以太网交换机的吞吐量
一、吞吐量的定义
简单来说，吞吐量 指的是交换机在不丢包的情况下，能够转发数据的最大速率。它代表了交换机的实际数据处理能力。
需要注意的是，吞吐量通常小于或等于交换机所有端口速率的总和（即背板带宽）。它受到交换引擎（ASIC芯片）处理能力、缓冲区大小、转发方式等多种因素的限制。
二、关键概念：三个决定吞吐量的核心指标
要真正理解交换机的吞吐量，需要看以下三个相互关联的指标：
1. 背板带宽（交换容量）
- 是什么：交换机内部引擎（背板）的总数据交换能力，相当于电脑主板上的总线。它是所有端口之间并发通信的“高速公路”总宽度。
- 如何计算理想值：
背板带宽 ≥ 端口数量 × 端口速率 × 2（全双工）- 例如：一台24端口的千兆交换机，其理想背板带宽应为：
24 × 1 Gbps × 2 = 48 Gbps。
- 例如：一台24端口的千兆交换机，其理想背板带宽应为：
- 为什么重要：如果背板带宽不足，即使在所有端口同时以线速通信时，就会在内部形成瓶颈，导致拥塞和丢包。这是吞吐量的硬件上限。
2. 包转发率
- 是什么：交换机每秒能够转发多少数量的数据包。这是衡量交换机实际处理能力的更精细指标，因为交换机是以“包”为单位进行处理的。
- 单位：通常为 Mpps（百万包每秒）。
- 如何计算：基于最短帧（64字节）来评估最坏情况下的性能。
- 计算公式：
包转发率 (pps) = 端口速率 / ( (64 + 8 + 12) * 8 )64是帧的最小字节数。8是帧前导码的字节数。12是帧间间隙的字节数。
- 千兆端口的理论计算：
- 一个帧的总比特数 =
(64+8+12) * 8 = 672 bit - 包转发率 =
1,000,000,000 bps / 672 bit ≈ 1.488 Mpps
- 一个帧的总比特数 =
- 因此：一个全双工千兆端口的包转发率是
1.488 Mpps × 2 ≈ 2.976 Mpps（因为同时收和发）。
- 计算公式：
- 为什么重要：处理大量小包（如VoIP电话、在线游戏）对交换机的压力最大。包转发率决定了在这种压力下交换机是否还能保持线速转发。
3. 吞吐量
- 是什么：在上述两个指标支撑下，交换机在实际应用中表现出的有效数据转发速率。
- 测试方法：通常使用专业测试仪，以不同大小的帧（如64, 512, 1518字节）满负载地发送流量，测量交换机在不丢包情况下的最大转发速率。
- 表示方式：吞吐量可以达到 线速，即端口标称的速率（如1Gbps）。高性能交换机的吞吐量通常非常接近甚至等于线速。
三、如何判断一台交换机的吞吐量是否合格？
一个“无阻塞”或“线速”的交换机必须同时满足以下两个条件：
- 背板带宽 ≥ 端口总数 × 端口速率 × 2
- 包转发率 ≥ 端口数 × 相应端口速率的包转发率
举例：评估一台24口千兆+4个万兆上联口的交换机
- 端口配置：24个1G端口，4个10G SFP+端口。
- 条件1：计算所需背板带宽
- 千兆端口：
24 × 1 Gbps × 2 = 48 Gbps - 万兆端口：
4 × 10 Gbps × 2 = 80 Gbps - 总背板带宽需求：
48 + 80 = 128 Gbps - 所以，这台交换机的背板带宽至少应为 128 Gbps。
- 千兆端口：
- 条件2：计算所需包转发率
- 千兆端口：
24 × 1.488 Mpps = 35.712 Mpps - 万兆端口：
4 × 14.88 Mpps = 59.52 Mpps(10G端口的包转发率约为14.88 Mpps) - 总包转发率需求：
35.712 + 59.52 = 91.232 Mpps - 所以，这台交换机的包转发率至少应为 91.232 Mpps。
- 千兆端口：
如果厂商公布的指标达到或超过这些计算值，那么它就是一台全线速无阻塞交换机，其吞吐量在所有端口满载时也能达到每个端口的标称速率。
四、影响实际吞吐量的其他因素
除了硬件指标，以下因素也会影响实际体验到的吞吐量：
- 转发模式：
- 存储转发：接收完整帧并校验后再转发，延迟稍高但能过滤错误帧。这是最主流的方式。
- 直通转发：读到目标地址后立即转发，延迟最低，但会转发错误帧。
- 无碎片转发：介于两者之间，读取前64字节后转发，能避免转发冲突碎片。
- 流量类型：
- 单播 vs 组播/广播：大量的广播流量会占用所有端口的资源，降低有效吞吐量。
- 交换机的功能：
- 三层路由、ACL访问控制、QoS质量服务 等高级功能需要消耗额外的处理资源，开启后可能会影响包转发率。
- 帧长：
- 处理大量小帧（如64字节）对交换机的压力最大，因为每秒要处理的包数量非常多。
- 处理大帧（如1518字节）时，包转发率低，但数据吞吐效率高。
总结
| 指标 | 描述 | 好比是 |
|---|---|---|
| 背板带宽 | 交换机的总数据交换能力 | 高速公路的总车道数 |
| 包转发率 | 交换机处理数据包的速度 | 收费站的通行效率（每秒能通过多少辆车） |
| 吞吐量 | 实际测得的数据转发速率 | 公路上实际实现的运输量 |
在选择交换机时，不应只看端口数量和速率，而应仔细查阅其规格书中的背板带宽和包转发率，确保它们能满足你网络在最繁忙时的需求，这样才能保证网络的高性能和稳定性。对于核心网络和数据中心，必须选择“无阻塞”的线速交换机。
Do not communicate by sharing memory; instead, share memory by communicating.
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