多節(jié)點條件下中間件性能驗證方案

金亞東+畢艷梅+褚雪芹

摘 要：某DCS平臺的設計實現(xiàn)中需采用中間件技術，但是伴隨系統(tǒng)節(jié)點數(shù)的增加，中間件數(shù)量亦同時增加。為了驗證在多個節(jié)點條件下中間件性能是否能夠滿足設計要求，本文給出一種驗證方案。

關鍵詞：中間件；性能

中圖分類號： TP311 文獻標識碼： A 文章編號： 1673-1069（2017）05-193-2

1 概述

某DCS平臺采用中間件技術實現(xiàn)資源共享，實際設計過程中發(fā)現(xiàn)中間件采用UDP廣播的方式進行數(shù)據(jù)傳輸，可支持的節(jié)點數(shù)量未知。為了獲知中間件在多節(jié)點條件下的產品性能以及中間件可支持的節(jié)點數(shù)量，現(xiàn)提出虛擬機模擬多節(jié)點的方案，來驗證中間件在多節(jié)點（多于50個）下的數(shù)據(jù)傳輸性能。

2 方案可行性分析

中間件通訊在數(shù)據(jù)包長度一定的情況下，造成丟包的主要原因是數(shù)據(jù)包收發(fā)頻率。中間件采用UDP廣播協(xié)議，服務端發(fā)送一次數(shù)據(jù)包，所有設定網(wǎng)段內的節(jié)點都能夠接收到該數(shù)據(jù)包。如果沒有發(fā)生丟包現(xiàn)象，節(jié)點數(shù)量增加，不會增加數(shù)據(jù)流量。但是如果服務端或者客戶端出現(xiàn)一次丟包，接收數(shù)據(jù)不全的節(jié)點便會向服務端發(fā)送三次ACK包，請求重發(fā)丟失的數(shù)據(jù)包。隨著節(jié)點數(shù)量的增加，請求重發(fā)的節(jié)點數(shù)量亦有可能增加，從而造成請求重發(fā)數(shù)據(jù)包的頻率增加，進而影響中間件的通信性能。如果采用虛擬機模擬多節(jié)點，那么虛擬機中的中間件接收數(shù)據(jù)包或者請求重發(fā)數(shù)據(jù)包的機制應該獨立于宿主機中的中間件，能夠在發(fā)生丟包情況后請求服務端重發(fā)。

橋接模式原理圖如圖1所示。

橋接是指在物理網(wǎng)卡上安裝一個橋接協(xié)議，使網(wǎng)卡處于混雜模式，能夠將物理網(wǎng)卡的數(shù)據(jù)包和虛擬機網(wǎng)卡數(shù)據(jù)包都接收或者發(fā)送。物理網(wǎng)卡收到虛擬機的數(shù)據(jù)包后，通過虛擬交換機將數(shù)據(jù)轉發(fā)至虛擬網(wǎng)卡內部。宿主機和虛擬機各占有一個IP地址，宿主機使用自身的物理網(wǎng)卡，虛擬機使用其虛擬網(wǎng)卡，虛擬機相當于在宿主機所在局域網(wǎng)內的一個單獨的主機，虛擬機和宿主機接收數(shù)據(jù)或者請求重發(fā)的行為是互不干擾，相互獨立的。與兩臺宿主機各自安裝一個中間件的配置相比，圖1所示配置需要宿主機物理網(wǎng)卡多做的任務是虛擬機的數(shù)據(jù)包轉發(fā)至虛擬交換機。即使宿主機的中間件沒有啟動，虛擬機中的中間件也可以正常接收數(shù)據(jù)。在宿主機物理網(wǎng)卡的吞吐量范圍內，宿主機內所裝載的虛擬機便可以模擬多個節(jié)點。

為了驗證方案的可行性，在節(jié)點-74上裝入6臺虛擬機，其系統(tǒng)架構圖如圖2所示。實體節(jié)點-74和6臺虛擬機之間采用橋接的方式進行連接，虛擬機可以和節(jié)點-74以及外界的服務器和主機進行正常中間件通信。在虛擬機上進行數(shù)據(jù)抓包，通過分析打印的數(shù)據(jù)流向，可知數(shù)據(jù)的發(fā)送端是服務器CS1-1和PS-1，而不是宿主機，說明了數(shù)據(jù)流不是由宿主機分發(fā)或者復制到虛擬機上的，虛擬機在局域網(wǎng)內相當于一個獨立的主機，可以不依賴于宿主機接收來自于服務端的數(shù)據(jù)。

經(jīng)過中間件的實時通信測試，無論宿主機內的中間件是否啟動，虛擬機內裝的各節(jié)點都可以正常接收服務器所發(fā)送的數(shù)據(jù)。這7個節(jié)點上的中間件可以較好地獨立運行，24小時運行時間內沒有出現(xiàn)要求重發(fā)的請求記錄，丟包率為0。測試結果表明，該方案具有可行性，可以進一步擴大實體節(jié)點數(shù)量，進行較多節(jié)點的中間件性能測試。

3 系統(tǒng)配置

該方案系統(tǒng)架構圖如圖3所示，一層網(wǎng)絡和二層網(wǎng)絡都采用環(huán)網(wǎng)形式，虛擬機軟件采用開源免費軟件VirtualBox。各臺虛擬機所裝的系統(tǒng)和軟件和實體節(jié)點完全相同，各臺虛擬機相互獨立，能夠以最接近真實的方式模擬多個節(jié)點。每臺實體機內裝有6臺虛擬機，8臺實體機總共相當于56個節(jié)點，可以滿足大節(jié)點配置需求。

4 判定標準

中間件測試的性能指標包括網(wǎng)絡丟包率和數(shù)據(jù)正確性。當這兩項的測試結果均在可接受范圍內時，中間件的性能才會被判定為可靠。①網(wǎng)絡丟包率。網(wǎng)絡丟包率是計算測試中所丟失數(shù)據(jù)包數(shù)量占所發(fā)送數(shù)據(jù)包的比率。通常，千兆網(wǎng)卡在流量大于200Mbps時，丟包率小于萬分之五；對于百兆網(wǎng)卡流量大于60Mbps時，丟包率應小于萬分之一[1]。②數(shù)據(jù)正確性。數(shù)據(jù)正確性的驗證主要是驗證模擬量和開關量的信息是否錯位或丟失。

4.1 網(wǎng)絡丟包率統(tǒng)計方法

通過中間件打印的日志記錄來統(tǒng)計網(wǎng)絡丟包率。每個節(jié)點上，中間件將接收到的global寫入內存后，打印一條日志。

利用丟包率計算工具packloss_cal，對該日志文件進行數(shù)據(jù)處理，統(tǒng)計出不同的時間段內中間件收到的數(shù)據(jù)數(shù)目和服務器發(fā)送的數(shù)據(jù)數(shù)目，并計算出不同運行時間段內的丟包率。

4.2 數(shù)據(jù)正確性統(tǒng)計方法

本方案利用數(shù)據(jù)正確性分析工具testTool_correct，對各節(jié)點接收到的數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)正確性分析，判斷是否與設計預期結果一致。該數(shù)據(jù)分析工具可以在節(jié)點上以多進程方式啟動，每個進程分析一組實時數(shù)據(jù)，多進程可分析多組實時數(shù)據(jù)。該進程會每隔2s在終端打印一次累計錯誤數(shù)據(jù)組數(shù)、累計正確數(shù)據(jù)組數(shù)和錯誤率。

該工具有兩個日志文件：buglogXXX.cvs 會記錄運行期間出現(xiàn)數(shù)據(jù)錯誤的時間和數(shù)據(jù)組；datalogXXX.cvs每隔2分鐘記錄一次在這2分鐘內接收的模擬量組數(shù)和開關量組數(shù)。

5 驗證步驟

多節(jié)點中間件性能測試方案的驗證步驟如下：①在實體機器上各裝入6臺虛擬機，并配置相應的軟件和數(shù)據(jù)庫。②選取2臺實體機（總共14個節(jié)點），在實體機上開啟test-Tool correct進程，并同時運行48小時。設開始時刻為t0，從運行日志結果中提取出在時刻t0、t0+2h、t0+4h……t0+48h時的網(wǎng)絡丟包率和數(shù)據(jù)錯誤率，計算出14個節(jié)點在各個時刻的丟包率平均值和正確性平均值。③同上一步，測試21個、28個、35個、42個、49個、56個節(jié)點下的數(shù)據(jù)傳輸丟包率和正確率。a如果從某個數(shù)量的節(jié)點開始出現(xiàn)丟包率和正確性的大幅變化，則調整節(jié)點數(shù)量，確定中間件可支持的節(jié)點數(shù)量拐點。b如果56個節(jié)點時的丟包率仍然沒有變大，增加運行時間或者繼續(xù)增加節(jié)點數(shù)量進行測試。④選取56個節(jié)點進行長時間（大于一個月）運行，觀察并記錄中間件運行性能。

6 數(shù)據(jù)分析

數(shù)據(jù)分析內容如下：①在一定的時間段內，繪制丟包率隨節(jié)點個數(shù)變化的曲線，分析節(jié)點個數(shù)和丟包率的關系，預測更多節(jié)點下的中間件的丟包率。②在節(jié)點個數(shù)固定時，繪制丟包率隨測試時間變化的曲線，分析時間和丟包率的關系，預測更長運行時間后中間件的丟包率。

參 考 文 獻

[1] 許金普.網(wǎng)絡丟包現(xiàn)象原因初探[J].網(wǎng)絡安全技術與應用，2006（11）：22-23.