岳麗全　王　華　岳志高

摘要：路由器性能是網(wǎng)絡(luò)高可用、高可靠和高性能的重要保證，如何評(píng)測(cè)路由器的性能，尤其對(duì)于工作在多端口并發(fā)的非均衡負(fù)載下的路由器性能，顯得非常重要。文章給出了一個(gè)路由器的分布式多端口并發(fā)測(cè)試系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，該系統(tǒng)可以完成路由器的多端口并發(fā)性能測(cè)試，并給出了測(cè)試的有關(guān)方法。

關(guān)鍵詞：路由器；網(wǎng)絡(luò)測(cè)試；性能測(cè)試；多端口

中圖分類號(hào)：TP393 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-2374（2009）01-0117-03

由于網(wǎng)絡(luò)測(cè)試對(duì)于網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的重大作用，國(guó)際上十分重視網(wǎng)絡(luò)測(cè)試的研究，許多網(wǎng)絡(luò)設(shè)備廠家都建立了自己的評(píng)測(cè)實(shí)驗(yàn)室，但就目前公開的資料看，他們沒有考慮目前網(wǎng)絡(luò)自相似通信模型下網(wǎng)絡(luò)的極端性能的測(cè)試。我國(guó)從20世紀(jì)90年代以來(lái)，許多公司、研究所和院校開始積極發(fā)展網(wǎng)絡(luò)測(cè)試技術(shù)，取得了可喜的成績(jī)。但是國(guó)內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)測(cè)試力量仍然比較薄弱，尤其對(duì)于高端路由器的性能測(cè)試，基本上都是依靠進(jìn)口設(shè)備完成，大力發(fā)展我國(guó)自主的測(cè)試儀尤其重要。作者所在的四川省網(wǎng)絡(luò)通信實(shí)驗(yàn)室一直致力于從事網(wǎng)絡(luò)測(cè)試工作，文章了給出作者所在的四川省網(wǎng)絡(luò)通信實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行的路由器測(cè)試系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，以及性能測(cè)試規(guī)劃。

一、網(wǎng)絡(luò)測(cè)試介紹

網(wǎng)絡(luò)分為3個(gè)不同的層次，分別是網(wǎng)絡(luò)設(shè)備層、網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)層和網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用層。對(duì)應(yīng)于這3個(gè)層次，網(wǎng)絡(luò)測(cè)試也劃分為3個(gè)不同的層次：網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的測(cè)試、網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的測(cè)試和網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的測(cè)試。

網(wǎng)絡(luò)設(shè)備可以分為網(wǎng)絡(luò)端系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)中繼設(shè)備，針對(duì)網(wǎng)絡(luò)端系統(tǒng)的測(cè)試，ISO定義了4種測(cè)試方法，分別是本地測(cè)試法，遠(yuǎn)程測(cè)試法，分布式測(cè)試法和協(xié)調(diào)測(cè)試法。針對(duì)中繼系統(tǒng)的測(cè)試，ISO也定義了兩種測(cè)試法，分別是回環(huán)測(cè)試法和穿越測(cè)試法（該方法由歸國(guó)學(xué)者，四川省網(wǎng)絡(luò)通信實(shí)驗(yàn)室的曾華燊博士提出）。

為了保證網(wǎng)絡(luò)設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)高性能、高可靠和高可用，我們要對(duì)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備進(jìn)行一致性測(cè)試、互操作性測(cè)試和完整的性能測(cè)試。

一致性測(cè)試是用于驗(yàn)證網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的協(xié)議實(shí)現(xiàn)是否與協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)文本的規(guī)定相一致的測(cè)試。互操作性測(cè)試是驗(yàn)證被測(cè)協(xié)議實(shí)現(xiàn)是否能與正確的協(xié)議實(shí)現(xiàn)進(jìn)行互操作。性能測(cè)試是測(cè)試網(wǎng)絡(luò)設(shè)備在各種復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下所表現(xiàn)出來(lái)的實(shí)際工作能力，是網(wǎng)絡(luò)設(shè)備級(jí)別高低的一種定性和定量的度量，是網(wǎng)絡(luò)設(shè)備廠家開拓市場(chǎng)，提高產(chǎn)品市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力的依據(jù)和動(dòng)力，也是網(wǎng)絡(luò)服務(wù)提供商進(jìn)行規(guī)劃管理的依據(jù)。

對(duì)于網(wǎng)絡(luò)中繼設(shè)備的性能測(cè)試，國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織沒有給出具體的標(biāo)準(zhǔn)，一般的性能測(cè)試都是按照由IETF組織定義的RFC2544來(lái)進(jìn)行的，這是一個(gè)網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)設(shè)備的基準(zhǔn)測(cè)試方法，能夠描述網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)設(shè)備的基本性能。但是，還不能夠描述在復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)量下的一些極端和突發(fā)性能。不同的性能測(cè)試儀，一般都是RFC2544，RFC2285和RFC2889標(biāo)準(zhǔn)來(lái)進(jìn)行的。下面介紹作者所做的路由器性能測(cè)試規(guī)劃研究。

二、路由器性能測(cè)試規(guī)劃研究

路由器的性能反映的是網(wǎng)絡(luò)的性能，網(wǎng)絡(luò)的性能其實(shí)要取決于路由器的性能，尤其是廣域網(wǎng)的性能好壞要取決于骨干路由器的性能。路由器性能如何，其實(shí)主要考查的是其在實(shí)際網(wǎng)絡(luò)狀況下的極端性能，其一般性的性能指標(biāo)比較容易達(dá)到，例如，在通信流量比較平穩(wěn)的情況下的性能。但是，網(wǎng)絡(luò)性能高低很大程度上是看其承擔(dān)突發(fā)事件時(shí)的處理能力，應(yīng)該具有處理各種突發(fā)流量的機(jī)制。過(guò)去，業(yè)界一直認(rèn)為網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)模型應(yīng)該是泊松模型，可是，自從1993年開始，大量的研究證明了現(xiàn)在的網(wǎng)絡(luò)通信量服從自相似分布，具有長(zhǎng)相關(guān)重尾分布的特性，與傳統(tǒng)的泊松模型相反，所以，在進(jìn)行路由器性能測(cè)試中，考慮實(shí)際的網(wǎng)絡(luò)流量時(shí)，應(yīng)該考慮泊松模型和自相似模型兩種情況。

（一）測(cè)試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

近幾年來(lái)，四川省網(wǎng)絡(luò)通信實(shí)驗(yàn)室積極從事網(wǎng)絡(luò)協(xié)議測(cè)試的研究，已經(jīng)取得了初步的成果，產(chǎn)生了TCP、UDP、IP、RIP、OSPF、BGP、SNMP、MPLS等多個(gè)協(xié)議的一致性測(cè)試用測(cè)試集，正在開發(fā)一個(gè)集一致性測(cè)試、互操作性測(cè)試和全面的性能測(cè)試的分布式多端口路由器并發(fā)測(cè)試系統(tǒng)（Distributed Multi_ports Router Parallel Test System，簡(jiǎn)稱DMRPTS），已經(jīng)取得了初步的進(jìn)展。圖1為該系統(tǒng)DMRPTS的結(jié)構(gòu)圖。

該系統(tǒng)最大的特點(diǎn)是可以對(duì)路由器進(jìn)行多端口并發(fā)測(cè)試，可以根據(jù)需要產(chǎn)生各種模型的通信流量，以對(duì)路由器進(jìn)行實(shí)際通信流量下的測(cè)試。

目前對(duì)路由器的測(cè)試有回環(huán)測(cè)試和穿越測(cè)試法。利用測(cè)試驅(qū)動(dòng)器（Two Port Test，簡(jiǎn)稱TPT），本系統(tǒng)既可進(jìn)行基于一個(gè)端口的回環(huán)測(cè)試，也可進(jìn)行基于一對(duì)端口的穿越測(cè)試。在測(cè)試協(xié)調(diào)器（Test Management，簡(jiǎn)稱TM）的調(diào)度下，這對(duì)端口即可位于一個(gè)測(cè)試驅(qū)動(dòng)器上，也可位于不同的測(cè)試驅(qū)動(dòng)器上（此時(shí)可進(jìn)行互操作測(cè)試），還可以在TM的控制下，實(shí)現(xiàn)多個(gè)TPT對(duì)被測(cè)路由器的多端口并發(fā)穿越測(cè)試。由于TPT可以根據(jù)RUT的性能要求進(jìn)行增減，所以本系統(tǒng)可以模擬在實(shí)際的網(wǎng)絡(luò)流量下路由器的工作情況，尤其是對(duì)大容量高密度的核心路由器進(jìn)行性能測(cè)試，測(cè)試路由器在各種負(fù)載條件下，尤其是在各種極端的最壞的突發(fā)流量狀況下（自相似流量的特點(diǎn)），測(cè)試出路由器的極端性能，從而保證網(wǎng)絡(luò)是否能正常高效地運(yùn)行，從而對(duì)網(wǎng)絡(luò)的規(guī)劃和升級(jí)提供依據(jù)。

（二）網(wǎng)絡(luò)流量設(shè)置

網(wǎng)絡(luò)流量的產(chǎn)生可以根據(jù)需要進(jìn)行設(shè)置，雖然目前自相似通信量的模型已經(jīng)為大家所接受，但是由于泊松分布模型仍然在許多業(yè)務(wù)中可見，所以本系統(tǒng)考慮了兩者，既可以產(chǎn)生泊松分布的通信流，也可以產(chǎn)生自相似的通信流。通過(guò)DMRPTS的流量發(fā)生器，在TM的控制下，用戶可以經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單設(shè)置，靈活地控制通信流，如下所示：

1．可以靈活設(shè)置數(shù)據(jù)幀的長(zhǎng)度：可以在TM中手動(dòng)設(shè)置，也可以以一定的規(guī)律用遞增方式自動(dòng)完成；可以設(shè)置幀前導(dǎo)碼的長(zhǎng)度；可以設(shè)置數(shù)據(jù)幀間隔的長(zhǎng)度。

2．可以靈活設(shè)置數(shù)據(jù)幀中的Data字段的值。

3．可以在數(shù)據(jù)幀的特定位置插入特定長(zhǎng)度的標(biāo)記字段。

4．以太網(wǎng)測(cè)試中可以靈活設(shè)置MAC地址：包括手工設(shè)置靜態(tài)的源和目的MAC地址，也可按遞增或遞減的方式或隨機(jī)的方式產(chǎn)生源和目的MAC地址。

5．可以靈活設(shè)置幀頭的各個(gè)字段的值。

6．可以設(shè)置數(shù)據(jù)幀的發(fā)送速率：可以手工靜態(tài)設(shè)置，也可以以一定的速率遞增或遞減。

7．可以設(shè)置突發(fā)幀或包的個(gè)數(shù)。

8．可以產(chǎn)生通常的8種優(yōu)先級(jí)的數(shù)據(jù)幀。

9．可以通過(guò)設(shè)置產(chǎn)生泊松模型的業(yè)務(wù)源和自相似流的業(yè)務(wù)源。

由于沒有專門針對(duì)路由器性能測(cè)試的標(biāo)準(zhǔn)，所以國(guó)際上對(duì)路由器性能的衡量普遍都采用RFC2554（網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)設(shè)備基準(zhǔn)性能描述）和RFC1242（網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)設(shè)備基本術(shù)語(yǔ)描述）來(lái)進(jìn)行測(cè)試。本實(shí)驗(yàn)室開發(fā)的DMRPTS也是參照這兩個(gè)文本，結(jié)合路由器的特點(diǎn)和要求，制定了相應(yīng)的性能測(cè)試項(xiàng)目。

（三）性能測(cè)試項(xiàng)目及方法

性能測(cè)試主要包括吞吐量測(cè)試、時(shí)延與時(shí)延抖動(dòng)測(cè)試、丟幀率測(cè)試、背靠背幀數(shù)測(cè)試、路由表深度測(cè)試、路由收斂能力測(cè)試，以及系統(tǒng)重啟和系統(tǒng)恢復(fù)測(cè)試。其中，吞吐量測(cè)試是測(cè)試被測(cè)路由器在不丟包的情況下，正常轉(zhuǎn)發(fā)的最大吞吐量；時(shí)延與時(shí)延抖動(dòng)測(cè)試是指對(duì)于存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備，時(shí)延指輸入幀的最后一位到達(dá)輸入端口的時(shí)刻t1和輸出幀的第一位出現(xiàn)在輸出端口的時(shí)刻t2之差值。時(shí)延反映路由器轉(zhuǎn)發(fā)幀的速度。對(duì)于流媒體傳輸，時(shí)延和時(shí)延抖動(dòng)是必須測(cè)試的內(nèi)容；丟幀率測(cè)試是指路由器在超負(fù)荷的穩(wěn)定負(fù)載下，應(yīng)該被路由器正確轉(zhuǎn)發(fā)的幀中，一部分由于資源缺乏而未被轉(zhuǎn)發(fā)的幀所占的比例。這部分幀指未被正確轉(zhuǎn)發(fā)的幀；背靠背幀數(shù)測(cè)試是指以最小幀間隔向路由器突發(fā)一定數(shù)量的幀，測(cè)試路由器能轉(zhuǎn)發(fā)的幀數(shù)。這一性能實(shí)際上是在測(cè)試路由器的緩存能力，緩沖區(qū)大小及其分配策略，同時(shí)在一定程度上反映路由器的交換結(jié)構(gòu)及其調(diào)度策略；路由表深度測(cè)試是指在某種動(dòng)態(tài)路由協(xié)議下路由表所能支持的路由表項(xiàng)最大數(shù)量。路由收斂能力反應(yīng)路由器能否比較快地適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的變化，反映更新路由表的能力。路由器在網(wǎng)絡(luò)發(fā)生變化后發(fā)現(xiàn)下一跳，計(jì)算最佳路由，更新路由表所用時(shí)間的長(zhǎng)短是用來(lái)衡量路由收斂能力的關(guān)鍵指標(biāo)。系統(tǒng)恢復(fù)測(cè)試是指路由器在過(guò)載后恢復(fù)到正常工作的時(shí)間；系統(tǒng)重啟測(cè)試是指路由器由于各種原因?qū)е轮貑r(shí)所需的時(shí)間。

以上項(xiàng)目中，除路由表深度測(cè)試，路由收斂能力測(cè)試，系統(tǒng)重啟與恢復(fù)測(cè)試項(xiàng)目外，其他各項(xiàng)均與幀長(zhǎng)度有關(guān)，所以要選擇有代表性的幀長(zhǎng)度進(jìn)行測(cè)試。本系統(tǒng)采用64B，128B，256B，512B，768B，1024B，1280B，1518B等。但是，為了模擬真實(shí)網(wǎng)絡(luò)流量時(shí)路由器的吞吐量，測(cè)試時(shí)可以一次性發(fā)送所有幀長(zhǎng)度序列中規(guī)定長(zhǎng)度幀的混合數(shù)據(jù)流，而其分布選擇泊松分布和自相似流分布兩種情況。

為了克服隨機(jī)性的影響，每一個(gè)測(cè)試?yán)貜?fù)50次，取平均值作為最后的值。

在測(cè)試吞吐量，丟幀率，時(shí)延與時(shí)延抖動(dòng)，背靠背幀數(shù)等項(xiàng)目時(shí)，測(cè)試分為以下情況進(jìn)行：

1．一對(duì)端口測(cè)試。路由器往往具有多種端口，則這一對(duì)端口可以選取為同種端口，也可以選取為異種端口；可以選取同一板卡上的兩個(gè)端口，也可以選取不同板卡上的端口進(jìn)行分別測(cè)試，以反映各種端口的性能。如圖2所示。

2．多對(duì)一測(cè)試。路由器的多個(gè)端口從線路上接收數(shù)據(jù)，向著路由器的某個(gè)單一端口轉(zhuǎn)發(fā)，這可以模擬實(shí)際網(wǎng)絡(luò)流量的突發(fā)情況，考察端口的吞吐量的極端性能。如圖3所示。

3．多對(duì)多測(cè)試。路由器的所有端口都工作在發(fā)送和接收的全雙工狀態(tài)，此時(shí)考察的是路由器的整機(jī)性能。圖4（a）所示為多對(duì)多的端口測(cè)量，性能受路由器結(jié)構(gòu)的影響，一般會(huì)低于各端口性能指標(biāo)之和。圖4（b）為路由器所有端口都工作在極端狀態(tài)下的整機(jī)性能測(cè)試，測(cè)試的值會(huì)比圖4（a）測(cè)定的值性能更低。

三、結(jié)語(yǔ)

路由器性能是網(wǎng)絡(luò)高可用、高可靠和高性能的重要保證，如何衡量路由器的性能，目前仍然沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，只有對(duì)網(wǎng)絡(luò)互連設(shè)備的基準(zhǔn)測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)，所以，研究路由器的性能測(cè)試具有重大的理論和實(shí)際意義。本文結(jié)合四川省網(wǎng)絡(luò)通信實(shí)驗(yàn)室正在研發(fā)的分布式多端口路由器協(xié)議測(cè)試系統(tǒng)對(duì)路由器的性能測(cè)試進(jìn)行了研究，并對(duì)測(cè)試的方法等給出了相關(guān)的敘述。以后的工作要著重研究實(shí)際網(wǎng)絡(luò)通信流的產(chǎn)生和對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，對(duì)路由器的性能給出綜合的評(píng)價(jià)。

參考文獻(xiàn)

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作者簡(jiǎn)介：岳麗全，女，西南交通大學(xué)電氣工程學(xué)院講師，博士研究生，研究方向：計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)測(cè)試；王華，男，西南交通大學(xué)碩士研究生，研究方向：嵌入式系統(tǒng)多媒體技術(shù)；岳志高，男，四川眉山東坡中學(xué)中級(jí)教師。