IP网络设备高级性能测试方法.doc

IP网络设备高级性能测试方法摘要介绍了IP网络设备基本性能测试的相关标准，阐述了相关设备的高级测试技术，并且对高密度、低时延的10G以太网测试方法进行了分析，总结了IXIA在上述领域的优势与特点。1 引言IP网络设备是IP网络的核心，其性能好坏直接影响IP网的网络规模、网络稳定性以及网络可扩展性。性能测试主要是让被测试设备承受不同的负载，验证其表现，主要目的是测试它的容量（如吞吐量），以及处理业务的速度（如时延）等。不同的IP网络设备由于采用了不同的硬件结构，性能表现会有所不同，即使是同一IP网络设备交换设备在不同的负载下也会有不同的表现。另外，IP网络设备配置的不同也会引起不同的性能表现，所以全面对IP网络设备进行性能测试就显得尤其重要。从测试方法和流程上，根据被测设备特点的不同，一般将23层IP设备测试分三部分进行，即与流量相关的转发平面测试，与控制层面相关的协议测试，包括路由协议、组播、MPLS和桥接协议等，另外还有转发平面和控制层面结合的测试。这三部分既相互独立又互相关联。本文重点介绍和流量相关的转发平面高级测试技术，其他方面的内容另行介绍。需要说明的是，23层IP网络设备仅仅是通常概念上的划分，随着IP网络设备功能复杂性的增加，23层设备和47层设备功能也在融合，对IP设备也要进行全面的27层测试。2 传统基准性能测试技术从测试的角度看，由于IETF没有对特定设备性能测试作专门规定，传统上都遵守RFC2544标准做测试，以太网交换机测试标准则参照RFC2889。由于网络互联设备除了通用性能测试以外通常还有一些特定的性能指标，例如路由器区别于一般简单的网络互联设备，在性能测试时还应该加上路由器特有的性能测试，例如路有表容量、路由协议收敛时间等指标。另外，QoS，组播，IPv4，IPv6和VLAN等多种相关技术都需要进行详细的测试。在传统的基准性能测试中，IETF测试标准化工作组（BMWG，Benchmarking Methodology Working Group）尽量在独立公正，不受厂家技术指标影响的情况下定义了一系列测试标准和方法，相关的RFC包括：（1）RFC2544（Benchmarking Methodology for Network Interconnect Devices）。该标准是网络基准性能测试标准，定义了6项基本性能测试规范，相关术语由RFC1242定义。由于该标准是20世纪90年代发布的，已经不能满足新的测试技术需要，因此2007年由IXIA公司主导参与做了较大更新。（2）RFC2889（Benchmarking Methodology for LAN Switching Devices）。该标准是局域网交换设备测试规范，定义了交换机测试的11个项目。（3）RFC 3918（Methodology for IP Multicast Benchmarking）。该规范是在RFC2432基础上更新的组播测试规范，定义了组播设备的14个测试项目。（4）RFC 3511（Benchmarking Methodology for Firewall Performance）。该规范是在RFC2647基础上更新的防火墙性能测试规范，定义了防火墙测试的10个项目。3 高级测试技术上述测试标准和基本性能测试技术都比较成熟，目前应用也比较普遍，但是不能满足日益复杂的IP网络设备的测试要求，在测试23层IP网络设备时，还需要考虑更多的方面，比如包长的选择是否过于简单？是否可以随机变换数据包发送间隔从而变换数据包发送速率？数据包发送序列是否灵活多变？数据包的地址数可以再增加？流量类型是否足够多，是否可以混合？是否可以跟踪数据流里的多个字段？是否可以详细统计成千上万的数据流，并从中快速找出你所需要的性能“最好的”或者“最差的”数据流？这些复杂的测试技术，对仪表也提出了更高的要求，我们称这些为23层IP设备高级测试技术。（1）选择变化的数据包长。在传统的基本测试规范中，数据包的长度是固定的，或者在正常的641518字节长度内，选择几个特定的数据帧长度进行测试，由于网络中存在的数据帧长度是变化的并且各种长度的数据帧都广泛存在，各种正常、异常的数据帧也都分布在网络中。比如对于一个典型的企业网络流量，同时存在多种业务类型和流量比例（见表1）。在这种情况下，传统的测试方法不能真实反映IP网络设备应用于网络中的情况。IXIA建议采用变化的数据包长对设备进行测试，采用递增、递减、定制、随机、IMIX、高斯分布等多种灵活的帧长分布方式。表1典型企业网络混合流量模型（2）选择变化的数据包间隔。在IP测试中，数据包间隔主要有3种，帧间隔（IFG，Inter-Frame Gap）、突发流间隔（IBG，Inter-Burst Gap）和数据流间隔（ISG，Inter-Stream Gap）（见图1）。数据包间隔的变化可以产生速率的不均匀性，对被测设备在变化速率下的性能可以直接计量，并且能模拟突发效果，反映真实数据流特性。IXIA支持各种数据包间隔的灵活设置。图13种数据包间隔示意图（3）选择不同的数据包发送序列。测试仪表通常要支持两种数据包发送顺序，一种为“串行”方式，也就是有多条数据流，在第一条数据流的数据包发送完毕后发送第二条，然后第三条，依此类推。这种方式的好处是可以方便定义多种流量类型，可以按照预先设计好的模式顺序发送。另外一种为“并行”方式，也就是有多条数据流，按照每条数据流的速率，依次发送第一个、第二个数据包。图2所示的是两种数据流的示意图。通过设置不同的数据包发送序列，可以使被测设备产生周期性的压力，以验证其对各种类型流量的处理能力。图2“串行”和“并行”数据流示意图（4）选择尽可能多变化的MAC和IP地址。在基本的性能测试项目中，测试仪表所产生的流量都是单个数据流的方式，也就是单个MAC地址、IP地址的方式。这种方式和IP网络设备也和应用于现网中的情况差别很大。因为IP设备处理一条或者多条数据流所消耗的资源是不相同的。测试仪表只有构造和产生尽可能多的MAC和IP地址才能对IP转发设备的性能进行全面评估。（5）选择尽可能多的流量类型。如前文所说，网络中存在的数据帧长度是多样的，同样在网络中存在的业务类型也有很多种，并且随着技术的发展，新的业务种类也在增加。这就需要测试仪表能够同时产生多种流量类型，比如MAC，VLAN，IPv4，IPv6，TCP/UDP，MPLS等多种混合的流量类型，甚至IP/TCP/UDP Checksum错误报文，IP TTL 0，FCS等错误报文等。为了测试的准确性，甚至建议采用真实的应用层流量对IP网络设备进行测试，并得到各种业务的QoE指标。（6）跟踪数据流里多个字段。性能测试仪表的特点就在于对IP网络设备的多个性能指标（如时延、吞吐量、丢包率）进行分析，要得到上述相关指标，测试仪表必须在所产生的数据流中增加特征字节或者能够对特征字段进行追踪，如果数据流在转发过程中被修改或者数据包长度改变（如QoS重标记或者VLAN泄漏等情况），要对被改变的数据流进行性能测试，则必须要求仪表能够同时追踪数据流的多个不连续字段。（7）快速找出所需数据流和清晰的时延分布。测试的重要目的是能够对结果可以进行很好的分析与查看。测试仪表产生成千上万条不同特征的数据流，但是哪些数据流转发状态好，哪些不好？从海量的数据里面很难找到，如果可以快速找出这些转发状态不好的数据流，可以极大地提高定位问题的效率。IXIA支持数据流检测功能，可以实时找到性能“最好”或者“最差”的数据流，比如时延最小的数据流。这个特性大大提供了测试工程师的效率，深得用户称赞。IXIA高性能测试方案除了对传统基本测试标准有很好的支持，在高级性能测试技术方面，也处于绝对领先地位，并且采用自动化测试脚本的方式进行配置，操作简单、易于使用。4 10GE高准确性时延测试随着各种业务对带宽需求的增多，目前10G的应用也非常普遍，要准确测试当前业界时延小、密度高10G交换机的数据包转发时延，需要考虑下面几点因素。首先，测试仪表要有足够高的时间精度、很小的抖动和长时间测试稳定连续的测试结果。由于测试仪表固有的硬件结构，微小的变化或者抖动是不可避免的，当测试开始时，仪表端口内部的缓存会根据资源占用状态产生的延时有所不同。随着测试的进行，这些缓存所产生的时延会变的稳定。所以，关注平均时延非常重要，要进行多次测试并且确保测试结果的连续性。其次，采用正确的测试方法也是准确测试10G交换设备时延的重要因素，一定要避免引起拥塞或者产生被压（Back Pressure）。拥塞和被压会引起缓存额外的开销或者数据包重传，这样会引起时延的增大或者变化。第三，测试时所产生的流量模型要以全网状的方式进行，并且以逐渐增大的方式达到线速。从测试连接图看，要进行准确的交换设备时延测试，采用全网状的测试拓扑能够全面验证被测设备转发处理芯片的效率。这三点是要准确测试低时延、高密度10G交换设备的重要原则。图3是4个端口网状流量的逻辑拓扑示意。图34个端口全网状流量逻辑拓扑示意图在上述拓扑上，首先要注意的一点是所有测试端口同步传送问题以避免导致数据包排序和拥塞，这样会增大设备的时延。为了避免造成拥塞，仪表的流量发送端口不仅要有稳定和同步的发送时钟，并且要能够对时钟频率（PPM）进行调整，即使是1个PPM的偏差也可能导致端口拥塞和数据包丢失。对于时延大的IP设备，仪表本身固有的时延、光接口模块和连接的线缆所引入的时延是可以忽略不计的。但是对于时延非常小的设备，这些因素都要考虑进去才能准确评估被测设备的时延大小。这就需要仪表能够有时延自校准功能，能够将测试仪表引入的时延在测试过程中通过某种机制去掉。为了计算仪表自身结构引入的时延，可以通过图4的方式进行计算和验证，由于内在的时延是发送和接收电路处理数据引入的时延，让流量发送端口工作于环回（Loopback）模式，就可以计算出仪表自身内在的时延。图4仪表端口环回模式验证时延大小对于连接仪表和被测IP设备的线缆所引入的时延，应该如何计算是必须要考虑的问题。众所周知，光在真空中的传输速度为299792458m/s，根据光的折射率和物理线路部署环境的复杂性，信号在光纤中的传送速度要比上述理论值慢很多，但是使用高精确性的仪表可以十分方便地测试出光纤的时延，经过IXIA公司对不同长度光纤的反复试验，可以知道光纤每米的时延大概为5ns。这些外在因素引入的时延在测试过程中也需要通过仪表的内在机制去掉。IXIA目前提供业界最高密度的10GE测试产品，在测试低时延、高密度10G交换产品方面特点和优势非常明显，从测试结果的准确性方面，IXIA具有20ns的测试精度，测试结果的抖动范围在20ns范围之内，并且可以通过自校准方式去掉仪表固有的时延，能够对任意MSA兼容光模块所引入的时延偏差进行校准。从测试结果的可靠性方面，IXIA对每个发布版本的每次测试结果都具有可重复性，所得到的测试结果基于实际的时延，而不是基于理论假设。从测试的配置方面，IXIA通过自动化脚本实现以简化配置，并且端口数据包的发送频率可以在102PPM范围内进行调整（IEEE P802.3Z规定，在实际网络运行环境中，考虑到设备的技术实现问题，千兆和10G以太网标准规定数据传输时钟可以在100 PPM范围内波动，在此范围内所发送的数据速率都认为是线速转发）。从10GE测试模块的端口密度上，IXIA一个测试模块具有8个端口，一个机架式机框支持96个端口的业界最高密度，提供了节省空间、节约电力消耗的“绿色环保”测试理念。图5是IXIA高密度、高性能10GE测试模块示意。图6是线缆长度、预期时延与实际测试示意。从表2 IXIA和其他仪表工具经过多