فریم جامبو ( Jumbo Frame) چیست؟ آشنایی با مزایا و معایب آن

فریم جامبو نوعی فریم اترنت با بار مفید بزرگتر از  ماکزیمم واحد انتقال  (MTU) استاندارد  1500 بایتی است. فریم های جامبو در شبکه های محلی که از حداقل 1 گیگابیت بر ثانیه پشتیبانی می کنند  استفاده می کنند و  می تواند به عنوان بیشتر از  9000 بایت باشد.  از آنجا که فریم های جامبو بر اساس مشخصات IEEE 802.3 اترنت تعریف نشده اند، فروشنده ممکن است از فریم های جامبو و حداکثر واحد انتقال بیشینه متفاوتی پشتیبانی کند. فعال کردن فریم های جامبو می تواند عملکرد شبکه را بهبود ببخشد که این کار توسط ایجاد یک روش انتقال کاربردی تر و موثرتر صورت می گیرد. پردازنده های روی سوئیچ ها و روترها تنها می توانند یک فریم را به صورت هم زمان پردازش کنند. با قرار دادن ظرفیت ترابری بیشتر در هر فریم، پردازنده ها  فریم کمتر برای پردازش دارند در عوض، این می تواند میزان گرمای دستگاه های شبکه را کاهش دهد.

 فریم جامبو در اترنت چیست؟

اترنت یکی از فن آوری های اصلی است که بیشتر ارتباطات و انتقال داده هایی که در اینترنت صورت می گیرد را میسر می سازد.  فریم جامبو تکنولوژی ارزان قیمتی است که برای شبکه های با عملکرد بالا استفاده می شود. هنگامی که برنامه شما ( مرورگر وب، کلاینت  دانلود و غیره)، با سرور از راه دور ارتباط برقرار می کند. کار برنامه، انتقال داده ها یا ارسال درخواست هایی است که می خواهند به پشته پروتکل شبکه ارسال شوند. کار پشته پروتکل این است که این داده ها را به بخش های کوچکتری تقسیم کند و  اطلاعات مورد نیاز را برای ارسال از طریق سیم ها در آن قرار دهد. این اطلاعات در بخش های اطلاعاتی قرارداده می شوند تا دریافت صحیح داده برای صحیح  میسر شود و بخش های اطلاعات در دستور صحیح بارگذاری شوند.

هنگامی که داده ها توسط برنامه به سیستم عامل پشته شبکه منتقل می شود، پشته شبکه هر بخش از داده ها را به سخت افزار اترنت منتقل می کند. این سخت افزار اترنت اغلب موارد رابط کارت شبکه ای است که به دستگاه فرستنده متصل می شود. سخت افزار، اطلاعات تکمیلی را به هر بخش داده اضافه می کند که  هدر اترنت نامیده می شود. این اطلاعات تکمیلی اترنت به انتقال بسته به مقصد صحیح کمک می کند. به عنوان مثال، اگر شما داده ها را به یک دستگاه از راه دور انتقال می دهید، کارت شبکه شما هدرهای خود را به هر تکه داده اضافه میکند و آن را به دروازه  ارسال می کند. دروازه (مهم نیست که  یک روتر یا یک دستگاه لینوکس یا هر چیز دیگری باشد)  اطلاعات تکمیلی دریافت شده را می گیرد و مقصد مناسب را در بسته IP می خواند، سپس هدرهای اترنت خود را اضافه می کند و  سپس بسته اترنت را به هاپ (گام) بعدی ارسال می کند ( مهم نیست که یک سیستم لینوکس یا یک سوئیچ یا روتر یا هر چیز دیگری باشد). هر هاپ (یک ماشین / دستگاهی که بین فرستنده و گیرنده قرار می گیرد)  اطلاعات تکمیلی دریافت شده را حذف می کند،  تا مقصد مناسب را بخواند  و قبل از ارسال آن هدر های خود را اضافه می کند.

در شکل بالا شما می توانید از بخش  VLAN INFO ( که فقط برای VLAN استفاده می شود) صرف نظر کنید. هر فریم اترنت با آدرس مقصد، آدرس منبع و دنباله چک فریم  در انتهای فریم شروع می شود ( که FCS نامیده می شود)

 همانطور که می دانید IEEE گروهی است که استانداردهای پروتکل را تعریف می کند. استاندارد اترنت اولیه به نام IEEE 802.3 نامگذاری شد،  که اندازه فریم اترنتی حدودا 64 تا 1518 بایت داشت. اندازه 1518 بایتی آن دارا 18 بایت هدر اترنت (مانند مک منبع، مک مقصد، و غیره) می باشد.  بار مفید اصلی (اطلاعات تعریف شده توسط لایه های دیگر در پشته پروتکل) برای یک فریم استاندارد اترنت 46 تا 1500 بایت خواهد بود که به عنوان حداکثر واحد انتقال (MTU) نامیده می شود. اگر مقدار بار مفید بیشتر از مقدار ماکزیمم باشد، شبکه می تواند آن را پشتیبانی کند، سپس این بسته باید توسط لایه 3 (لایه شبکه) به قطعات کوچکتر تقسیم شود تا MTU بتواند با آن همساز شود.

اما با افزایش الزامات و موارد استفاده، تغییرات در استاندارد اترنت اصلی ضرورت یافت. بعضی از این تغییرات در استانداردهای اترنت (که باعث افزایش اندازه فریم شده اند) در زیر ذکر شده است.

• اطلاعات VLAN در هدر اترنت، اندازه  فریم را از 1518 به 1522 افزایش داد. این به این دلیل است که هدرهای VLAN نیاز به 4 بایت اضافی در هدر دارند (همانطور که در شکل قبل نشان داده شده است). این استاندارد اترنت، که از اطلاعات VLAN پشتیبانی می کند،  IEEE 802.1Q نامگذاری شده است
• مشخصات دیگر 802.1ad  ، 8 بایت اضافی برای اندازه فریم اصلی  1518 بایتی است.  802.1ad مشخصاتی برای  اطلاعات چندین VLAN در یک فریم است
•  در حال حاضر به دلیل افزایش انداره فریم ها و به دلیل اضافه شدن چندین  هدر جدید، IEEE تصمیم گرفت که  اندازه فریم ها را تا 2000 بایت افزایش دهد.
• سپس FCOE ( کانال فیبری در اترنت )  مستلزم نرخ انتقال بیشتری بود، از این رو اندازه MTU – 2500 بایت شد.

همانطور که قبلا گفتم MTU چیزی جز حداکثر مقدار داده ها نیست، می تواند حاوی یک بسته IP باشد، که می تواند بر روی یک فریم(پشتیبانی شده توسط شبکه شما) بدون تقسیم شدن، ارسال شود. اگر بسته IP شما (اطلاعات داده شده توسط لایه شبکه) بیشتر از اندازه فریمی باشد که توسط شبکه شما پشتیبانی می شود، باید آنرا تقسیم کنید. در  مقاله سیسکو در مورد پشتیبانی از فریم های  جامبو (در سری Catalyst) خواندم که:

فریم های اترنتی که بیشتر از اندازه 1600 بایت هستند را فریم های غول پیکر می نامند و فریم هایی که بین 1600 تا 9216 بایت هستند. فریم های جامبو نامیده می شوند. دلیل این که من در مورد مقاله سیسکو بحث کردم این است که فروشنده های مختلف دیدگاه های مختلفی در مورد فریم جامبو دارند  و در حال حاضر فریم های جامبو در هیچ یک از مشخصات IEEE برای اترنت تعریف نشده اند.

به این ترتیب، تولید کنندگان مختلف ممکن است از اندازه های مختلف فریم پشتیبانی کنند (و فریم های  جامبو  برای فروشندگان مختلف، اندازه های متفاوت خواهد داشت). اما  همانطور که گفتم در مورد مقاله سیسکو، می توانیم یک سطح میانی داشته باشیم و فریم های جامبو را به عنوان فریم هایی با اندازه  1600 تا 9216 بایت در نظر بگیریم.

مزایای استفاده از فریم های جامبو

 اولین و مهمترین چیزی که در مورد فریم های جامبو به ذهن من می رسد، بهره وری بیشتر در انتقال داده ها است. منطقی است که به کارایی مربوط به فریم جامبو بپردازید، زیرا شما در حال انتقال اطلاعات بیشتر در هر فریم هستید. برخی از موارد کاربردی وجود دارند که واقعا می توانند از فریم های جامبو بهره ببرند.

• NFS (سیستم فایل شبکه).  این پروتکل عمدتا برای به اشتراک گذاری فایل ها در شبکه مورد استفاده قرار می گیرد ، با استفاده از فریم های بزرگ می توان عملکرد شان را بهبود بخشید.
•  ISCSI SAN یا FCOE: این پروتکل با ذخیره سازی اترنت سر و کار دارد و نیاز به انتقال بیشتر روی سیم دارد. با داشتن  فریم های جامبو برای پشتیبانی آنها، می تواند عملکرد آنها را بهبود بخشید

بیایید مثالی را در نظر بگیریم برای اینکه  بدانیم که چگونه  فریم های جامبو می توانند عملکرد شبکه را به طور قابل توجهی بهبود بخشد. فرض کنید میخواهیم یک فایل 6 کیلوبایتی (6144 بایت) را به سرور مقصد ارسال کنیم. اندازه استاندارد MTU ، (به استثنای هدرهای  فریم) 1500 بایتی است. حالا که 6 کیلوبایت داده باید به قطعه های کوچکتر 1500 بایتی ( چون MTU من 1500 بایت است)  قطعه قطعه  شود.  به این معنی که برای تکمیل انتقال ، نیاز به ارسال حدود 4 تا 5 فریم به سرور مقصد خود داریم با این حال اگر اندازه MTU ما حدود 9000 باشد (اگر کارت شبکه و دستگاه های شبکه از فریم های جامبو  پشتیبانی کند)، می توانیم این فایل 6 کلیو بایتی را در یک فریم به مقصد  ارسال کنم. تفاوت را دیدید؟ بنابراین بدون پشتیبانی فریم های جامبو و یک شبکه تاخیر بسیار کم، می توان گفت که ما به طور کامل از ظرفیت شبکه برای انتقال داده خود استفاده نمی کنیم. بنابراین بدون فریم های جامبو،  پشتیبانی دستگاه فرستنده باید داده ها را به تکه های کوچکتر تقسیم کند تا بتواند متناسب اندازه MTU پشتیبانی شده باشد. این واقعیت را فراموش نکنید که دستگاه دریافتی نیز باید آن دسته کوچکتر از 1500 بایت را باز هم گذاری کند تا اطلاعاتی را که ارسال می کنم شکل گیرند.  بنابراین اگر از فریم های جامبو  استفاده می کنید، ماشین فرستنده و دستگاه دریافت کننده باید تعداد کمتری از سیکل پردازنده را اشغال کند، چونکه فقط  باید یک فریم قطعه نشده به مقصد ارسال شود. استفاده کمتر از پردازنده به معنای افزایش توان آن است. بنابراین به عنوان یک تبصره می توانیم بگوییم که

  یک فریم  جامبو  9000 بایتی را می توان با  6 فریم اترنت استاندارد  1500 بایتی جایگزین کرد که باعث 50 درصدی در پردازنده می شود. به استثنای مزایای  ذکر شده در بالا در مورد استفاده کمتر از پردازنده  و میزان انتقال بیشتر به دلیل فریم  تک فرستنده  بر روی یک  سیم به جای شش سیم، فریم جامبو در واقع می تواند تعداد بایت های ارسال شده روی سیم را کاهش دهد. برای درک این ادعا، بگذارید یک بار دیگر مثال فایل 6 کیلوبایتی را  در نظر بگیریم.

اگر می خواهید این فایل 6 کیلوبایت را در اندازه MTU  اترنت استاندارد ارسال کنید، لایه 3 باید آن را به 4 تکه مختلف تقسیم کند. و تمام این 4  تکه  بسته های مختلف پروتکل اینترنت، هدر های آی پی خود را دارند به این معنی که ما هدر TCP / IP مشابه را 4 بار ارسال می کنیم تا این فایل 6 کیلوبایتی را به مقصد  ارسال کنیم. در مورد یک MTU   9000 بایتی، ما تنها هدرهای TCP / IP را تنها یک بار ارسال می کنیم. از این رو  با بایت کمتری داده ها را ارسال می کنیم.

 داده های واقعی که هر سیستم عامل  بر روی  سیم  در یک فریم ارسال می کند بیش از 1460 بایت است. این به این دلیل است که 20 بایت برای هدر های IP استفاده می شود و 20 بایت دیگر برای هدر های TCP استفاده می شود. از این رو بارمفید داده   IP در یک فریم تنها حدود 1460 بایت (1500 تا 20 بایت – 20 بایت) است.

موارد استفاده ایده آل از فریم های جامبو

  فریم های جامبو را نباید فقط به این دلیل که می تواند سرعت انتقال داده را بهبود بخشد استفاده کرد. گاهی اوقات این می تواندتاثیرات عجیبی در ارتباطات شبکه شما داشته باشد.میزان  MTU اولیه 1500 ، زمانی که نیاز ما به اندازه حجم مصرفی امروز نبود ، استاندارد شد. در آن زمان، تمام مصرف ما 10 مگابیت یا حداکثر 100 مگابیت اترنت بود. اما بعد که اترنت گیگابایتی  آمد و در حال حاضر 10 گیگابایت اترنت در اکثر سرورهای ما وجود دارد. اما گروه استاندارد (IEEE)  باید سازگاری داشته باشد، به همین دلیل اندازه استاندارد MTU   ،  1500 بایت نگهداری می شود شما باید  فریم های جامبو را فقط اگر الزامات اساسی زیر را برآورده اید پیکربندی کنید.

شما یک شبکه کامل گیگابیتی دارید، تمام تجهیزات شبکه ای که دراین روش (از منبع به مقصد)  استفاده می شود از  فریم های جامبو پشتیبانی می کند.

تمام هاست های سرور شما با یک کارت شبکه و درایور هایش نصب شده اند که از فریم جامبو پشتیبانی می کند. به دلیل دستکاری  TCP  اولیه به 3 شکل ،می تواند در یک شبکه  با MTU متفاوت، کار کند،  دستکاری اولیه  این 3 بخش را  MSS (حداکثر اندازه بخش)  می گوید.

حداکثر اندازه بخش، چیزی جز حداکثر مقدار داده که یک بسته TCP / IP می تواند حمل کند، نیست (این شامل هدر های TCP / IP نمی شود). این زمانی  مورد بحث است که اتصال TCP بین منبع و مقصد برقرار شود. 1460 بایت دادههای واقعی که ما برای هر فریم ارسال میکنیم (به استثنای 20 بایت tcp و 20 بایت هدرهای IP)، MSS است. همانطور که UDP یک دستاورد اولیه ندارد، UDP می تواند مسائل عجیب   را در عین حال در یک شبکه   MTU متفاوت ، نشان دهداجرای چند میزبان در یک شبکه با اندازه های مختلف MTU ، توصیه نمی شود. بنابراین اگر میخواهید شبکه شما  از MTU 9000 بایتی پشتیبانی کند، تمام سوئیچها و میزبانها در مسیر باید پیکربندی شوند تا MTU   9000 بایتی  را بپذیرد.

نحوه پیکربندی MTU 9000 بایتی یا فریم جامبو در لینوکس

قبل از پیکربندی MTU از 9000 در سیستم لینوکس خود،  بررسی کنید که آیا شما قبلا آن را پیکربندی کرده اید. خروجی زیر را ببینید، باید مقدار MTU را از خروجی دستور ifconfig ببینید. اگر در خروجی ifconfig شما ، 9000  نداشته باشید، می توانید آن را با استفاده از فرمان زیر پیکربندی کنید. یا شما می توانید فایل پیکربندی رابط ویرایش کنید و مقدار اندازه MTU را در آنجا اضافه کنید تا آن را دائمی کنید و سرویس شبکه را مجددا راه اندازی کنید. در سیستم مبتنی  رد هت ، فایل / etc / sysconfig / network-script / ifcfg-eth0 با MTU=9000 ویرایش کنید. در سیستم مبتنی بر ubuntu / debian   فایل در / etc / network / interfaces ویرایش می شود و در آخر MTU 9000  اضافه می شود.

چگونگی بررسی اینکه آیا فریم های جامبو کار می کنند یا خیر؟

شما می توانید با استفاده از دستور ping ساده، فریم های پیکربندی  جامبوی خود را بررسی کنید یا نکنید. دستور PING گزینه ای برای تعیین اندازه بسته ارسال می کند. سعی کنید 8000 بایت بر اساس این دستور ارسال کنید و ببینید آیا پاسخی از میزبان هدف شما دریافت می کنید، همانطور که در زیر نشان داده شده است. اگر سرور هدف شما  فریم های جامبو را پشتیبانی نمی کند، پس شما باید پاسخی مثل آنچه در زیر آمده دریافت کنید.. خروجی به وضوح می گوید که تقسیم بندی مورد نیاز است.

مضرات یا معایب فریم های جامبو

فریم های بزرگتر بر روی سیم، موجب افزایش تاخیر می شوند، بنابراین برای برنامه های کاربردی که به تأخیر بسیار کم نیاز دارند، مانند VOiP یا برنامه های چت و غیره مناسب نیست. برای استفاده از فریم های جامبو ، شما باید مطمئن شوید که تمام انتظاری که از این  منبع و مقصد دارید، از اندازه MTU مورد نیاز شما پشتیبانی می کند. اساسا آن را فقط در یک شبکه و دستگاه های شناخته شده استفاده کنید. گاهی اوقات، سوئیچ هایی که  از فریم های جامبو پشتیبانی نمی کنند، بسته را حذف می کنند. بنابراین، به عنوان یک تبصره، فریم های جامبو باعث افزایش سرعت انتقال کلی و عملکرد شبکه می شوند، اما تنها در یک شبکه محلی که واقعا مورد نیاز است، آن را فعال می کند.