郭 亮 ，王素彬 ，趙雋琪 ，陳 驊

（1.中國電信股份有限公司廣東研究院 廣州 510630；2.思博倫通信科技北京有限公司 北京 100191）

1 引言

在路由器性能測試中，為了使被測設(shè)備處于一定的流量壓力下，測試人員需要構(gòu)造測試環(huán)境保證所有端口都有收發(fā)雙向的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)流量。在測試一些端口密度相對較大的產(chǎn)品時，通常有兩種方法實現(xiàn)此目的：全端口測試和蛇形測試。

如圖1所示，全端口測試是一種被測設(shè)備所有的端口都與測試儀表直接相連，由測試儀表發(fā)送所有端口之間的全網(wǎng)狀測試流量，以評估被測設(shè)備最大性能的測試方法。

圖1 全端口測試拓撲

如圖2所示，蛇形測試是指被測設(shè)備僅用兩個端口與測試儀直接相連，其余端口使用跳線在設(shè)備上進行環(huán)接，并配合一定的流量轉(zhuǎn)發(fā)策略，使測試流量從與儀表直連的一個端口輸入設(shè)備，從一個端口轉(zhuǎn)發(fā)出去后再由另一個端口輸入設(shè)備，如此反復(fù)多次后由另一個與儀表直連的端口輸出，從而實現(xiàn)所有參與的端口均有流量輸入和輸出。

圖2 蛇形測試拓撲

為實現(xiàn)蛇形測試，需要根據(jù)被測設(shè)備的情況設(shè)置流量轉(zhuǎn)發(fā)策略。如果是二層交換機，可以將被測設(shè)備端口設(shè)置為無標簽（untag）模式，每兩個一組劃分到一個單獨VLAN，VLAN之間通過外部跳線橋接的方式實現(xiàn)蛇形轉(zhuǎn)發(fā)。

如果是路由器，可以通過以下多種方式實現(xiàn)。

·通過配置策略路由，設(shè)定由連接測試儀的端口1進入的流量通過端口2轉(zhuǎn)發(fā)，端口2外部跳線連接端口3，由端口3進入的流量通過端口4轉(zhuǎn)發(fā)……直至最后連接測試儀的另一個端口；反向流亦然。

·將被測設(shè)備端口每兩個一組劃分到一個單獨的虛擬路由器，虛擬路由器之間通過外部跳線串聯(lián)并啟用靜態(tài)或動態(tài)路由實現(xiàn)蛇形轉(zhuǎn)發(fā)。

·將被測設(shè)備端口每兩個一組發(fā)送到一個單獨的2層或3層MPLS VPN，不同VPN之間通過外部跳線串接，從而實現(xiàn)蛇形轉(zhuǎn)發(fā)。

雖然從測試流量的負載上看，全端口測試和蛇形測試是一樣的，但深入分析發(fā)現(xiàn)，蛇形測試有很多缺陷，下面從幾個方面進行分析。

2 時延/抖動測試問題

時延和抖動是數(shù)據(jù)通信設(shè)備性能測試中非常重要的測試內(nèi)容之一。

現(xiàn)在交換機在有些應(yīng)用場合對時延的要求非常高，典型的就是云計算的數(shù)據(jù)中心交換機。數(shù)據(jù)中心交換機是典型的高密度交換機，其重要應(yīng)用領(lǐng)域是金融機構(gòu)，如證券交易所、期貨交易所等。交換機的時延，可能直接影響競價成功與否、成交價格高低。特別是在國外金融市場有很多高頻交易（high frequency trading，HFT），通過金融建模和高性能計算機系統(tǒng)，進行高頻率的交易，通過大量交易積累來獲取高額利潤。這種交易，對于數(shù)據(jù)中心交換機的時延要求非常高。國外有過統(tǒng)計，時延1μs等于損失1億美元。所以很多數(shù)據(jù)中心交換機，如Arista、Cisco Nexus交換機，時延都可以達到400 ns以下。智能變電站內(nèi)的工業(yè)交換機，也對時延有嚴格的要求。

抖動則對另外一些實時應(yīng)用 （如視頻、語音、1588v2等）的質(zhì)量有重大影響。這類業(yè)務(wù)中很大一部分是Internet應(yīng)用，過大的抖動，給用戶體驗造成嚴重影響。一定范圍內(nèi)的抖動，可以通過終端的設(shè)置，例如合理的緩沖區(qū)設(shè)置得到平滑。但是超過一定范圍的抖動，則會引起緩沖區(qū)的溢出（overrun）或者欠載（underrun），引起語音、視頻質(zhì)量的劣化。

顯而易見，用全端口拓撲，可以測試交換機每一個報文經(jīng)過出入物理端口和交換矩陣的每一條路徑上的時延、抖動，而使用蛇形拓撲測試的時延和抖動，則是從物理端口1進入物理端口48處的整條蛇形路徑的端到端時延和抖動。在現(xiàn)網(wǎng)中，以太網(wǎng)分組一般情況下都是從交換機的一個端口進，經(jīng)過交換矩陣交換，從另外一個端口出，沒有經(jīng)過蛇形路徑。所以使用蛇形拓撲測試對于時延和抖動測試無現(xiàn)實意義。

3 分組丟失情況下的負載問題

在上述例子中，簡單地看全端口拓撲和蛇形拓撲，似乎都對交換機施加了同樣的全負載壓力，但仔細分析，蛇形拓撲在有些情況下不能達到額定的負載。在全端口測試下，不管交換機是否丟失分組，測試儀表總是向被測交換機施加額定的負載。而蛇形測試下，如果有分組丟失，那么就達不到額定的負載。

比如在蛇形拓撲下，假設(shè)參與蛇形測試的端口總數(shù)為24，測試儀表向端口1發(fā)送 1 000幀/s，那么被測設(shè)備單方向的額定負載是24 000幀/s。如果在端口1→端口2的轉(zhuǎn)發(fā)中，丟了5個分組，那么端口2環(huán)回給端口3的流量就只有995幀/s了，即使在整個蛇形路徑的后面部分不再丟失分組，那么被測設(shè)備在這個方向上得到的額定負載也就是 1 000+995×23=23 885幀/s，和額定的負載差了115幀/s。如果分組丟失更多或者路徑上更多的部分分組丟失，那么施加到交換機上的負載和額定負載相差更多。

4 測試流量分布問題

在構(gòu)建測試流量的時候，根據(jù)不同的測試場景和需求通常有3種測試流量分布的方式，如圖3所示。

圖3 流量分布模式

·fully meshed模式，指流量從每一個端口發(fā)往所有其他的端口。

·backbone模式，指流量從部分端口發(fā)往另一部分端口，既可以是單向的，也可以是雙向的。

·pair模式，指流量在一對或多對端口之間轉(zhuǎn)發(fā)，既可以是單向的，也可以是雙向的。

在全端口測試時，測試人員可以根據(jù)需要選擇任意一種或者多種方式的組合來構(gòu)建流量，以達到不同的測試效果；而在蛇形測試時，所有參與測試的端口只可能構(gòu)建pair模式的流量。

而不同模式下對被測設(shè)備的壓力也是不同的。圖4、圖5形象地說明了這一情況。

圖4 pair模式下被測設(shè)備的壓力情況

圖5 fully meshed模式下被測設(shè)備的壓力情況

在pair模式下，測試流量可能只對端口下的轉(zhuǎn)發(fā)處理芯片構(gòu)成壓力，而在fully meshed模式下，則是對交換引擎/交換矩陣/背板構(gòu)成壓力。

5 流量模型問題

在全端口測試中，由于所有端口同時發(fā)起流量，并且都是相互獨立的，在出端口短期內(nèi)有很大機率會形成小突發(fā)（burst）。在現(xiàn)網(wǎng)中，這稱為microburst，在現(xiàn)網(wǎng)非常常見，需要交換機具備一定的突發(fā)處理能力。很多廠商的交換機，如Cisco、Arista、Juniper等都在公開測試中宣稱他們的設(shè)備具有處理microburst的能力。

圖6為microburst形成機制示意。

圖6 microburst形成機制

在蛇形測試中，每個端口的流量模型是由第一個端口決定的。如果每對端口之間都能不丟失分組地轉(zhuǎn)發(fā)，那么流量基本上是從端口1復(fù)制到端口3，到端口5……是順序轉(zhuǎn)發(fā)，不會出現(xiàn)如圖6所示的microburst，無法解壓緩沖區(qū)。在這種情況下，蛇形拓撲很有可能獲得比全端口測試法更好的測試結(jié)果，但這種更好的測試結(jié)果對于評估設(shè)備的真實工作能力毫無益處。

6 表項填充和查表

交換機上有很多地址表，比如二層交換機有MAC地址表，三層交換機有MAC地址表、FIB表等。以MAC地址表為例，學(xué)習(xí)和查找是基于散列算法，以MAC和VLAN為索引進行散列，得到散列索引值，再進行地址表學(xué)習(xí)和查找。這就存在散列沖突，處理散列沖突對于地址學(xué)習(xí)和交換機的性能很重要。

看一下全端口拓撲和蛇拓撲的不同情況。在全端口下，一般測試用的每個端口的測試流量的MAC地址是不同的，端口VLAN則根據(jù)測試配置決定。在蛇形拓撲下每個端口的測試流量的MAC地址是完全相同，都是端口1和端口48發(fā)送的測試幀的地址，而端口1、端口3、端口5等的VLAN是各不相同。兩種情況下，通過計算產(chǎn)生的散列值沖突率肯定不同，對地址學(xué)習(xí)和地址查找造成的影響也不同，轉(zhuǎn)發(fā)性能自然也會有差異。

全網(wǎng)狀拓撲和蛇形拓撲在采用多地址下測試結(jié)果、在采用單一地址測試端口密度較低的低端設(shè)備時，差別微乎其微。但測試流量所用地址越多，被測設(shè)備端口密度越高，通過散列算法填表和查表的差異就越明顯。

一般情況下，全端口拓撲的地址分布比較符合現(xiàn)網(wǎng)的情況，而蛇形拓撲這種不同端口下學(xué)習(xí)到相同MAC地址的情況在現(xiàn)網(wǎng)中很少見，而且會認為是生成樹出現(xiàn)循環(huán)的征兆。相比蛇形拓撲，全端口拓撲的測試結(jié)果更有實際意義。

對于3層交換設(shè)備來說，F(xiàn)IB表依據(jù)最長匹配原則，采用搜索樹算法、全端口拓撲，每個測試端口和被測交換機/路由器先建立路由鄰接關(guān)系，然后通告大量路由給被測交換機/路由器，最后在這些通告的路由子網(wǎng)之間建立測試流量測試性能，這完全是現(xiàn)網(wǎng)場景下的性能評估，對搜索樹的覆蓋率很高。而采用蛇形拓撲，只能進行純數(shù)據(jù)層面的測試，無法再建立協(xié)議平面，如果采用L2 VPN實現(xiàn)蛇形，那么完全沒有路由，采用L3 VPN,最多只能在每個端口VRF路由表中設(shè)置若干條靜態(tài)路由，以保證連通性，所以通常是端口1和端口48單一地址之間的簡單流量，和現(xiàn)網(wǎng)相去甚遠。由此可知，全端口拓撲和蛇形拓撲差別還是比較大的。

7 其他方面的原因

由于上述幾方面原因，流量模型的不同，對設(shè)備施加的壓力不同，設(shè)備的能耗、散熱都不一樣。一般來說，當設(shè)備壓力大、CPU負載高時，能耗大、散熱量高，引起問題的可能性較大。從這個角度說，全端口比蛇形拓撲更有可能測試出問題。

另外，全端口拓撲更容易進行問題定位，現(xiàn)在的測試儀表一般都有基于每一條流的大量實時統(tǒng)計，很容易分析出是哪個端口到哪個端口的流量發(fā)生問題。蛇形拓撲測試出問題，定位很難，不方便很快確定問題出現(xiàn)在哪一段，測試者看到的只是端到端的問題，一般要做二次測試來定位。

8 結(jié)束語

對于連通性測試或者某些功能測試，蛇形拓撲是一種性價比非常高，而且也非常有效的測試方案，用兩個端口就可以達到測試目的，儀表利用率很高。但是對于路由器性能測試，不管是從評測機構(gòu)和企業(yè)設(shè)備選型或評測鑒定角度，還是從設(shè)備廠商日常研發(fā)測試角度，都建議采用全端口拓撲進行測試。

1 RFC 2544.Benchmarking Methodology for Network Interconnect Devices,1999