweitrangig war. Selbst mit signifikanter Erhöhung der Bandbreite kann Ethernet bei zeitsensiblem Datenverkehr, der noch empfindlich auf Paketverluste reagiert, ineffizient sein.

NICs (Network Interface Cards, Netzwerkkarten) bringen immer mehr Funktionen und eingebaute Intelligenz mit, die sich positiv auf die Netzwerk-Performance auswirken. Dazu gehören sogenannte Jumbo Frames und Offload-Fähigkeiten, Paket-Tagging, Puffer- und Spacing-Verbesserungen und so weiter. Einige dieser NIC-Funktionen bringen allerdings Stolperfallen mit sich, auf die Sie bei einem Einsatz im Data Center achten sollten.

Effiziente Nutzung der CPU: Jumbo Frames gegen Offload-Fähigkeiten

Hinkt die Server-Performance etwas, könnte das an Netzwerk-intensiven Workloads liegen. Standard-Pakete bei Ethernet sind 1542 Byte groß. Die meisten Dateien teilt man in Hunderte, Tausende oder sogar Millionen an Frames auf. 

Diese kleinen Pakete werden individuell via Netzwerk übertragen. Sie nutzen zusammen mit vielen anderen Nodes die gleiche Verbindung. Das Senden und Empfangen eines jeden Frames benötigt allerdings CPU-Overhead.

Die meisten Netzwerkkarten unterstützen Jumbo Frames. Damit können Sie mit Frames umgehen, die bis zu 9000 Byte groß sind. Jumbo Frames enthalten pro Paket mehr Daten. Somit sind weniger Pakete über das Netzwerk zu transportieren. Der Durchsatz erhöht sich, weil weniger Overhead seitens der CPU, weniger Paket-Header und andere Paket-Inhalte involviert sind.

Die meisten Netzwerkkarten unterstützen Jumbo Frames. Damit können Sie mit Frames umgehen, die bis zu 9000 Byte groß sind.

Jumbo Frames haben aber auch Nachteile. Der Administrator muss jeden Node im Netzwerk so konfigurieren, dass dieser Jumbo Frames unterstützt. Andernfalls können die Knoten nicht sauber miteinander kommunizieren. Jumbo Frames sind nicht im IEEE-Standard enthalten. Deswegen konfigurieren unterschiedliche NICs die Jumbo-Frame-Größen nicht einheitlich. 

Um alle Nodes für den Einsatz von Jumbo Frames richtig zu konfigurieren, müssen Sie deswegen vielleicht etwas experimentieren. Weiterhin bedeuten größere Pakete für diverse Workloads möglicherweise höhere Latenz. Die Nodes müssen länger warten, bis sie Zugriff auf die Verbindung zum Draht bekommen. Das Anfragen und abermalige Versenden für verworfene und beschädigte Pakete dauert ebenfalls länger.

Anstelle von Jumbo Frames setzen IT-Profis möglicherweise lieber auf NICs, die LSO (Large Segment Offload) und LRO (Large Receive Offload) zur Verfügung stellen. LSO und LRO gestatten es der CPU, wesentlich größere Datenmengen zu (outbound) oder von (inbound) der NIC zu übertragen. Dabei ist wesentlich weniger Rechenleistung nötig. Im Endeffekt profitiert die CPU-Performance genau wie bei einem Einsatz der Jumbo Frames.

Traffic-Kapazität: Anpassbares Interframe Spacing gegen Ethernet-Upgrades

Ethernet wartet eine bestimmte Zeit zwischen dem Senden der einzelnen Pakete. Man nennt das Interframe Spacing. Somit haben andere Nodes die Möglichkeit, die Verbindung zu beanspruchen und ein Paket zu senden. 

Interframe Spacing entspricht der Zeit, um 96 Bit über den Draht zu schicken. Zum Beispiel verwendet 1-Gbit-Ethernet ein Standard-Interframe-Spacing von 0,096 Mikrosekunden. 10-Gbit-Ethernet benutzt ein Zehntel dieser Lücke, was 0,0096 Mikrosekunden entspricht.

Das feste Spacing zwischen den Übertragungsversuchen ist nicht immer effizient und kann sich in Situationen mit sehr viel Traffic negativ auf die Netzwerk-Performance auswirken. Manche NICs sind beim Interframe Spacing anpassungsfähig. Je nach Netzwerk-Traffic justieren sie Interframe Spacing, um die Netzwerk-Performance etwas zu verbessern. Das Anpassen von Interframe Spacing bringt nur geringe Vorteile, solange Sie nicht die gesamte Bandbreite des Netzwerks adressieren.

Umfassende Benchmarks zur Netzwerk-Performance zeigen möglicherweise Nutzungsmuster auf. Wenn die Ethernet-Verbindung regelmäßig am Anschlag ist, ist ein Upgrade auf eine schnellere Ethernet-Verbindung oder das Implementierung von so genanntem NIC-Teaming längerfristig wohl die bessere Lösung, als das Anpassen von Interframe Spacing.

Drosselung der Unterbrechungen (Interrupt Throttling) für CPU-Performance

Bewegen sich Pakete durch das Netzwerk, erzeugen NICs Unterbrechungen (Interrupts) für die CPU. Ist das Ethernet schneller, erhöht sich auch die Interrupt-Rate für den Prozessor. Die CPU muss dann den Netzwerktreibern erhöhte Aufmerksamkeit schenken. Das gilt auch für Software, die sich um die Pakete kümmert. 

Kommt es zu Spitzen oder Tiefen beim Traffic, kann die CPU-Performance unberechenbar werden. Unterstützen NICs Interrupt Throttling, reduzieren sie künstlich die Unterbrechungsrate für die CPU. Somit prasseln auf den Prozessor keine unlimitierten NIC-Interrupts mehr ein, was sich positiv auf die CPU-Performance auswirken kann.

Mehr Drosselung ist nicht unbedingt besser. Sie können die Reaktionsfähigkeit einer CPU mit einem hohen Interrupt Throttling verlangsamen. Die CPU braucht dann länger, all die generierten Interrupts abzuarbeiten. Treffen sehr viele Pakete unter Echtzeit-Konditionen ein, wirkt sich das Drosseln wohl eher negativ als positiv auf die Performance aus. 

Testen Sie die Netzwerk- und CPU-Performance unter Zuhilfenahme verschiedener Throttling-Modi. So etablieren Sie eine angemessene Reaktionszeit für das System und finden heraus, mit welchen Interrupt-Anforderungen die CPU umgehen kann.

Ziehen Sie alternativ dazu Netzwerkkarten mit TCP/IP-Offload-Fähigkeiten in Betracht. Diese können viele der CPU-intensiven Aufgaben auf der eigenen Platine erledigen. Das wiederum reduziert die Interrupt-Anforderungen an die CPU.

Zeitsensible Daten-Typen priorisieren: Paket-Tagging aktivieren

Zeitsensible Daten-Typen wie VoIP (Voice over IP) und / oder Video werden häufiger als höher priorisierter Traffic angesehen als einfache Datenübertragungen. Das Netzwerk an sich behandelt aber alle Pakete zunächst gleich, wenn Paket-Tagging (Paket-Markierung) nicht implementiert ist. 

Treffen sehr viele Pakete unter Echtzeit-Konditionen ein, wirkt sich das Drosseln wohl eher negativ als positiv auf die Performance aus.

Markierte Pakete lassen sich dann vom Betriebssystem wie Windows Server 2012 in der Warteschlange einsortieren. Die priorisierten VoIP- und Video-Pakete schiebt das System dann an den Anfang der Schlange. 

Somit werden diese vor den niedriger priorisierten Paketen abgearbeitet. Paket-Tagging ist bei QoS-Strategien (Quality of Service) beteiligt. Weiterhin ist es ein essenzieller Teil vieler VLAN-Szenarien (virtual LAN).

Ändern Sie grundsätzlich nur dann an NICs etwas, wenn die Netzwerk-Performance unter einen definierten Benchmark fällt. Bevor Sie Änderungen einbringen, sollten Sie grundsätzlich kontrollierte und ausführliche Tests mit Server- und NIC-Benchmarks durchführen. 

Die hier empfohlenen Feinjustierungen an den Netzwerkkarten werden natürlich keine so umfassenden Verbesserungen bringen, wie eine Generalsanierung des Netzwerks. 

Allerdings sind sie nicht durch ein Budget oder logistische Bedenken eingeschränkt. Behalten Sie die Änderungen der Netzwerk-Performance immer im Auge. Beobachten Sie, ob unbeabsichtigte Konsequenzen auftreten. Hiermit ist gemeint, dass sich eine Workload möglicherweise verbessert und sich eine andere dafür verschlechtert.

Folgen Sie SearchNetworking.de auch auf Facebook, Twitter und Google+!

Erfahren Sie mehr über Netzwerk- und Anwendungs-Performance

- GOOGLE-ANZEIGEN

ComputerWeekly.de

Close