（计算机系统结构专业论文）三层交换机性能测试技术研究.pdf

摘要 网络设备测试可主要分为功能验证测试和性能组网测试两类。从现有统计数 据看，实际应用中出现的问题绝大多数是性能问题，因此性能测试对于网络设备 更具重要意义。本文主要研究三层交换机性能测试方法。首先，根据r f c 标准的 定义，给出了本文主要针对的测试内容，包括吞吐量、丢包率、时延以及背靠背。 然后，在分析目前公认测试方案的基础上，设计并实现了基准性能测试方案；通 过分析基准性能测试方案测试拓朴单一、包长固定、包类型单一、包间隔固定以 及地址数唯一等缺陷对交换机性能的影响，设计并实现了增强型性能测试方案， 并对两种测试方案的结果进行对比来印证前面的分析。 关键词：三层交换视性能测试 a b s t r a c t t h en e t v v o r ke q u i p m e n tt e s t i n gc a nb em a i n l yd i v i d e di n t of u n c t i o nt e s t j n g 锄d p e r f o 肿a j l c et e s t i n g b u t 丘d mt 1 1 ep r e s e n ts t a t i s t i c a ld a t a m o s tp r o b l e m se x i t i n gi 1 1 t i l a l 印p l i c a t i o n 缸cr e l a t e d1 i t l lt 1 1 ep e r f b 皿a n c e ，t i m s 也ep e r f b n i l a n c et e s t i n gi s m e a n i n g 如lt on c t w o r kd e v i c e s i i lt l l i sp l p e rw em a i l l l y 咖d ym ep e r f b n n a n c et e s t i n g m e t h o d so ft h el a y e r3 刚t c h f i r s t l y a c c o r d i n gt o 廿l er f cc 毗d o n sd e f m i t i o nw e m a k eal j s to ft l l et e s 血】ge n yw h a tt l l i st e ) ( ta i m sa t ，i i l c l u d i n gt h et 1 1 r o u g h p u t ，f r 锄e l o 嚣m t e ， l a t e l l c y 锄db k t o - b a c k胁e s t h w ed e s i 驴锄dr e a l i z et l l e b e n c h m a r “n gm e t h o d o l o g yb 够i n go nt h e l ( 1 1 0 w l e d g e dm e 血o d o l o g y 锄dt l l r o u 曲 a l l a l y z i n gt 1 1 ei n n 嗽= n c e o ns w i t c hp e d - o n n a n c et h a ta c t e db yt l l es h o r t a g eo ft h e b e n c 胁a r k j n gm e t l l o d o l o g y ，w ep l 柚觚dr e a l i z ct t l ee i l l l 卸c e d 耐o n n a i l c ct e s t i n g p r o j e c t t h es h o n a g em a i l l l yi n c l u d e st 1 1 es i t i 甜et e s t i l l gt o p o l o g y ，t i i ef i x e dl e n g 廿lo f p a c k e t 锄di n t e l v a lo ft l l ep a c k e t ；t l l ea i o n ea d d r e s sn 岫b e r 锄d a i m i n ga tt l l o 辩 s h o n a g e s ，a n dt h e nw eu t t l ed i 丘音r e mr e s u l tc r e a 伽b yt h et w od i 丘b r e mt e s t i l l g m e t l l o d st 0c 0 娟皿m ep r e v i e wa n a l y s i sr e s u l t k e y w o r i l ： l a y e r3s w i t c h p e 响咖a 亿t i n g 创新性声明 本人小i l j j i j n l 交沦殳是我个人存导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知除了文节特；i jj j 乃以杯沽和致跚中所罗列的内容以外，论文中不 包含其他人已经发表或撰写过的叫宄成果：也不包含为获得西安电子科技大学或 其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作过的同志对本研究所 做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 中清学 本人签名： 奂之处本人承担一切相关责任。 闩期 关于论文使用授权的说明 陟，7 九髟 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的舰定，即：研究生 在校攻读学位葵月问论丈工作的知识产权单位属西安电子科技大学。本人保证毕业 离校后发表论文或使用论文工作成果时署名单位仍然为西安电子科技大学。学 校有权保留送交论文的复印件。允许查阅和借阅论文：学校可以公布论文的全部 或部分内容，可以允许采用影印、缩印、或其他复制手段保存论文。( 保密的论文 在解密后遵寸此规定) 本人签名 导师签名 ，鑫逸r 肌，垣z ：碰 r 期 望乒! ：丝 第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题的背景 以太网技术由于其极佳的性价比和不断增强的业务能力，日益成为网络通信 领域的主流技术。这一趋势不仅仅表现在企业网、园区网等局域网，更是发展到 了运营商的城域网和广域网。作为网络互联的以太网交换机，无论在按入层、会 聚层还是核心层都充当了别的设备无法替代的重要角色。以太网交换机不断增长 的市场需求更是别的网络设备无法比拟的。正是这一庞大的市场发展空间驱使国 内外各设备制造商角逐以太网交换设备市场的生产销售。面对种类繁多、性能各 异的各种品牌以太网交换机，用户应从产品的各项性能指标上综合评估和挑选符 合组网需求的产品。 一般来讲，评价交换机的优劣要从总体构架、功能和性能三方面入手。 总体架构影响交换机设备的端口密度、端口支持的最高速率、交换容量等基 本性能，可以帮助用户从总体上把握该设备的定位和档次。 功能是最直接指标，对于一般的接入层交换机，q o s 保证、安全机制、支持 网管策略、生成树协议和v l n 都是必不可少的功能。但是如果仔细分析，在简 单的表象下还可以对某些功能进行进一步的细分，而这些细分功能正是导致产品 差晃的主要原因，也是体现产品附加值的重要途径。 性能是保障网络速度的主要标准。交换机的性能主要包括吞吐量、丢包率、 时延、背靠背、线头阻塞、背压、错误帧过滤、地址记忆能力、地址学习时间、 帧转发速率以及拥塞控制能力等项目。 本课题来源于中兴通讯股份有限公司南京研发中心数据事业部t 4 0 g 厂r 6 4 g t 1 6 0 g 系列交换机的实际测试需求。 l 2 课题的意义 测试是伴随着新技术的出现而产生的，新技术测试系统的出现又是该项技术 发展成熟的标志和推动此技术进一步发展的重要因素。当一种技术刚出现时，测 试系统、评估系统的作用并不明显，而一旦这种技术转化为产品，并且多个厂家 同时生产这种产品，测试系统就变得越来越重要了。 网络设备测试的发展经历了几个阶段。晟初，研究机构研制网络设备时，其 测试只是使用通用的测试手段进行调试和测试。当网络设备真正成为产品时，专 用测试设备的研制也就丌始了。随着测试技术的不断发展，各大厂家都建立了自 己的评测实验室，购买各种专用测试设备。与此同时，专门从事测试的第三方测 三层交莰机性能测试技术研究 试、评估机构也相继出现。这些完全独立于生产厂家和消费者的测试、评估机构 依靠其雄厚的经济基础、优良的测试环境、专业的测试评估技术以及权威的测试 报告很快发展成为网络设备测试中心和网络设备测试研究中心。各测试实验室分 工也越来越精细，有综合性实验室，更多的是专项实验室，有些实验室主要研究 协议测试，有些实验室专门进行基准测试。例如，美国n e wh 锄p s h 波大学的互 操作实验室( i o l 。i m e 而p e r a b i l 时l a b s ) 主要对各厂家的网络设备进行互操作和 一致性测试；隶属于美国国际标准和技术局的信息技术实验室( 1 t l ，j i l f o 】衄撕o n t e j h l o g yl a b o 嘶r y ) 主要进行0 s i 协议的一致性溅试；两网络设备基准测试实 验室包括硅谷网络实验室、l i g h ti 江a d i n g 测试机构、m i e rc 0 衄u i l i c a t i o l l s 公司和t 0 l l v 组织等，这些测试实验室都拥有系统的测试技术和高性能的测试平台。 进入2 0 世纪9 0 年代我国许多公司也开始踏入网络设备的研制和生产行列。 例如中兴、华为、大唐和联想等公司。近年来，由于网络设备的高利润，低端的 网络设备生产公司如雨后春笋般的发展起来。 但是由于我国的网络设备的研制和生产起步较晚，网络设备测试的研究就更 加滞后，目前，国内各生产厂家和两络设备评测机构所使用的设备凡乎全都由国 外进口，所使用的测试技术也完全由国外提供。针对网络设备的测试现状，许多 研究机构都投入了大量人力、物力进行研究，发展比较早的有信息产业部电信传 输研究所、清华大学、国防科学技术大学和中国科学院计算技术研究所等单位。 清华大学的协议集成测试系统( p i t s ，p m t o c o ii n t e g r a t e dr s t i n gs y s t e m ) 是“九 五”攻关项目，p i t s 可以同时提供端系统测试和中继系统测试。已经实现了t c p 、 u d p 、i p 、p p p 、i c m p 、s m t p 等协议的一致性测试套件。 国防科学技术大学的网络基准- 顼i 试系统t n b s 9 1 0 9 ，n e t w o r kb e n c h m a r 】c ；n 叠 s y s t e 巾) 是“8 6 3 ”研究项目。n b s 可以提供对交换机和路由器的性能基准测试，严 格遵循i 强c 1 2 4 2 、r f c 2 2 8 5 、r f c 2 5 4 4 、r f c 2 8 8 9 标准”j 。 虽然对网络设备的测试研究已经开始并取得了一定的成果，但是我国在网络 设备的研制和测试方面与国际的先进水平还有一定的时问差，在网络产品已经走 向成熟的今天，不仅要在产品研制上下大工夫，更要在测试领域投入更多的精力。 1 3 本文主要工作 网络设备测试可主要分为功能验证测试和性能组网测试两类。功能测试验证 设备是否支持声明的全部功能。而性能测试通常可以被看成是一种“压力测试”目 的是观察设备在业务压力下的表现，从现有统计数据看实际应用中出现的问题 绝大多数是性能问题，因此性能测试对于网络设备更具重要意义。 目前，性能测试的主要依据是r f c l 2 4 2 、r f c 2 2 8 5 、r f c 2 5 4 4 和i u c 2 8 8 9 等 第一章绪论 规范。其中定义了转发质量( f o 删i n gp e r f o n n a i l c e ) 、服务质量( q l l a j i t yo f s e r v i c e ) 、路由协议一致性( r o u t i n gp r o t o c 0 ic o n f o 珊a n c e ) 、可靠性( r e i i a b i l i t y ) 和可用性( 1 i s a b i l i t y ) 等性能指标。本文主要研究转发质量的测试方法，测试内容 包括吞吐量、丢包率、时延以及背靠背。 首先，在分析目前公认测试方案的基础上，设计并实现了基准性能测试方案。 基准性能测试方案以r f c 标准为依据，分析性能测试的基本原理，设计基本的性 能测试方法，并按照该方法对被测交换机进行基本性能指标体系的测试。 然后，通过分析基准性能测试方案测试拓扑单一、包长固定、包类型单一、 包间隔固定以及地址数唯一等缺陷对交换机性能的影响。设计并实现了增强型性 能测试方案。分别就选择不同的测试拓扑、选择变化的包长、选择多种类型的报 文、选择变化的包间隔、选择尽可能多的目的地址等几种不同情况进行分析及测 试，得出了被测交换机在更大压力情况下的性能参数指标，并根据测试数据对两 种测试方法进行比较分析。 1 4 以下各章安排 本论文主要分为六章，包括理论介绍、基准性能测试、增强型性能测试。 第一章绪论，简要介绍本文的研究背景、研究意义、主要工作、组织结构和 主要内容。 第二章概述部分，主要介绍三层交换机的相关知识，本文测试的目标：中兴 t 系列交换机，另外对测试理论与测试工具进行简要介绍。 第三章首先介绍了本文主要关注的性能参数，并给出了三层交换机应该达到 的参数指标。同时，在介绍现有测试方案的基础上，设计并实现了基准性能测试 方案，最后进行试验得出测试结果。 第四章分析基准性能测试方案测试拓扑单一、包长固定、包类型单一、包间 隔固定以及地址数唯一等缺陷对交换机性能的影响，设计并实现了增强型性能测 试方案，并对两种测试方案的结果进行对比来印证前面的分析。 第五章结束语，对本文的创新点和不足之处进行总结，并指出未来工作方向。 第= 章概述 第二章概述 2 1 三层交换机基础介绍 随着计算机以及网络的日益发展和普及，网络已经成为我们生活中的一部分， 网络的规模越来越大，速度越来越快。局域网的速度已从最初的1 0 m b i t s 提高到 1 0 0 m b i 以，千兆以太网技术也己得到普遍应用。 在网络结构方面也从早期的共享介质的局域网发展到目前的交换式局域网。 交换式局域网技术使专用的带宽为用户所独享，极大的提高了局域网传输的效率。 在网络系统集成的技术中，直接面向用户的第一层接口和第二层交换技术已经日 趋成熟，它们的发展现状令人满意。但是，作为网络核心、起到网间互连作用的 交换机技术却没有质豹突破。在这种情况下，一种新的路由技术应运面生，这就 是第三层交换技术。说它是路由技术，因为它工作在网络协议的第三层：说它是 交换技术，是因为它的交换速度非常快，几乎可以达到二层交换速度。 下面先简单介绍下0 s i 参考模型的分层机制，再对三层交换技术进行介绍。 2 1 10 s i 、t c p i p 参考模型 本文所描述的二、三层概念都基于o s i 参考模型。开放系统互联( o s i ) 参考 模型是1 9 8 4 年由国际标准化组织发布的，现在已被公认为计算机互联通信的基本 体系结构模型。o s i 采用了7 个层次的体系结构【2 】，如下图2 1 所示。 应用层 表示层 会话层 传输层 网络层 数据链路层 物理层 开放系统a中继系统开放系统b 7卜7 6卜+6 5r - 一 5 4_ 卜 4 3 一一叫 ， 卜_ 一+ 3 2 一一叫 z 卜_ 一+ 2 1 卜一一 l k 一 l j 物理媒体物理媒体 图2 1o s i 的七层网络体系结构 每层根据其功能，分别称为物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、 表示层和应用层。与本文相关的主要是二、三层，在下面进行简单介绍。 第二层数据链路层最主要的作用就是通过一些数据链路层协议，在相邻 节点的物理链路上建立数据链路。实现可靠的数据传输，从而保证数掘通信的正 6 三层交换机性能测试技术研究 确性。数据链路层的主要功能包括数据链路的管理、帧同步、差错检测和恢复、 信息流量控制、数据的透明传输、寻址等。 第三层网络层的任务是将数据信息从源端传输到目的端。从源端到目的 端可能要经过许多中继节点，也可能要经过好几个通信子网，这是网络层与物理 层、数据链路层的主要区别。网络层是处理端到端数据传输的最低层，具有路由 选择、拥塞控制等功能。 o s i 模型是理论上比较完善的体系结构，它的各层协议也考虑得比较周到，但 是由于种种原因没有得到实际应用。目前得到广泛应用的是t c p ，i p 模型和符合 t c p ，i p 模型的产品【3 1 。下面图2 2 给出0 s i 模型与t c p ，m 模型的比较。 应用层 表示层 会话层 传输层 网络层 数据链路层 物理层 应用层 不存莓焉 一不奇鸯：。羹 传输层 互联网层 主机一网络层 o s i 参考模型t c m p 模型 图2 2 0 s j 模型和t c p ，模型比较 t c m p 模型与0 s i 模型有不少区别，没有表示层与会话层，互联网层对应o s i 的网络层，主机一网络层对应0 s i 的数据链路层与物理层。 目前，t c m p 模型的各层已定义和开发了许多协议，组成了t c m p 协议簇。 t c p i p 模型与t c p i p 协议簇之间的对应关系如下图2 3 所示。 应用层 传输层 互联网层 主机一网络层 h t t p 、f t p 、 t e l n e t 、d n s 、 d h c p 、p o p 3 、 s n m p 、t f r p 、i u p 、 o s p f 、b g p 等 t c p 、u d p i p 、i c m p 、i g m p 、 a f u p 、r a r p 等 e t h e m e t 、t o k e nr j n g 、 p p p 、p p p o e 等 t c m p 模型t c p l p 模型 图2 3 t c m p 模型与t c 踟p 协议簇 第= 章概述 2 1 2 二层交换技术 二层交换机是数据链路层的设备，它能够读取数据包中的m a c 地址信息，并 根据m a c 地址来进行交换”j 。 交换机内部有一个地址表，这个地址表标明了m a c 地址和交换机端口的对应 关系。当交换机从某个端口收到一个数据包，它首先读取包头中的源m a c 地址， 这样它就知道源m a c 地址的机器是连在哪个端口上的，它再去读取包头中的目的 m a c 地址，并在地址表中查找相应的端口，如果表中有与这目的m a c 地址对应 的端口，则把数据包直接复制到这端口上，如果在表中找不到相应的端口则把数 据包广播到所有端口上，当目的机器对源机器回应时，交换机又可以学习目的m a c 地址与哪个端口对应，在下次传送数据时就不再需要对所有端口进行广播了。 不断的循环这个过程，对于全网的m a c 地址信息都可以学习到，二层交换机 就是这样建立和维护它自己的地址表。 2 1 3 路由技术 路由器是在o s i 七层网络模型中的第三层网络层操作的【”。 路由和交换之间的主要区别就是交换发生在o s i 参考模型的第二层数据 链路层，而路由发生在第三层网络层。这一区别决定了路由和交换在传送数 据的过程中需要使用不同的控制信息，所以两者实现各自功能的方式是不同的。 路由器内部有一个路由表，这表标明了如果要去某个地方，下一步应该往哪 走。路由器从某个端口收到一个数据包，它首先把链路层的包头去掉，读取目的 i p 地址，然后查找路由表，若能确定下一步往哪送，则再加上链路层的包头，把 该数据包转发出去；如果不能确定下一步的地址，则向源地址返回一个信息，并 把这个数据包丢掉。 路由技术其实是由两项最基本的活动组成，即决定最优路径和传输数据包。 其中，数据包的传输相对较为简单和直接，而路由的确定则更加复杂一些。路由 表中写入各种不同的信息，路由器会根据数据包所要到达的目的地，通过路由算 法选择最佳路径，把数据包发送到可以到达该目的地的下一台路由器处。当下 台路由器接收到该数据包时，也会查看其目标地址，并使用合适的路径继续传送 给后面的路由器。依次类推，直到数据包到达最终目的地。 而路由表的维护，也有两种不同的方式。一种是路由信息的更新，将部分或 者全部的路由信息公布出去，路由器通过互相学习路由信息，就掌握了全网的拓 扑结构，这一类的路由协议称为距离矢量路由协议：另一种是路由器将自己的链 路状态信息进行广播，通过互相学习掌握全网的路由信息，进而计算出最佳的转 8 层交换机性能测试技术研究 发路径，这类路由协议称为链路状态路由协议。 由于路由器需要做大量的路径计算工作，一般处理器的工作能力宜接决定其 性能的优劣。当然这一判断还是对中低端路由器而言，因为高端路由器往往采用 分布式处理系统体系设计。 2 1 4 三层交换技术 下面先通过一个简单的网络来看看三层交换机的工作过程f 6 】。 组网比较简单，如下图2 4 所示。 f k ：ld u tp c 2 圈2 4 三层交换组网图 比如p c i 要给p c 2 发送数据，已知目的i p ，那么p c i 就用子网掩码取得网络 地址，判断且的i p 是否与自己在同一阿段。 如果在同一网段，但不知道转发数据所需的m a c 地址，p c i 就发送一个蟓p 请求，p c 2 返回其m a c 地址，p c l 用此m a c 封装数据包并发送给交换机，交换 机起用二层交换模块，查找m a c 地址表，将数据包转发到相应的端口。 如果目的口地址不在同一网段，那么p c l 要实现和p c 2 的通讯，在流缓存条 目中没有对应m a c 地址条目，就将第一个正常数据包发送向一个缺省网关，这个 缺省网关一般在操作系统中已经设好，对应第三层路由模块。所以对于不是同一 子网的数据，最先在m a c 表中放的是缺省网关的m a c 地址：然后就由三层模块 接收到此数据包，查询路由表以确定到达p c 2 的路由，将构造个新的帧头，其 中以缺省网关的m a c 地址为源m a c 地址，以主机p c 2 的m a c 地址为目的m a c 地址。通过一定的识别触发机制，确立主机p c l 与p c 2 的m a c 地址及转发端口 的对应关系，并记录进流缓存条目表，以后的p c l 到p c 2 的数据，就直接交由二 层交换模块完成。这就通常所说的一次路由多次转发。 以上就是三层交换机工作过程的简单概括，可以看出三层交换的特点： 1 由硬件结合实现数据的高速转发 个具有第三层交换功能的设备是一个带有第三层路由功能的第二层交换 机，但它是二者的有机结合，并不是简单的把交换机设备的硬件及软件简单地叠 加在局域网交换机上。 从硬件上看，第二层交换机的接口模块都是通过高速背板总线( 速率可高达 几十g b i t s ) 交换数据的，在第三层交换机中，与交换机有关的第三层路由硬件模 第= 章概述9 块也插接在高速背板总线上，这种方式使得路由模块可以与需要路由的其他模块 间高速的交换数据，从而突破了传统的外接交换机接口速率的限制。 2 简洁的路由软件使路由过程简化 大部分的数据转发，如i p l p x 包的转发，除了必要的路由选择交由路由软件 处理，都是由二层模块高速转发；对于第三层路由：如路由信息的更新、路由表 维护、路由计算、路由的确定等功能，则是用软件来实现。这些路由软件大多都 是经过处理的高效优化软件，并不是简单照搬路由器中的软件。 2 1 5 三种技术的对比 由上可以看出，二层交换机主要用在小型局域网中，机器数量在二、三十台 以下，这样的网络环境下，广播包影响不大。二层交换机的快速交换功能、多个 接入端口和低廉价格为小型网络用户提供了很完善的解决方案。在这种小型网络 中根本没必要引入路由功能从而增加管理的难度和费用，所以没有必要使用路由 器，当然也没有必要使用三层交换机。 三层交换机是为i p 设计的，接口类型简单，拥有很强的二层包处理能力，所 以适用于大型局域网。为了减小广播风暴的危害，必须把大型局域网按功能或地 域等因素划分成一个一个的小局域网，也就是一个一个的小网段，这样必然导致 不同网段这问存在大量的互访，单纯使用二层交换机没办法实现网问的互访，而 单纯使用路由器，则由于端口数量有限，路由速度较慢，限制了网络的规模和访 问速度，所以这种环境下，由二层交换技术和路由技术有机结合而成的三层交换 机就晟为适合。 路由器的优点在于接口类型丰富，支持的三层功能强大，路由能力强大，适 合用于大型的网络间的路由，虽然不少三层交换机甚至二层交换机都有异质网络 的互连端口，但一般大型网络的互连端口不多。互连设备的主要功能不在于在端 口之间进行快速交换，而是要选择最佳路径，进行负载分担，链路备份和最重要 的与其它网络进行路由信息交换，所有这些都是路由完成的功能。在这种情况下， 自然不可能使用二层交换机，但是否使用三层交换机，则视具体情况而定。影响 的因素主要有网络流量、响应速度要求和投资预算等。三层交换机的最重要目的 是加快大型局域网内部的数据交换，揉合迸去的路由功能也是为这目的服务的， 所以它的路由功能没有同一档次的专业路由器强。在网络流量很大的情况下，如 果三层交换机既做网内的交换，又做网间的路由，必然会大大加重它的负担，影 响响应速度。在网络流量很大，但又要求响应速度很高的情况下由三层交换机做 网内的交换，由路由器专门负责网问的路由工作，这样可以充分发挥不同设备的 优势，是一个很好的配合。 0 三层交换机性能测试技术研究 2 2 1 产品概述 2 2 中兴t 系列交换机介绍 z x r l o t l 6 0 g 厂r 6 4 g ，t 4 0 g 是中兴通讯自主研发的以太网路由交换机，可用于 城域网的骨干层或汇聚层，也可作为大型企业网、园区网的骨干，汇聚三层交换机 川。 z x r l 0 t 1 6 0 g ，r 6 4 g ，r 4 0 g 提供快速以太网、千兆以太网、万兆以太网等接口， 并且支持所有端口l 2 几3 线速转发，能够满足日益增长的带宽要求。z x r l o t 1 6 0 g 厂r 6 4 g 厂1 、4 0 g 还支持多种单播和组播路由协议。 随着网络的发展，数据网上承载的业务种类也越来越多，这对网络设备的服 务质量保证、安全等方面都提出了更高的要求。z t l ot 1 6 0 叩6 4 g ，r 4 0 g 在q o s 和a c l 方面提供了丰富的策略和资源，保证了服务质量和系统安全。 作为骨干，汇聚层的重要交换节点，z t l ot 1 6 0 g 厂r 6 4 g ，r 4 0 g 具有电源模块、 控制和交换模块的热备份功能，适合于建设高可靠、大容量的网络。 2 2 2 功能介绍 z x r l 0t 1 6 0 g 厂r 6 4 g ，r 4 0 g 为标准1 9 英寸插箱式结构。 z x r l o t l 6 0 g 共有l o 个插槽，其中2 个为控制交换板槽位，8 个为线路接口 板槽位，如图2 5 所示。 图2 5z x r l 0 t 1 6 0 g 第二章概述 z x r l ot “g 共有6 个插槽，其中1 个为控制交换板槽位，4 个为线路接口板 槽位，还有一个槽位可根据需要插拧制交换板或线路接口板，如图2 6 所示。 图2 6z ) 汛1 0 t h g z t 1 0t 4 0 g 共有3 个插槽，其中1 个为控制交换板槽位，2 个业务槽位，如 图2 7 所示。 图2 7z x r l 0t 4 0 g 控制交换板实现交换、协议处理、系统配置管理、网管接口等功能，是系统 的核心部分，可进彳亍1 十l 冗余配置。 线路接口板主要进行报文处理，包括转发、丢弃、上报等操作，以实现业务 流的线速转发。 z x r l o t 】6 0 g 厂r 6 4 g t 4 0 g 是大容量的机架式以太网交换机，通过两级硬件交 换实现线速的二三层交换。一级交换在线路接口板的各端口之间；二级交换则在 各个线路接口板之间，通过控制交换板来实现。 z x r l ot 1 6 0 g 厂r 6 4 g 系统原理示意图如图2 8 所示。z x r l ot 4 0 g 系统原理示 意图如图2 9 所示。 z x r l ot 1 6 0 g 厂r 6 4 g 厂r 4 0 g 的硬件设计遵守系统模块化设计原则，按照功能系 统划分，主要包括控制模块、交换模块、包处理及接口模块和电源模块。 1 控制模块：控制模块由主处理器和一些外部功能芯片组成，实现系统对各 种应用的处理。它对外提供各种操作接口，如串口、以太网口。进行数据 操作和维护。 三l 一 三墨奎墨塑丝丝型堡堇查竺窒 2 ，交换模块：交换模块具有多路高速的双向串行接口，可完成线路接口板之 间的线速数据交换。 3 包处理及接口模块：接口模块是z ) 吸1 0 t 1 6 0 g 厂r 6 4 g 厂r 4 0 g 的外部接口， 可以提供一个或多个物理端口，不同的线路接口板可以实现不同速率、不 同类型业务的接入。 4 电源模块：电源模块采用2 2 0 v 交流供电或一4 8 v 直流供电，为系统内其他 部分提供所需的电源。 图2 ，8z x r l ot 1 6 0 g 厂r “g 系统原理示意图 图2 9z x r l ot 4 0 g 系统原理示意图 第二章概述3 2 1 2 3 技术特性与参数 表2 1 详细列出了z t 1 0 t 1 6 0 g 厂r 6 4 g ，r 4 0 g 的技术特性和参数。 表2 1z x r l 0 t 1 6 0 g ，r 6 4 g 厂r 4 0 g 技术特性和参数 项目 描述 z x r l 0 t 1 6 0 g ：5 7 7 m m ( 高) x 4 4 2 m m ( 宽) x 4 5 0 m m ( 深) 尺寸z x r l o n 珥g ：“3 7 帅( 高) 4 4 2 姗( 宽) x 4 5 0 姗( 深) z x r l o t 4 0 g ：1 3 0 5 栅( 高) x “2 m m ( 宽) x 4 2 0 m m ( 深) z x r l ot 1 6 0 g ：4 9 岖 重量z x r l 01 强| g ：4 6 l c g z x r l 0t 4 0 g ：2 5 k g 交流电源：1 0 0 v 之4 0 v ，5 0 h z 捌h z 电源 直流电源：5 7 v 一0 v z x r l ot 1 6 0 g ：满配置整机总功耗为1 2 0 0 w 功耗z x r l o1 j “g ：满配置整机总功耗为7 2 0 w z x r l ot 4 0 g ：满配置整机总功耗为2 8 8 w m t b f ： 2 0 0 0 0 0 小时 可靠性 m t l r ：q 0 分钟 所有单板支持热拔插，控制交换板、电源冗余备份 防雷4 k v 工作环境温度：，5 + 4 5 环境温度 存储环境温度：4 0 _ 7 0 环境湿度相对湿度2 0 曲0 ，非凝结 z x r l 0t 1 6 0 g ：5 1 2 m 内存大小z x r l 0t 6 4 g ：5 1 2 m z x r l 0t 4 0 g ：5 1 2 m z x r l ot 1 6 0 g ：1 4 4 t b p s 背板带宽 z x r l ot 6 4 g ：8 l o g b 龄 z x r l ot 4 0 g ：3 6 0 g b d s z x r l 0t 1 6 0 g ：1 15 2 g b p s 交换容量z x r l ot 6 4 g ：5 7 6 g b d s z x r l o t 4 0 g ：9 6 g b d s z x r l ot f 6 0 g ：5 7 6 m 包转发率 z x r l 0t 6 4 g ：3 6 0 m z x r l ot 4 0 g ：1 4 3 m 路由表条目数5 0 0 k m a c 地址表深 度 6 4 k 三层交换机性能测试技术研究 2 3 测试理论介绍 在实际测试过程中，测试过程按四个步骤进行，即单元测试、集成测试、确 认测试和系统测试，最后还要经过验收测试阶段，如下图2 1 0 所示。 模块一 - 4单元测试 模块一 h单元测试 模块一 h单元测试 模块一 _单元测试 设 计 信 息 集 成 测 试 软 件 需 求 确 认 测 试 其 他 兀 素 系 统 测 试 用 户 信 息 验 收 涮 试 图2 1 0 软件测试的过程简化图 其中，系统测试是在软件开发完毕后，与系统中其它成分集成在一起进行的 一系列系统集成和确认测试。系统测试应该由若干个不同测试组成，目的是充分 运行系统，验证系统各部件是否都能正常工作并完成所赋予的任务。系统测试的 测试类型一般包括：功能测试( f u n c t i o nt e s t i n g ) 、性能测试( p e 响m a n c et c 鲥n g ) 、 负载测试( l o a d t e 幽g ) 、强度测试( s 吨s st e s t i n g ) 、容量测试( v o h n e t e s t i n g ) 、 安全性测试( s e c u r i t yt e s t i l l g ) 、配置测试( c o i l f i g u r a t i o nt e s t i n g ) 、故障恢复测试 ( r e c o v e r yt c s t i n g ) 、安装测试( i n s t a 儿a t i o nt e s t i n g ) 、文档测试( d o c 岫e n 诅t i o n t e s t i n g ) 、用户界面测试( g u it e s t i n g ) 等等。系统测试主要采用黑盒测试技术设 计测试用例来确认软件满足需求规格说明书的要求【8 】。 为了对被测设备( d u t ) 各方面特性、功能进行衡量，有四种不同种类的测 试： 1 一致性测试：检验被测设备相关协议的实现是否遵循了协议规范。 2 功能测试：验证设备是否支持声明的全部功能。( 例如：对协议的支持， 过滤功能，网管等) 3 性能测试：通常可以被看成是一种“压力测试”，目的是观察设备在业务 压力下的表现。 4 被动测试：类似于协议分析，在真实的运行状态下观察协议运行的过程， 特别是在有外界干扰和无外界干扰的情况下观察设备的工作状态。 本文主要关注三层交换机性能测试。因为从现有的统计数据来看，一般在实 际应用中出现的问题绝大多数都是性能问题，因此性能测试的成功与否以及力度 如何对于一款网络设备来说具有重要的意义。 第二章概述 2 ，4 测试工具介绍 我们在性能测试方面使用了业界知名的网络性能测试仪i a4 0 0 t ，如下图 2 1 l 所示。1 a4 0 0 t 最多可以插4 个模块，我们的测试环境包括4 个 1o ，1 0 0 1 0 0 0 b a - t 自适应的l m l 0 0 0 s t ) ( s 4 模块，每个模块有4 个l o 1 0 0 1 0 0 0 m 的光电复用端口。该测试环境使得我们能够同时对1 6 个千兆光电口进行测试。因 此我们能够对参测产品中的高密度千兆端口交换机，进行满负载测试，考察出其 在最严格情况下的真实性能。测试时，我们使用5 类跳线和光纤跳线连接被测交 换杌和测试仪。 我们此次交换机测试主要使用i a4 0 0 t 测试仪的s 面p m a t c 软件配置和运 行各项指标测试，s c r i p t m a t e 专门为r f c2 5 4 4 和r f c2 2 8 5 设计了标准自动化脚 本，我们根据自己的需求可以轻松地定义各种参数，同时能够产生详细的日志文 件和描述结果的文件。 图2 ，l l 队4 0 0 t 测试仪 第三章基准性能测试方案蹬计与实现 第三章基准性能测试方案设计与实现 基准性能测试是指能够刻画待测设备基本性能指标体系的测试，对于网络设 备来说，是指在设备还没有接入网络之前独立地对设备进行基本性能指标体系的 测试。基准性能测试主要包括如下项目【9 “3 1 。 1 吞吐量 吞吐量是交换机的包转发能力。吞吐量与交换机端口数量、端口速率、数据 包长度、数据包类型、路由计算模式( 分布或集中) 以及测试方法有关，一般泛 指处理器处理数据包的能力。吞吐量主要包括两个方面： 1 1 整机吞吐量 整机指设备整机的包转发能力，是设备性能的重要指标。整机吞吐量通常小 于交换机所有端口吞吐量之和。 2 ) 端口吞吐量 端口吞吐量是指端口包转发能力，它是交换机在某端口上的包转发能力。通 常采用两个相同速率测试接口。一般测试接口可能与接口位置及关系相关，例如 同一插卡上端口间测试的吞吐量可能与不同插卡上端口间吞吐量值不同。 以太网吞吐量的最大理论值被称为线速，是指交换机有足够的能力以全速处 理各种尺寸的数据封包转发，千兆交换机产品都应达到线速。 2 丢包率 丢包率是指交换机在稳定的持续负荷下，由于资源缺少而不能转发的数据包 在应该转发的数据包中所占的比例。丢包率通常用作衡量交换机在超负荷工作时 交换机的性能。丢包率与数据包长度以及包发送频率相关，在一些环境下，可以 加上路由抖动或大量路由后进行测试模拟。 3 时延 时延是指数据包第一个比特进入交换机到最后个比特从交换机输出的时间 间隔。该时问间隔是存储转发方式工作的交换机的处理时间。时延与数据包长度 和链路速率都有关，通常在交换机端口吞吐量范围内测试。 采用直通转发技术的千兆交换机有固定的时延，因为直通式交换机不管数据 包的整体大小， 而只根据目的地址来决定转发方向。所以，它的时延是固定的。 采用存储转发技术的交换机由于必须要接收完完整的数据包才开始转发，所以数 据包大，则时延大：数据包小，则时延小。 4 背靠背 背靠背是指以最小帧间隔发送最多数据包不引起丢包时的数据包数量。该指 标用于测试交换机缓存能力。 5 线头阻塞 1 8 三层交换机性能测试技术研究 一个输入队列的头部有帧试图向一个拥塞的输出端口发送，可能会造成同一 队列向非拥塞端口发送的帧产生丢失或时延增加的现象，称为线头阻塞( h e a do f l i n eb l o c b n g ) 。 6 背压 背压是一台d u t 为避免丢帧而阻止外部信息源向产生拥塞的端口发送数据帧 的一种技术。实现全双工以太网链路的交换机可以采用l e e e8 0 2 3 x 流控达到相同 目的。这些交换机即使在外部信息源试图向那些发生拥塞或超载的端口发送信息 流时也不会发生丢帧。值得注意的是，像这种人为干扰和其它流控方法可能会降 低所有传送到拥塞输入端口的流量，其中包括发向非拥塞端口的流量。 7 错误帧过滤 判断一个网络转发设备转发过程是否对错误帧进行过滤处理。 8 地址缓存能力 d u t 的每n 个接口或者每个模块、每个设备在没有洪泛和丢失帧情况下能够 把帧成功转发到的m a c 地址数，该值称为这些接口、模块或设备的地址缓存能力。 9 地址学习时间 个交换机在没有洪泛或丢失帧的情况下可以学习新m a c 地址的最大速率。 地址学习速率反映了在多个用户同时登录入网，或者一次网络崩溃重启后，交换 机多长时间能够重新建立地址表。 】o ，帧转发速率 在一个特定的实供负载0 l o a d ( o 虢r e dl o a d ) 下，一个d u t 能够被观察到 按照目的地址成功转发的帧的速率称为转发速率f r ( f o n v a r d i n gr a t e ) 。与吞吐量 不同，转发速率并不明显考虑帧的丢失情况，转发速率根据每秒从d u t 的输出端 口观察到的帧的数目。转发速率反映的是各种实供负载下待测对象的转发速率， 这个数值一定要与实供负载联系起来才有意义。 1 1 ，拥塞控制能力 拥塞控制对交换机来说应该是不可缺少的一个重要功能。其中测试线头阻塞 情况下的处理行为是测试非头阻塞设备的必测内容。一般的拥塞机制可能只能借 助于不同负载下的丢包率和时延来进行分析。 基准性能测试的参数在r f c l 2 4 2 、r f c 2 2 8 5 、r f c 2 5 4 4 和r f c 2 8 8 9 等标准文 档中进行了定义和描述，基准测试指标本着可测、完备和典型等原则进行建立。 对于三层交换机来说，其基准性能指标体系应该包括吞吐量、丢包率、时延、背 靠背、重新启动和系统恢复等几个参数组成( 由r f c 2 5 4 4 中规定) 。根据测试目的 的不同，并非所有的参数都必须测试，同样为了特定的目的，也可以测试该指标 体系以外的参数。每个参数也可以分重点进行详细测试。下面对本文主要关注的 基准性能指标体系的几个参数分别进行讨论。 第三章摹准性能测试方案设计与实现1 9 3 1 1 吞吐量 3 1 本文关注的性能参数 吞吐量是描述交换机的最基本的参数，任何性能测试文档中都要包含该参数， 在设备说明书中也是必须描述的一个重要指标。对于三层交换机来说。吞吐量一 般可以很高，对于可以线速运行的交换机来说，其端口吞吐量应该达到协议规定 的理论值。下面我们首先看一下吞吐量的定义。 一个设备能够正确转发帧包的最大速率稼为吞吐量。它包含了两层含义：首 先要保证待转发的任何一帧都能够正确的转发到适当的地址，其次要充分发挥设 备的转发能力。吞吐量的度量单位可以采用三种形式：包秒( p p s ) 、位秒和帧， 秒。 在图3 1 、3 2 中，测试时间为t 。如果存在如下测试结果： r n厂 n几厂 23 x _ 2x 1 x 帧数 图3 1 帧速率v 1 时转发情况 r nn圉 厂r 厂 2 x 2x 1x 帧数 图3 ，2 帧速率v 2 时转发情况 第一种情况下帧速为v i 。所有待转发的帧全部转发成功，即收到的帧数： n ，= l = v t t 第二种情况下帧速为吃，出现了丢帧或错帧现象，假定第y 丢失， 式( 3 一1 ) 则收到帧 数： m ，则应减少发送速率， 重新执行测试。吞吐量就是在保证 ，。= j ，前提下的最大速率