Catalyst 4500 E シリーズ スイッチにおける CPU アーキテクチャについて

Catalyst 4500 E シリーズ スイッチにおける CPU アーキテクチャについて

OL-17977-01-J

 

Catalyst 4500 および 4900「E シリーズ」スイッチは、「クラシック シリーズ」スイッチのアップグレード バージョンです。このマニュアルでは、CPU パケット処理アーキテクチャの詳細および E シリーズとクラシック シリーズ スイッチの違いについて簡単に説明します。

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（注） 「E シリーズ」とは、E+ シャーシ用に設計されたスーパーバイザ エンジンを指します。これには、Supervisor Engine 6-E、Supervisor Engine 6L-E、Catalyst 4900M などが該当します。「クラシック シリーズ」とは、E+ 以外のシャーシ用に設計されたスーパーバイザ エンジンを指します。これには、WS-X4014 から WS-X4516-10GE、Catalyst 4948、Catalyst 4948-10GE などが該当します。

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（注） Catalyst 4500/4900 スイッチの高い CPU 使用率についてトラブルシューティングする場合は、『High CPU Utilization on Cisco IOS Software-Based Catalyst 4500 Switches』を参照してください。

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（注） このマニュアルは、Cisco IOS® Software ベース スイッチにのみ適用されます。CatOS ベース スイッチには適用されません。Catalyst OS（CatOS）ベースの Catalyst 4500/4000 シリーズ スイッチを稼動している場合は、『CPU Utilization on Catalyst 4500/4000, 2948G, 2980G, and 4912G Switches That Run CatOS Software』をご参照ください。

このマニュアルの情報は、次のソフトウェアとハードウェアのバージョンに基づくものです。

• スーパーバイザ エンジン Supervisor Engine 6-E または Supervisor Engine 6L-E を搭載した Catalyst 4500 E シリーズ スイッチ

• Catalyst 4900M および Catalyst 4948E を含む Catalyst 4900 E シリーズ スイッチ

このマニュアルの内容は、次のとおりです。

• 「CPU 使用率の概要」

• 「Catalyst 4500 CPU パケット処理アーキテクチャについて」

• 「show platform health コマンドについて」

• 「コントロール トラフィック インターセプトのメカニズム」

• 「一般的な高い CPU 使用率の問題のトラブルシューティング」

• 「概要」

CPU 使用率の概要

ハードウェアベースの転送スイッチおよび Cisco IOS® Software ベース ルータでは、さまざまな方法で CPU が使用されています。高い CPU 使用率が、デバイス上のリソースの枯渇や、クラッシュの危険を示すものと誤解されていることが多いようです。

容量の問題は、Cisco IOS ルータで CPU 使用率が高くなった場合に発生する症状の 1 つです。しかし、ハードウェアベースの転送を行う Catalyst 4500 シリーズ スイッチのようなスイッチでは、容量の問題が CPU 高使用率の症状となることはほとんどありません。Catalyst 4500 シリーズ スイッチは、ハードウェア Application-Specific Integrated Circuit（ASIC; 特定用途向け集積回路）でパケットを転送し、Supervisor Engine 6-E では、IPv4 で最大 2 億 5,000 万パケット/秒（Mpps）のトラフィック転送速度に到達するように設計されています。

Catalyst 4500 シリーズ スイッチの CPU は次の機能を実行します。

• ホスト ラーニングとエージング：ハードウェアのホスト ラーニングとエージングは Catalyst 4500 シリーズ スイッチおよび Catalyst 4900 シリーズ スイッチではサポートされません。

• 次のような設定済みのソフトウェア プロトコルを管理します。

– Spanning Tree Protocol（STP; スパニング ツリー プロトコル）

– ルーティング プロトコル（OSPF や EIGRP など）

– Hot Standby Routing Protocol（HSRP; ホット スタンバイ ルーティング プロトコル）

– Cisco Discovery Protocol（CDP）

– Port Aggregation Protocol（PAgP; ポート集約プロトコル）

– VLAN Trunking Protocol（VTP; VLAN トランキング プロトコル）

– Dynamic Trunking Protocol（DTP）

• 次のようなハードウェア ASIC への設定/ダイナミック エントリをプログラムします。

– Access Control List（ACL; アクセス コントロール リスト）

– CEF エントリ

• 次のようなさまざまなコンポーネントを内部で管理します。

– Power over Ethernet（PoE）ライン カード

– 電源装置

– ファン トレイ

• 次のようにスイッチへのアクセスを管理します。

– Telnet

– コンソール

– Simple Network Management Protocol（SNMP; 簡易ネットワーク管理プロトコル）

• 次のように、ソフトウェア パス経由でパケットを転送します。

– Internetwork Packet Exchange（IPX）でルーティングされるパケット（ソフトウェア パスでのみサポート）

– Maximum Transmission Unit（MTU; 最大伝送ユニット）フラグメント化

このリストによると、高い CPU 使用率は、CPU によるパケットの受信または処理の結果、発生する可能性があります。プロセス用に送信されたパケットのいくつかは、ネットワーク動作（スパニング ツリー トポロジ設定の Bridge Protocol Data Unit（BPDU; ブリッジ プロトコル データ ユニット）など）に不可欠である可能性があります。

ソフトウェアで転送されるパケットでは、スイッチング ASIC が処理のためにパケットを CPU に送信する必要があります。

• CPU にコピーされるものの、本来のパケットは次のように、ハードウェアでスイッチされます。

– ホスト MAC アドレス ラーニング

• 次のように処理のために CPU に送信されるパケット

– ルーティング プロトコルの更新

– BPDU

– 転送のために CPU に送信されるパケット（IPX または AppleTalk ルーティングを必要とするパケットなど）

Catalyst 4500 CPU パケット処理アーキテクチャについて

クラシック シリーズ スイッチ同様、E シリーズには、CPU を宛先とするトラフィックのタイプ間を差別化するための、組み込みの Quality of Service（QoS）メカニズムがあります。E シリーズ スイッチでは、CPU キューの数が 64 に増えました。キューはそれぞれ、さまざまなタイプのパケットまたはイベントを処理します。次の表は、キューと、それぞれのキューにキューイングされるパケット タイプのリストです。現行のソフトウェア実装では 64 キューすべてが完全に活用されていないので、一部のキュー番号はトラフィック タイプと関連付けられません。また、キュー名に関連付けられたキュー番号は異なるソフトウェア リリースで若干変更される可能性があります。CPU のキュー名とキュー番号を確認するには、show platform software cpu events コマンドを使用します。

 

表 1 の一部のキュー名（Layer 3 Receive など）は複数のキュー番号と関連付けられています。複数のキューがあるキュー タイプにパケットが到達すると、パケットは QoS ラベルに基づいて配置されます。QoS ラベルとは、IP Type of Service（ToS; タイプ オブ サービス）からの Differentiated Service Code Point（DSCP）値のことです。

CPU の処理が必要なパケットがスイッチに入ると、まず、1 つ以上の CPU イベントが割り当てられ、次に対応するキューに配置されます。

次のことに注意してください。

• この情報は、Cisco IOS Release 12.2(54)SG に基づいています。リリースごとに若干の違いがある可能性があります。

• 異なる CPU イベントのトラフィックが同じキューに配置される場合があります。

• CPU イベントが同じトラフィックがトラフィックのプライオリティに応じて異なるキューに配置される場合があります。

E シリーズおよびクラシック シリーズのスイッチで、重要度、タイプ、トラフィックのプライオリティ、または DSCP に基づいて CPU によって重さが割り当てられます。CPU では、キューの相対的な重さに基づいてキューにサービスを提供します。たとえば、BPDU などのコントロール パケットと ICMP エコー要求が保留中の場合、CPU によって最初にコントロール パケットにサービスが提供されます。プライオリティまたは重要度が低いトラフィックが多すぎても、CPU のシステム処理能力または管理能力が枯渇することはありません。このメカニズムによって、CPU 使用率が高い状況であってもネットワークの安定が保証されます。ネットワークが安定したままであるこの能力は、理解する必要のある重要な情報です。

CPU が高優先度のパケットやプロセスにすでにサービスを提供しているにもかかわらず、特定の期間、余分な CPU サイクルがある場合、CPU は低優先度のキュー パケットにサービスを提供したり、より低い優先度のバックグラウンド プロセスを実行したりします。低優先度のパケット処理やバックグラウンド プロセスの結果、CPU 使用率が高くなるのは、ソフトウェアが常にすべての時間を利用可能にしようとするので、通常のことと見なされます。このように、CPU は、スイッチの安定性については妥協せずにスイッチとネットワークの最大のパフォーマンスを目指しています。Catalyst 4500 は、単一のタイム スロットに対して 100% で CPU が使用されない限り、CPU は十分には使用されていないと見なします。

Catalyst 4500 クラシックおよび 4900 E シリーズ スイッチの CPU 使用率について

まず、show processes cpu コマンドを使用してスイッチの CPU 使用率を確認します。ネットワーク環境の設定が増加したり、ネットワーク トラフィックのパターンが変更したりするのに伴い、CPU 使用率のベースラインを継続的に更新する必要がある場合があります。

この出力は、CPU を使用する 2 つのプロセス Cat4k Mgmt HiPri および Cat4k Mgmt LoPri が存在することを示しています。これらの 2 つのプロセスが、スイッチの重要な管理機能を実行する複数のプラットフォーム固有プロセスを集約します。これらのジョブは、コントロール プレーンを処理し、また、ソフトウェアでスイッチングされたり、処理されたりする必要のあるデータ パケットを処理します。

Cat4k Mgmt HiPri と Cat4k Mgmt LoPri のコンテキストでプラットフォーム固有のプロセスのどれが CPU を使用するのかを確認するには、show platform health コマンドを発行します。

プラットフォーム固有のプロセスそれぞれには、CPU の目標となるまたは予想される使用率があります。そのプロセスが目標以内である場合、CPU は高優先度のコンテキストでプロセスを実行します。show processes cpu コマンド出力は、Cat4k Mgmt HiPri の下での使用率を示します。プロセスが目標を超える場合、そのプロセスは低優先度のコンテキストの下で実行されます。show processes cpu コマンド出力は、Cat4k Mgmt LoPri の下で追加の使用率をカウントします。この Cat4k Mgmt LoPri は、一貫性チェックや読み取りインターフェイス カウンタなどのバックグラウンドや他の優先度の低いプロセスの実行にも使用されます。このメカニズムによって、CPU は必要なときに高優先度プロセスの実行を許可し、残りの CPU のアイドル サイクルは、低優先度のプロセスに使用されます。目標となる CPU の使用率が少しだけ超過したり、使用率が一時的に急上昇したりすることは、調査を必要とする問題ではありません。

show platform health コマンドについて

show platform health コマンドでは、特に開発エンジニアに関係のある多くの情報を表示します。高い CPU 使用率のトラブルシューティングを行うには、出力の %CPU actual 列で高い数値を探します。また、その列の右側を必ず見て、そのプロセスの CPU 使用状況の 1 minute と 1 hour average %CPU 列を確認します。プロセスは場合によって、一時的に急上昇し、長時間 CPU を保持しません。一時的に高い CPU 使用率は、ハードウェア プログラミング中やプログラミングの最適化時に発生することがあります。たとえば、TCAM の大きな ACL のハードウェア プログラミング中に発生する CPU 使用率の急上昇は正常です。

次の表は、show platform health コマンドの出力に示されるいくつかの一般的なプラットフォーム固有のプロセスの基本情報をいくつか示しています。K5CpuMan Review 以外のプラットフォーム依存プロセスで CPU 使用率が高い問題が発生した場合は、Cisco Technical Assistance Center（TAC）にお問い合わせください。

 

コントロール トラフィック インターセプトのメカニズム

Catalyst 4500 シリーズ スイッチでは、レイヤ 2 およびレイヤ 3 のコントロール パケットは、スタティック アクセスリストによって CPU でキャプチャされます。このアクセスリストは、起動時に自動的にプログラムされます。このアクセスリストとヒット件数を確認するには、show platform hardware acl input entry static コマンドを使用します。一部のプロトコル（OSPF や HSRP）では、アクセスリストから機能が設定されているか判断できません。したがって、コントロール トラフィックすべてがキャプチャされます。たとえば、U 字型トポロジまたは V 字型トポロジでは、2 台のアップストリーム ルータ間の HSRP hello パケットは、HSRP が設定されていない場合でも、Catalyst 4500 スイッチの CPU によってキャプチャされます。この実装により、まれに CPU の使用率が高くなる場合があります（詳細については、『High CPU Utilization on Cisco IOS Software-Based Catalyst 4500 Switches』を参照）。クラシック シリーズとそれ以外のシリーズのスーパーバイザでは、同じ実装が使用されているため、スーパーバイザ エンジンすべてで同じ問題が発生します。

一般的な高い CPU 使用率の問題のトラブルシューティング

この項では、Catalyst 4500 スイッチで CPU 使用率が高くなる一般的な問題について説明します。

この章の内容は、次のとおりです。

• 「プロセス交換パケットが原因の高い CPU 使用率」

• 「ARP の未完全な K5L3 レビュー ジョブが原因の高い CPU 使用率」

• 「RSPAN が原因の高い CPU 使用率」

• 「K5AclCamStatsMan が原因の高い CPU 使用率」

• 「コントロール トラフィック インターセプトが原因の高い CPU 使用率」

• 「CPU 宛てトラフィックを分析するトラブルシューティング ツール」

概要

Catalyst 4500 E シリーズ スイッチには、クラシック以外のスイッチに似た、改善された CPU アーキテクチャが備えられています。E シリーズ スイッチではハードウェアで IPv4 および IPv6 パケット転送を高速処理できます。一部の機能または例外によって、一部のパケット転送が CPU プロセス パスを通過します。

Catalyst 4500 E シリーズのスーパーバイザ エンジンには、CPU-bound パケットを処理する、クラシック以外のスイッチより優れた QoS メカニズムが備えられています。このメカニズムによって、スイッチの信頼性と安定性が保証され、ソフトウェアのパケット転送における CPU を最大限に活用できるようになります。

クラシック スイッチ同様、E シリーズ スイッチには、高い CPU 使用率のシナリオに潜む原因の特定を支援する、強力なツールおよび多数のコマンドが搭載されています。

マニュアルの入手方法およびテクニカル サポート

マニュアルの入手方法、テクニカル サポート、その他の有用な情報について、次の URL で、毎月更新される『 What's New in Cisco Product Documentation 』を参照してください。シスコの新規および改訂版の技術マニュアルの一覧も示されています。

http://www.cisco.com/en/US/docs/general/whatsnew/whatsnew.html

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