（物理电子学专业论文）基于fpga的高速任意以太网帧流量发生器的实现.pdf

u n i v e r s i t yo fs c i e n c ea n dt e c h n o l o g yo fc h i n a adi s s e r t a t i o nf o rm a s t e r sd e gr e e i m p l e m e n t a t i o no fh i g hs p e e d e t h e r n e tt r a f f - cg e n e r a t o r b a s e donfpg a a u t h o r sn a m e ： z h i h e n gr e n p e c i a l i t y ：p h y s i c a le l e c t r o n i c s p e c l a l t vp h v s l c at 5 l e c t r o n l c s l s u p e r v i s o r ： 1 1 1 1 ri n l s l l e dt i m e ： a s s o jp r o f j i e 肋 a p r 3 0 m ，2 0 11 中国科学技术大学学位论文原创性声明 本人声明所呈交的学位论文，是本人在导师指导下进行研究工作所取得的 成果。除已特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含任何他人已经发表或 撰写过的研究成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献均已在论文中作 了明确的说明。 作者签名：签字日期： 中国科学技术大学学位论文授权使用声明 作为申请学位的条件之一，学位论文著作权拥有者授权中国科学技术大学 拥有学位论文的部分使用权，即：学校有权按有关规定向国家有关部门或机构 送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅，可以将学位论文编入有 关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论 文。本人提交的电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。 保密的学位论文在解密后也遵守此规定。 瓯公开口保密(年) 作者签名： 弹 槲期：一 导师签名： 豸一杰 签字日期：? f f 一塑墅 一 摘要 在以大型地震采集系统为代表的大型传感器网络的开发过程中，需要款 可以仿真实际采集过程中产生的高速数据流，为测试高速以太网为传输介质的 数传网络或相关应用程序的诸如逻辑正确性、吞吐能力等指标提供测试激励的 流量发生器。该流量发生器需提供自由地配置帧长度、帧间隔长度，任意选择 各字段的填充算法，以及提供千兆和百兆两种速率模式等功能。目前存在的流 量发生器主要为软件实现，难以做到精确控制帧间隔等参数。硬件实现的多为 用于通信网络测试的大型企业产品，由于其价格和灵活性等局限性，并不适合 用于实验室测试。因此我们需要开发一款硬件的满足以上要求的可用于实验室 测试的以太网流量发生器。 本文用f p g a 实现了这样的任意以太网帧流量发生器。所谓任意以太网帧， 是指该发生器可以产生物理层之上的任意通用或自定义协议的帧格式，而且帧 与帧之间对应字段的关系满足测试规定的填充算法，以形成整体的特定流量模 拟行为，满足测试要求。根据这样的要求，本设计核心硬件逻辑并没有采用传 统的基于状态机的协议逐层封装方式，丽是依据与数据帧并行置入硬件的字段 填充算法标示域对数据帧进行重新写入的创造性思路。由主机通过串口对 f p g a 和g p h y 的各工作参数进行配置，由f p g a 根据配置信息完成对帧的发 送和重填充。数据帧和帧闯隔的生成过程不需要软件的干预，保证了全线速的 发包。其架构具备较强的灵活性、移植性和可扩展性。 经验证，本平台可以在于兆和百兆速率模式下，以1 0 0 的链路利用率按照 命令精确生成和发送以太网流量，满足上述所有要求。该平台可用于基于以太 网的数传系统以及应用程序的测试，本文对一款l i n u x 捕包软件在不同帧长度 的情形下的捕包性能进行了测试，并指出了软件处理短帧的局限性。测试同时 也证明了本平台的高速性和灵活性。 关键词：千兆以太网，流量发生器，f p g a ，g p h y ，g m i i a b s t r a c t i i a b s t r a c t d u r i n gt h ep r o c e s so fd e v e l o p m e n to fl a r g es c a l es e n s o rn e t w o r k ，w en e e da h i g h l yc o n f i g u r a b l e a n ds c a l a b l ee t h e m e tt r a f f i cg e n e r a t o rt h a tc a np r o v i d e e m u l a t i o no ff r a m et r a f f i ci nr e a ld a t aa c q u i s i t i o n ，i no r d e rt oc a r r yo u ts p e c i f i ct e s t l i k e f u n c t i o n a l l y c o r r e c ta n dt h r o u g h p u tc a p a c i t yo ft h en e t w o r ko rn e t w o r k a p p l i c a t i o n s t h et r a f f i cg e n e r a t o rs h o u l db ea b l et oc h o o s et h es p e e d ，a d j u s tt h e f r a m el e n g t h ，i n t e r f r a m eg a pa n dt h ef i l l i n g a l g o r i t h mo fe a c hf r a m ef i e l d t h e c u r r e n t l ye x i s t i n gs o l u t i o n sa r em o s t l ys o f t w a r e b a s e d ，w h i c h1 a c k sp r e c i s i o n 。t h e r e a r es o m eh a r d w a r e b a s e ds o l u t i o n st h a to r i e n t e dt o w a r d st h em a r k e t 。t h e i rp r i c ea n d l a c k n e s so ff l e x i b l i t yr e n d e rt h e mn o ts u i t a b l ef o rl a b o r a t o r yu s e i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，at r a f f i cg e n e r a t o rb a s e do nf p g aw a si n t r o d u c e d t om e e t t h en e e do ft e s t i n g ，e m u l a t i o no fa n yf o r mo ft r a f f i cc a l lb eg e n e r a t e d t h ef r a m ec a n b ea n yt y p eo fp r o t o c a ld e f i n e da b o v et h ep h y s i c a ll a y e r , a n dt h ec o n t e n to fe a c h f i e l d sd e f i n e di nt h ep r o t o c a la r ec o m p l i a n tw i t hr e g u l a rp a t t e r n s 。c o n s i d e r i n gt h o s e r e q u i r e m e n t s ，t h eb a s i cm e c h a n i s mo fr e f i l l i n ge a c hf r a m ef i e l da c c o r d i n gt oi t s r e f i l l i n ga l g o r i t h mp a t t e r nf i e l dw h i c hw o r k sa sc o n f i g u r a t i o nd a t at h a ti sp a r a l l e l w i t ht h ef r a m e ，i n s t e a do ft h ec o n v e n t i o n a lw a yo fe n c a p s u l a t ee a c hf i e l da c c o r d i n g t of i x e dp r o t o c a ll e v e l s a f t e rc o n f i g u r a t i o nt ot h e p l a t f o r mt h r o u g hs e r i a lp o r t i n t e r f a c e ，t h ef p g aw i l ls t a r tt r a s m i t t i n gf r a m e sa n dg e n e r a t i n gi n t e r f r a m eg a p s c o n t i n u o u s l yw i t h o u tt h ei n t e r v e n t i o no fs o f t w a r e ，s ot h a tf u l ll i n e s p e e d i s g u a r a n t e e d a r c h i t e c t u r eo ft h ed e s i g ni sh i g h l yf l e x i b l e ，d e p l o y a b l ea n ds c a l a b l e t h i sp l a t f o r mc a nr e a c h10 0 o fl i n k u t i l i z a t i o n ，g e n e r a t i n gf r a m e sa n d i n t e r - f r a m eg a p st h a ta r ef u l l yp a r a m e r i z e di ne i t h e r10 0 b a s eo f10 0 0 b a s em o d e ， t h i sp l a t f o r mc a l lb eu s e di nt h et e s to fe t h e r n e ta n d a p p l i c a t i o n 。i nt h i sd i s s e r t a t i o n w ea l s oc a r r yo u tt e s to fal i n u xp a c k e tc a p t u r i n gs o f t w a r e ，t os e ei t s a b i l i t yu n d e r d i f f e r e n tf r a m el e n g t h ，a n da n a l y s i so ft h ei n f e r i o r p e r f o r m a n c eo fs o f t w a r ei n d e a l i n gs h o r tf r a m e s t h i st e s ta l s op r o v e st h ec a p a b i l i t yo fh i g h s p e e dg e n e r a t i o n a n d f l e x i b i l i t yo ft h ep l a t f o r m k e yw o r d s ：g i g a b i te t h e r n e t ，t r a f f i cg e n e r a t o r ，f p g a ，g p h y ，g m i i i i i 目录 - 一一 i v 一 旦茎 一一 一一一 目录 u n i v e r s i t yo fs c i e n c ea n dt e c h n o l o g yo fc h i n a i ad i s s e r t a t i o nf o rm a s t e r sd e g r e e 。i 摘要。i a b s t r a c t i i i 第l 章绪论l 1 1 引言j 。l 1 2 论文的结构安排3 第2 章目前国内外关于网络流量发生器的研究5 2 1 流量仿真在通信网络测试中的意义5 2 2 流量发生器的分类一5 2 。3 软件实现的流量发生器6 2 , 4 硬件实现的流量发生器9 2 4 1 企业级别的产品1 0 2 4 2 一些基于f p g a 实现方案1l 2 5 地震采集系统测试对流量发生器提出的要求1 2 2 5 j 、结1 3 第3 章设计实现l5 3 1 设计思路15 3 1 1 硬件数据结构的考虑1 5 3 1 2配置方式的考虑1 7 3 1 3 系统总体工作流程19 3 2 硬件平台与接口介绍1 9 3 2 1 主要器件1 9 3 2 2 硬件接口介绍21 3 , 3 f p g a 逻辑介绍2 9 3 3 1 f p g a 开发环境2 9 3 3 2 顶层逻辑端口3 0 3 3 3 配置模块3 0 3 3 4时钟管理模块3 6 3 3 5 数据生成模块3 8 3 3 6 发送模块4 3 3 。4 软件部分介绍4 4 3 4 1 开发环境4 4 3 4 2 软件功能和流程4 5 v 目录 3 5 小结4 9 第4 章仿真与验证51 4 1 逻辑仿真51 4 2 系统验证5 2 4 - 3 测试应用5 3 4 4小结5 4 第5 章总结与展望5 5 5 1总结与创新点5 5 5 2对本设计的展望5 5 参考文献5 7 致谢6 l 在读期间发表的学术论文与取得的研究成果6 3 v l 竺坚l 型一一 的数据用于后续的计算处理。由于有线网络的高数据率和实时性特点，高速传 输节点之间的数传采用有线方式( # l i i ，2 0 1 0 ) 。例如我们的交叉线数据传输采 用1 0 0 0 b a s e 以太网，而大线数据传输采用i o o b a s e 以太网。网络传输有上行 和下行两个方向，从主机出发的方向为下行方向，此方向的数据主要是主机的 控制命令，对传输带宽需求较小；而从较低级节点出发朝向主机的方向为上行 方向，主要是各节点实时采集来的数据，对传输带宽的要求较大( 谢明璞，2 0 11 ) 。 以太网是由i e e e 8 0 2 3 标准规定的目前应用最广泛的局域网技术，最早于 1 9 8 0 年由d e c 、i n t e l 和x e r o x 公司( d i x 联盟) 联合开发出了1 0 m b s 的以太 网标准。最初的以太网采用共享的介质，基于载波多路侦听冲突检测 ( c s m 刖c d ) 的介质访问控制协议。随着数十年来网络容量的迅速增长，1 9 9 1 年1 9 9 2 年期间，g r a n dj u n c t i o n 公司开发出速度达到1 0 0 m b s 的以太网，随后 出现的快速以太网标准( i e e e 9 5 ) 。1 9 9 6 年，i e e e s 0 2 3 成立了标准开发任务组， 1 9 9 8 年通过了千兆以太网的标准( i e e e 9 8 ) 。2 0 0 2 年又通过了万兆以太网的 i e e e 8 0 2 3 a e 2 0 0 2 标准。2 0 1 0 年，通过了i e e es t d8 0 2 3b a 规范了4 0 g b i t s 或 l o o g b i t s 数据速率的以太网。 i e e e 8 0 2 3 规定了以太网的帧格式，包括前导( p r e a m b l e ) 、目的地址 ( d e s t i n a t i o na d d r e s s ) 、源地址( s o u r c ea d d r e s s ) 、类型或长度域( l e n g t h t y p e 、 数据及填充域( d a t a p a d d i n g ) ，以及帧校验序列( f r a m ec h e c ks e q u e n c e ) 。 表1 1i e e e 8 0 2 3 以太网帧格式 前导目的地址源地址类型长度数据及填充帧校验 8 字节6 字节6 字节2 字节4 6 1 5 0 0 字节4 字节 以太网帧前导共有8 个字节，包括前一个字节的前同步码0 x 5 5 和最后一个 字节的帧起始标志0 x d 5 ( s t a r to ff r a m ed e l i m e t e r ) 。这样串行发送的前导将成 为6 2 个l 和0 交替的比特流，最后2 位则是两个1 ，标志帧起始。最初的d i x 以太网中规定前导是物理层封装，而在i e e e 8 0 2 3 中，前导被定义为数据链路 层封装。 目的地址和源地址均包含6 个字节。目的地址指明帧的目的站点，可以是 单个地址也可以是组播地址。源地址一般是单播地址。 长度或类型域包含两个字节。最初d i x 规定的以太网帧中这一字段只表示 指明高层协议的类型。在1 9 8 3 1 9 9 6 的i e e e 8 0 2 3 帧格式中，这一字段改为表 示数据域的有效字节数，但无法表示类型。在1 9 9 7 年的i e e e 8 0 2 3 协议中，这 一字段被改为类型或长度域。由于数据域长度的最大值是1 5 0 0 ，而1 5 0 1 6 5 5 3 5 的值可用来标示类型。从此以太网使用这种混合的帧格式。 数据域封装了通过以太网传输的高层协议信息。由于c s m a c d 的限制， 垄! 兰! 璺! 垦一一 一 它不能小于某个最小长度。如实际数据不到4 6 字节，则高层必须为其填充至 4 6 字节。上限则是人为设定为1 5 0 0 字节。 帧校验序列是4 个字节，对从目的地址到数据域结束部分计算校验和。采 用循环冗余校验法( c r c ) ，大端编码。 由于地震仪器采集汇总的数据量较大，这样就对实时性提出了较高的要求。 这样的大型仪器设备的开发过程，一般是采取统一设计顶层、相对独立地开发 各个子系统、对各部门协同操作的项目管理手段。需要通过统一定义的专用接 口以及通信协议形成各子系统之间的互连，从而保证项目的开发过程顺利进行 ( t r u e b e n b a c h ，2 0 0 5 ) 。为了保证数据高速、高效、可靠地在系统中传输。在 我们的系统之上，我们设计了私有通信协议。规定了各节点通信和响应的机制。 命令帧和数据帧均基于类以太网的帧结构，除基本的源地址、目的地址和协议 类型之外，还有其余的自定义字段。 关于通信网络有很多手段对其性能进行测试，产生仿真的数据流量就是其 中一种。各种用于通信网络测试的流量发生器根据自己的需要设定网络分组的 概率分布、有效载荷类型等参数产生测试目标网络产生模拟的帧流量，以测试 其性能指标。除了r f c 2 5 4 4 建议的网络测试基准指标：吞吐量、时延、丢包率 和背靠背帧外( b r a d n e r & m a c q u a i d ，1 9 9 9 ) ，我们还需要测试系统高级节点或 应用的数据处理和交换能力。结合传感器网络结构及其数据特点，通用的流量 发生器并不适用于我们的测试。我们需要一款高速的硬件平台以产生可任意自 定义填充内容、长度的以太网帧流量，用于我们的系统测试。 1 2 论文的结构安排 本论文以设计一款高速任意配置以太网帧流量发生器为核心，总体上分为 四大部分：背景介绍、实现、测试与应用、总结与展望。 第l 章作为绪论，介绍了本论文选题背景，本研究的意义与目的。 第2 章介绍了国内外相关研究进展，对其进行总结；根据地震仪器数传网 络测试的特殊需求，提出了对本平台的设计要求； 第3 章介绍整个平台的硬件和软件开发环境，以及设计思路。进而展开介 绍设计各模块的具体实现； 第4 章对本设计的各个模块进行仿真和测试，以及使用本流量发生器对某 网络程序的测试实例。验证本设计的性能； 第5 章总结了本设计的设计思路、方法和意义，并为流量发生器未来进一 步升级拓展提出了设想。 第2 章 目前国内外关于网络流量发生器的研究 4 第2 章目盟里堕之! 苤王塑鳌鎏量垄圭登塑型! 塞一 一一 第2 章目前国内外关于网络流量发生器的研究 2 。1 流量仿真在通信网络测试中的意义 流量仿真是一种很重要的网络测试手段。通过产生模拟真实的网络流量， 可以对网络的很多性能指标进行测试和评价，有助于更优化地设计网络协议及 拓扑结构。同时用流量仿真，也可以在密集压力下给出服务器、路由与交换等 硬件以及对响应和吞吐能力要求较苛刻的网络服务性能的可靠评价依据。 另一方面，流量仿真对于安全领域的测试有重要意义。目前采用在网络中 恶意攻击的手段越来越多。采用流量发生器模拟大量攻击的数据包，可检验系 统代码的抵御能力或漏洞，在网络防御等应用的测试中也发挥着不可替代的作 用。 对于互联网，近十年来接入互联网的主机呈指数型增长、网络应用也迅速 发展，使得互联网的网络流量迅速增加。加上搜索引擎、即时通信、i p 电话等 业务的出现，使得网络流量的特征也越来越复杂。 互联网流量的自相似特性：某过程的自相似性可以理解为多个过程累加后 仍然保持原来过程的突发性，也即差异性收敛较慢。最早使用无记忆的p o i s s o n 流和队列理论对传统电话网络的网络性能进行建模分析，取得了不错的效果。 但是这套路论并不适用于分组交换网络中。( p a s x o na n df l o y d ，1 9 9 5 ) 对大量网 络流量进行分析后指出，p o i s s o n 模型不再适用于w a n ，而代之以突发性更强 的自相似特征。产生自相似特征的原因来源于报文大小的重尾分布( c r o v e l l a e t a n db e s t a v r o s ，19 9 7 ) 。 2 2 流量发生器的分类 流量发生器按实现形式可以分为基于软件的流量发生器和基于硬件的流量 发生器两种。基于软件的解决方案主要是在p c 平台上利用协议a p i 或驱动支 持的库实现，大多是免费和开源，用于实验室测试。而基于硬件的解决方案的 核心封装数据包的功能是硬件实现的，要更精确，具备更优秀的性能。硬件集 成方案基本上是由企业开发，用于工业测试用，这类产品往往价格昂贵。 按照测试目的分类，可以分为用于网络及网络应用性能测试评估、攻击防 御系统的测试评估等类型。 按照在网络中工作的层次来分，目前的流量发生器又可以分为： 羔坚塑萱垦堕! ! 菱王旦堑鎏量垄竺堡塑婴塑 ( 1 ) 应用层次的流量发生器。工作在应用层的流量发生器主要模拟特定 网络应用程序的行为。例如s u r g e ，它可以通过模拟数百个w e b 客户 端和服务器端之间的交互而产生相应的网络流量。 ( 2 ) 数据流层次的流量发生器。专门用于当需要仿真基于流的真实流量 时的测试。例如h a r p o o n ( s o m m e r s ，2 0 0 5 ) ，它使用了一系列可自动 从思科n e t f l o w 提取到的统计参数。 ( 3 ) 分组层次的流量发生器。主要指基于帧间隔和帧长度作为参数的流 量发生器，典型的用法是用户分别设定这两个参数满足一定的统计 分布，用来测试相关网络。很多流量发生器都属于这一类，而且它 们还可以用作测量工具( 比如通过记录每一个分组经历的延迟和抖 动) 。这一类的流量发生器主要分为两类1 ) 不生成标准套接字产生的 分组，还可以封装第二层往上的所有包类型；2 ) 用于带宽测试。第一 类的例子有b r a w n y 和r o b u s t 流量引擎( b r u t e ，2 0 0 7 ) 、实时u d p 数据发送器( r u d e ) ，它们工作在内核空间，针对网络处理器架构 的p k t g e n 和i x p k t g e n 等等。第二类的例子有i p e r f ( n l a n w d a s t ，2 0 0 8 ) 和n e t p e r f ( j o n e s ，2 0 1 1 ) ，它们的任务主 要是生成尽可能多的流量，以测试网络性能。但严格地说他们往往 并不叫做流量发生器，因为它们不能根据操作者的要求产生特定内 容的流量。 ( 4 ) 多层次的流量发生器。这一类的流量发生器将协议栈各层之间的交 互( 如用户、会话、连接和网络特征等) 考虑在内，例如s w i n g ( k v i s h w a n a t h ，2 0 0 9 ) 。这一类应用的复杂性太高，主要是商业产 品，较少用于实验研究中。 2 3 软件实现的流量发生器 目前在网络领域用于实验室测试的大部分还是软件的平台，不仅由于其经 济型，更多也是因为其灵活性。主要表现在： ( 1 ) 易于移植到多节点的流量仿真测试，通过复制产生分布式的情形。 ( 2 ) 可以为了某在一专门的研究目的而方便快捷地改变和扩展代码，增加新 的功能、统计模型等，支持新的软件和硬件平台。 ( 3 )可以在真实的操作系统和网络协议栈之上对某些测试目标进行更加真实 的实验和测试。 大部分可用的开源软件流量发生器都是基于l i n u x 平台开发的，不管是基 6 第2 章旦堕里塑! ! 菱王塑丝亟量垄生墨塑婴窒 一。一。 于l i n u x 内核模块还是用户空间开发的工具。相对于内核模块，用户空间工具 在性能上存在局限性，因为内核模块绕过内核的网络子系统，直接操作于网络 驱动。例如基于内核的一款工具k u t e 就是基于内核模块的一个例子。k u t e 可以发送u d p 包，大约可以在于兆以太网达到4 1 。4 的链路利用率。用户空间 的工具的例子有r u d e c r u d e ，多重发生器( m g e n ) 和因特网流量发生器 ( d i t g ) 等等。 t g 是采用一种特别的语言控制，从而可以配置和制定各种参数和功能的包 发生器。支持t c p 和u d p 协议，单播或多播地址。 m g e n 指的是m u l t i g e n e r a t o r ，是由美国海军研究实验室开发的开源软件。 它可以产生t c p 和u d p 流量对i p 网络性能进行测试和评估，采用脚本驱动工 作模式。还可以用在n s 2 和o p n e t 等网络仿真环境中( n a v a lr e s e a r c h l a b o r a t o r y ，2 0 11 ) 。 r u d e 指r e a l t i m eu d pd a t ae m i t t e r ，c r u d e 代表c o l l e c t o rf o rr u d e 。是 t a m p e r e 理工大学开发产生和测量u d p 流量的工具套件。是用于实验室测试的 工具。其配置界面和m e g n 相似，但增强了m g e n 的时间分辨率( l a i n e ，2 0 0 2 ) 。 d i t g 指d i s t r i b u t e di n t e r n e tt r a f f i cg e n e r a t o r ，由a v a l l o n e 等人开发。它基 于一个分布式的架构，相比于以上平台提供了更强大的功能和性能。可以通过 配置使得帧间隔和帧长度满足各种分布的参数( 指数、统一、柯西、正常等) 。 可以在网络层、传输层和应用层产生流量，支持i p v 4 和i p v 6 ( a v a l l o n e ，2 0 0 4 ) 。 d i t g 可以进行单向延时( o n e w a y d e l a y ) 和往返时间( r o u n d 。t r i p t i m e ) 的 测量，以及抖动和吞吐量的测量。另外其发送端还可以通过远程方式进行控制， 即发送端可以以守护模式开启，等待相关指令生成相关流量。在1 0 2 4 字节的包 长度情况下对一组u d p 流量进行测试，生成包的速率可以达到7 5 0 0 0p k t s ，非 常接近理论值。 b o t t a 等人对以上几款软件的流量发生器进行了性能测试对比，测试在安装 了l i n u x 2 61 5 的奔腾i v 机器上进行，主机继承了p c i 以太网卡。测试中关闭 了包括x w i n d o w s 在内的所有不必要进程( 但显然，仍然有操作系统级别的进 程在竞争资源) 。如图所示。左图采用最小包长度测量发包率，右图采用最大包 长度测试比特率。从左图可以看出其余三种程序均在7 0k p a c k e v s 时偏移理论 线，而表现最好的d - i t g 在1 3 0k p a c k e t s 时亦偏离了理论值。至于右图的比特 率测试，四种软件均在5 0 0m b s 左右时偏离了理论值。也由此可以看出软件的 流量发生器和硬件流量发生器在性能上的差距( b o t t a ，e ta l 。2 0 0 8 ) 。 第2 童旦煎里堕叁茎主塑堑鎏至茎生墨塑里! 壅 一 。 情况下，链路利用率只能达到1 8 8 ，对于1 5 1 8 字节的最长帧，链路利用率可 以达到9 9 。 除了以上介绍的设计之外，国外不错的软件流量发生器还有n e t w o r kt r a f f i c g e n e r a t o r ( s a n d i l a n d s ，2 0 0 9 ) 、b i t t w i s t ( y e o wc h i nh e n g ，2 011 ) 等。 国内方面，相关基于软件的解决方案基本上是非商用的流量发生器。其中 软件实现的占大多数。例如谭敏生等人开发了基于l i n u x 的i p 网络数据包发生 器( 谭敏生，2 0 0 6 ) ，也是按照协议层次在网络层以上对数据包进行封装。张楠 等人开发了基于a c t i v e x 的通用网络包发生器，基于c o m 和a c t i v e x 技术，利 用l i b n e t n t 动态链接库开发。不仅可以在i p 层上构造数据包，还可以在数据 链路层直接构造a r p r a r p 包( 张楠，2 0 0 6 ) 。刘武等人基于o n o f f 模型和 p a r e t o 分布以软件实现了以太网流量的自相似性以及长相关性，可产生的最大 速率为3 1 2 5 m b s ( 刘武，2 0 0 4 ) 。 如果想要做到直接在底层封装数据包发送，需要可以访问底层驱动的库支 持，例如l i b p c a p 库al i b p c a p 库即p a c k e tc a p t u r el i b r a r y ，大部分的网络监控软 件都基于它实现。该库为不同平台提供了一直的c 函数编程接1 ：1 以捕获网络数 据包，基于l i b p c a p 库编写的程序可自由地跨平台使用。在w i n d o w s 下类似的 包为w i n p c a p 。沈利香开发出了一款基于w i n p c a p 的数据包发生器，可以将网 卡上捕获的包修改后发送，也可以封装自定义数据内容。具备一定的灵活性， 可以在多种网络测试、分析和安全测试环境下使用( 沈利香，2 0 0 8 ) 。刘锋等人 开发了基于w i n p c a p 的模拟入侵行为以评估入侵检测系统( i d s ) 的网络流量 仿真系统( 刘锋，2 0 0 4 ) 。但只能通过t c p d u m p 捕获网络中的流量，根据用户分 析选择进行回放，而且工作速率也不高，只能工作在io m 带宽下。 张伟等人实现了基于v x w o r k s 的嵌入式流量发生器，提供帧类型、帧长度、 流量速率、是否广播和i p 地址等5 个输入参数。采用自适应算法和多任务机制 解决流量精度控制和速度问题。一个任务负责发送帧，另一个负责插入时间间 隔。精确性上可以将误差控制在3 以内。但由于此发生器受限于c p u 的处理 能力，因而只达到5 m b s ，因而需移植到更强的c p u 才有可能获得更高速的流 量( 张伟，王婉南2 0 0 4 ) 。 2 4 硬件实现的流量发生器 和软件流量发生器相比，硬件的设计可以将数据包按独立的单元处理，采 用专用的缓存。填充和复制包内容对于软件操作来说是较大的开销，但对于硬 件来说可以定制独立的架构避免软件的c p u 占用率等局限性产生的问题。 蔓生业堕里堕丝茎三堕竺鎏量垄竺登塑婴壅 2 。4 。1 企业级别的产品 硬件的流量发生器是商用产品的主流，它们提供更全面、更高速、更精确 的功能可以用于模拟各种网络流量的真实情形。当今的网络时刻承载者各种混 合流量类型，如声音、视频和数据信息。例如s p i r e n t 公司、i x i a 公司和a g i l e n t 公司等企业的产品。 s p i r e n t 公司是通信测试测量和服务保障解决方案的领先者，其产品世界各 大通信设备提供商用来评估最新技术与设备的性能。他们的网络测试产品覆盖 宽带网络、融合网络、下一代互联网、无线通信和企业网络等。其中流量仿真 系统可用于在静态或动态状态下验证交换机、路由器和边沿器件，测试时间可 以是数分钟、数小时或数天。可以对网络在实验室中移植到实际网络之前对其 功能进行测试和排除故障。可对于关键性能参数，如单位流量q o s ，连接控制 列表、相邻失败时间，以及过滤性能。结合s p i r e n tt e s t c e n t e r 的补充协议包， 可以模拟复杂的网络拓扑和流量状态。 i x i a 公司是一家为基于i p 网络设施和业务提供性能测试系统的供应商。他 们的流量发生器可以验证和测试各个网络层次的交换设备，。可以在万兆以太网 多端口进行双向的包长度递增的吞吐测试，并且同时对被测网络进行服务质量 ( q o s ) 测试。可以在当今采用各种技术的网络上进行测试，例如v o i p 、宽带、 i p t v 等等。并且他们的流量发生器产品看起来与正常的网络交换设备没有区 别，可以与被测交换设备并排放置。 i x i a 的产品具备分析能力，会自动对统计数据进行分析，甚至给出那种情形 下数据需要重新测试。由于可以对多个端口进行使能配置，可以组合多个流量 发生器，加上其高性能的c p u ，使其具备较强的可裁剪性和高密度聚合测试能 力，使其在资源密集型的缓和服务应用的测试验证中表现出色( i x i a ，2 0 1 1 ) 。 a g i l e n t 公司推出的网络测试仪可以对4 至7 层网络协议进行测试，可以在 现代网络中进行真实、经济、高效、的安全、性能和压力等方面的测试。为网 络设备制造商和服务提供商验证设备的实际性能和可扩展性，确保网络业务的 安全和可用性。其特性包括：超过2 1 种用于真实测试的本地支持数据、语音和 视频应用协议、包括i p s e c 、p p p o e 、d h c p 和v l a n 用于真实用户仿真的网络 接入协议、用于安全强化测试的完整d o s 攻击、网络使用、流量减损和病毒 蠕虫仿真，以及用于专门网络应用测试的智能状态捕捉和重放。 还有x 仃a m u s 公司的n u s t r e a m s 系列。可以在多端口同时全线速产生和分析 第2 层到第7 层流量。可以产生单发或突发的连续流量。 此外还有公司开发出一些较轻量级，但简易便携且满足一般测试需求的商 用产品。 1 0 第2 章目堕垦堕2 1 菱王堕鳌鎏量垄竺量塑婴窒一 一一。 p r o v a s 的测试系统t g l 0 0 0 可以生成全线速可控的数据包，可以捕获和重现 诸如v o i p 或i p t v 的数据流而不影响其质量( p r o v a s ，2 0 0 9 ) 。不仅可以用于各 种网络测试，还可以通过建立与大量b g p 路由器的连接和发送各种b g p 消息 来模拟b g p 协议。 a l l 。y 的产品n u d o g 系列，是轻量级的千兆以太网或网络设备的测试工具 ( x t r a m u s ，2 0 1 1 ) 。支持快速以太网铜线、千兆以太网铜线、和千兆以太网光 纤三种网络环境。可提供实时流量统计、灵活帧填充和捕获、q o s 优先级队列， r f c 2 5 4 4 测试等。可以与s p i r e n t 、i x i a 和n u s t r e a m s 等专业设备兼容。具有4 0 0 n s 的测量精度。使用u s b 充电，比较便携。 r s i g n i a 的p a c k e t j e t 也是一款比较优秀的包生成器，具备灵活可变的配置接 口( r s i n g n i a ，2 0 1 0 ) 。它提供了友好直观的p c 端用户界面，方便用户配置操 作，很容易上手。在其他产品只能进行有限固定的几种测试模式的s o n e t 网 络，它可以直接同步产生测试模式。它的架构决定了其很容易添加新的网络拓 扑，从而可以产生无线、以太网、p p p 以及更多的网络测试模式。 2 。4 。2 一些基于f p g a 实现方案 欧洲核子中心( c e r n ) 开发出了基于s t r a t i xi vf p g a 的万兆以太网流量 发生器，可以灵活地产生大型强子对撞机底夸克探测器( l h c b ) 的数据帧，以 适应升级的l h c b 的d a q 系统速度( l e m o u z ye ta l ，2 0 1 1 ) 。既可以内部产生数 据包，也可以由网络从外部存储读取。他们实现了一个轻量级的工业标准协议 以太网之上的a 队( a o e ) ，以及自定义文件系统实现分布式磁盘存储。另外 c e r n 的c i o b o t a r u 等人也开发了基于f p g a 的高度可定制的千兆以太网流量生 成工具( c i o b o t a r u ，) ，用于a t l a s 数据采集系统的测试。 斯坦福大学的c o v i n g t o n 等人开发了基于n e t f p g a 开发平台的包生成器， 发送呃数据在标准p c a p 文件中定义，进而转送到n e t f p g a 卡上的本地存储， 然后可以在四个千兆以太网端口同时以线速发送i n t e r n e t 分组，速率精确、包延 迟和循环次数可控( c o v i n g t o ne ta l ，2 0 0 9 ) 。n e t f p g a 是一款用于开发的网络加 速平台，可以快捷地开发硬件加速的包处理应用程序。 同济大学的唐杰敏开发出的基于f p g a 的流量发生器，其设计目的是针对 n p 3 网络处理平台环境进行