IP網(wǎng)絡(luò)設(shè)備多業(yè)務(wù)疊加測試方法探討

陳華南，王素彬，徐愛鋒

（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

世界通信產(chǎn)業(yè)規(guī)模持續(xù)飛速發(fā)展，IP網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)與帶寬基本遵循摩爾定律，IP網(wǎng)絡(luò)容量面臨前所未有的壓力?；ヂ?lián)網(wǎng)流量增長率維持在50%以上，以O(shè)TT視頻、云化服務(wù)為代表的新型互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)進一步加劇網(wǎng)絡(luò)流量增長。與此同時，芯片技術(shù)與高速背板技術(shù)高速發(fā)展，IP網(wǎng)絡(luò)大容量設(shè)備及高速端口陸續(xù)面市，單槽400 Gbit/s能力IP網(wǎng)絡(luò)設(shè)備逐漸成為主流，40GE/100GE高速端口替代40 Gbit/s POS（packet over SONET/SDH）成為主要端口類型。

IP網(wǎng)絡(luò)設(shè)備測試是網(wǎng)絡(luò)建設(shè)至關(guān)重要的環(huán)節(jié)。IP路由器是IP網(wǎng)絡(luò)的核心組成部分，其性能、功能、安全性及可靠性等直接決定了IP網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)承載能力。隨著業(yè)務(wù)類型多樣化、網(wǎng)絡(luò)容量大型化，傳統(tǒng)測試方法無法獲得設(shè)備整體的評價，運營商需重新思考與梳理新的測試方法，以滿足新時期網(wǎng)絡(luò)建設(shè)需求。本文擬從多業(yè)務(wù)承載角度出發(fā)，探討IP網(wǎng)絡(luò)設(shè)備測試方法，以合理評價IP網(wǎng)絡(luò)設(shè)備性能指標。

圖1 100 Gbit/s單板轉(zhuǎn)發(fā)性能拓撲

表1 板卡轉(zhuǎn)發(fā)性能測試場景

2 IP網(wǎng)絡(luò)設(shè)備測試需求

2.1 傳統(tǒng)測試方法局限性

傳統(tǒng)測試方法無法準確地反映路由器的真實性能。在傳統(tǒng)測試方法中，一般只關(guān)注單純IP轉(zhuǎn)發(fā)環(huán)境下單字節(jié)的轉(zhuǎn)發(fā)性能，如采用RFC2544/2889等測試標準考察路由器的吞吐量、時延及分組丟失現(xiàn)象?，F(xiàn)階段，路由器的硬件資源分配機制主要采用共享管理并動態(tài)分配的方式，在單獨測試某個性能指標時，可通過調(diào)整路由器資源全部分配給某個協(xié)議功能，測試獲得結(jié)果是理想狀態(tài)下的最大值，不符合實際網(wǎng)絡(luò)環(huán)境要求。

在多業(yè)務(wù)疊加場景下，設(shè)備處理各種類型業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)時會增加額外的系統(tǒng)開銷，采用傳統(tǒng)測試方法無法反映出這部分開銷對設(shè)備性能的影響程度。下面以路由器100 Gbit/s板卡分別在純IP報文轉(zhuǎn)發(fā)、疊加分組過濾防火墻轉(zhuǎn)發(fā)、疊加NAT轉(zhuǎn)發(fā)、疊加QoS轉(zhuǎn)發(fā)及3類業(yè)務(wù)疊加下轉(zhuǎn)發(fā)這5個場景的轉(zhuǎn)發(fā)性能測試為例，說明業(yè)務(wù)處理對轉(zhuǎn)發(fā)性能的影響，測試拓撲如圖1所示。

測試儀表各個端口分別模擬路由器與被測設(shè)備建立iBGP鄰居，同時注入50000條離散路由。基于路由信息，測試儀表構(gòu)建全連接（full-mesh）流量模型，與被測設(shè)備進行不同場景流量交互，具體要求見表1。

路由器100 Gbit/s板卡測試結(jié)果如圖2所示，設(shè)備在不同場景下小字節(jié)處理能力差異非常大，如在64 byte的轉(zhuǎn)發(fā)性能如下:

圖2 不同場景下路由器轉(zhuǎn)發(fā)結(jié)果

·在單純的IP轉(zhuǎn)發(fā)環(huán)境下，被測設(shè)備的轉(zhuǎn)發(fā)性能為線速的82%左右；

·當僅疊加分組過濾防火墻時，被測設(shè)備的轉(zhuǎn)發(fā)性能下降到63%左右；

·當僅疊加NAT或QoS時，被測設(shè)備的轉(zhuǎn)發(fā)性能進一步下降到28%左右；

·當疊加所有上述業(yè)務(wù)時，被測設(shè)備的轉(zhuǎn)發(fā)性能下降到10%左右。

2.2 IP網(wǎng)絡(luò)設(shè)備測試需求變化

IP網(wǎng)絡(luò)設(shè)備測試目的是保證將來網(wǎng)絡(luò)設(shè)備部署到實際網(wǎng)絡(luò)中能夠達到預期功能與性能，滿足業(yè)務(wù)承載需求。這要求實驗室測試環(huán)境能最大限度地接近現(xiàn)網(wǎng)及未來網(wǎng)絡(luò)的環(huán)境和業(yè)務(wù)，以驗證設(shè)備的真實性能并預先發(fā)現(xiàn)將來部署后的問題。

高端路由器朝多業(yè)務(wù)融合方向發(fā)展。在傳統(tǒng)路由與轉(zhuǎn)發(fā)功能基礎(chǔ)上，核心路由器融合了IPv6、多播、MPLS（multiprotocol label switching，多協(xié)議標簽交換）等多種業(yè)務(wù)；多業(yè)務(wù)網(wǎng)關(guān)則融合了CGN、VPN及DPI等業(yè)務(wù)，未來可能融合4G移動核心網(wǎng)部分功能。隨著功能實體變化，路由器在實際網(wǎng)絡(luò)中扮演的角色也發(fā)生了變化。由傳統(tǒng)意義上的網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)設(shè)備轉(zhuǎn)變?yōu)榧粨Q、路由、寬帶接入以及語音、數(shù)字網(wǎng)關(guān)為一體的綜合網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。實驗室測試除了考察傳統(tǒng)的設(shè)備技術(shù)功能與性能之外，需結(jié)合未來業(yè)務(wù)承載需求進行測試場景設(shè)計。

3 IP設(shè)備多業(yè)務(wù)疊加測試方法

下面將以核心路由器多業(yè)務(wù)疊加測試為例闡述IP網(wǎng)絡(luò)設(shè)備測試過程，主要包括測試拓撲、業(yè)務(wù)類型、業(yè)務(wù)策略及測試結(jié)果分析4個方面的內(nèi)容。

3.1 IP設(shè)備多業(yè)務(wù)疊加測試網(wǎng)絡(luò)模型

多業(yè)務(wù)疊加測試網(wǎng)絡(luò)模型從設(shè)備定位出發(fā)，綜合考慮業(yè)務(wù)運營模式、預測業(yè)務(wù)流量、網(wǎng)絡(luò)層次、設(shè)備類型、鏈路類型、地理位置及機房分布等因素；同時，測試路徑須全面涵蓋不同層次節(jié)點組成的路徑，包括核心之間、核心到匯聚節(jié)點之間等。

在IP城域網(wǎng)中，核心路由器為核心層唯一組成設(shè)備，負責進行業(yè)務(wù)接入控制點設(shè)備匯接并提供IP城域網(wǎng)到骨干網(wǎng)的出口，如圖3所示。核心路由器測試重點關(guān)注其對各類業(yè)務(wù)進行匯聚與轉(zhuǎn)發(fā)，此外穩(wěn)定性與可靠性也是其必選要求。具體網(wǎng)絡(luò)需求與測試內(nèi)容對應(yīng)關(guān)系見表2。

綜合考慮網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)與業(yè)務(wù)承載需求，核心路由器多業(yè)務(wù)疊加網(wǎng)絡(luò)模型以評估整機性能為目標，采用網(wǎng)絡(luò)測試儀表模型業(yè)務(wù)，實現(xiàn)各類業(yè)務(wù)注入；通過輔助路由器實現(xiàn)路由協(xié)議及多播互通等，測試拓撲如圖4所示。

3.2 IP設(shè)備多業(yè)務(wù)疊加業(yè)務(wù)模型

業(yè)務(wù)類型不僅需要考慮當前業(yè)務(wù)模型，還需考慮未來3年業(yè)務(wù)發(fā)展需求。在考察設(shè)備業(yè)務(wù)功能的同時考察其性能情況，核心路由器多業(yè)務(wù)疊加測試應(yīng)包括以下業(yè)務(wù)類型。

圖3 城域網(wǎng)架構(gòu)

表2 IP網(wǎng)絡(luò)設(shè)備測試內(nèi)容要求

·10 Gbit/s端口迂回流量轉(zhuǎn)發(fā)性能:建議采用16個10 Gbit/s POS與16個10 Gbit/s WAN組成測試拓撲，注入比例為 IPv4∶MPLS∶IPv6=45%∶30%∶20%的流量，DUT（device under test，被測設(shè)備）按路由或標簽正常轉(zhuǎn)發(fā)。

·40 Gbit/s端口轉(zhuǎn)發(fā)性能:建議采用2個40 Gbit/s POS接口與測試儀表互聯(lián)，注入比例為IPv4∶MPLS∶IPv6=45%∶30%∶20%的流量，DUT按路由或標簽正常轉(zhuǎn)發(fā)。

·100GE端口轉(zhuǎn)發(fā)性能:建議采用2個100GE接口與測試儀表互聯(lián)，注入比例為IPv4∶MPLS∶IPv6=45%∶30%∶20%的流量，DUT按路由或標簽正常轉(zhuǎn)發(fā)。

·策略路由驗證流量:采用2個10 Gbit/s POS與2個10 Gbit/s WAN組成測試拓撲，注入比例為IPv4∶IPv6=80%∶19%的流量，DUT按照策略路由要求在多個端口之間進行流量轉(zhuǎn)發(fā)。

·多播業(yè)務(wù)流量:采用8個10GE端口與測試儀表互聯(lián)，模擬多播源，向測試拓撲中注入IPv4/IPv6多播流量。同時在被測試設(shè)備中，選擇1個10GE端口模擬多播振蕩，不間斷發(fā)送PIMv4/v6 join/leave信息。

圖4 多業(yè)務(wù)疊加測試拓撲

·ISIS路由仿真:采用1個10GE端口，分別模擬包含1500個路由節(jié)點，共10000條路由的ISIS拓撲數(shù)據(jù)庫與500個路由節(jié)點，共3000條路由的ISISv6拓撲數(shù)據(jù)庫，注入被測設(shè)備。

·ISIS鄰居仿真:采用2個10GE端口，每個10GE端口模擬100個子接口（VLAN），分別與被測設(shè)備建立100個直連路由ISIS/ISISv6鄰居。

·BGP路由表容量仿真:采用2個10GE端口，分別向被測試設(shè)備注入eBGP和iBGP路由，包含50萬個IPv4路由和100萬個路徑，25萬個BGP4+路由與50萬個BGP4+路徑。

3.3 IP設(shè)備多業(yè)務(wù)疊加業(yè)務(wù)策略

隨著網(wǎng)絡(luò)多業(yè)務(wù)承載，各類業(yè)務(wù)對網(wǎng)絡(luò)時延、分組丟失及抖動的要求不同。核心路由器須實現(xiàn)各類業(yè)務(wù)質(zhì)量保障，不僅對各類業(yè)務(wù)流量應(yīng)按照業(yè)務(wù)等級在流量入方向時進行QoS重標識，且能配置相應(yīng)調(diào)度算法，在流量擁塞時，優(yōu)先保障高等級業(yè)務(wù)轉(zhuǎn)發(fā)。流量QoS重標識見表3（表中IPP、EXP及traffic class值代表數(shù)據(jù)分組特定位置標識位，用來標識此數(shù)據(jù)分組的業(yè)務(wù)優(yōu)先級分類）。

表3 業(yè)務(wù)QoS重標識

被測設(shè)備在出方向配置8個QoS隊列及相應(yīng)調(diào)度的策略和分組丟失策略，包括WRR（weighted round robin）中各隊列的權(quán)重參數(shù)，WRED（weighted random early detection，加權(quán)隨機早期檢測）最小閾值與最大閾值，分組丟失概率等參數(shù)，以實現(xiàn)各隊列按優(yōu)先級差異丟失分組，具體策略見表4。

3.4 IP設(shè)備多業(yè)務(wù)疊加測試結(jié)果及分析

通過以上幾乎真實的業(yè)務(wù)疊加模型，可獲取被測設(shè)備真實的業(yè)務(wù)功能及性能情況，包括設(shè)備轉(zhuǎn)發(fā)性能、設(shè)備路由能力、業(yè)務(wù)支持能力（MPLS/多播等）以及長時間運行的穩(wěn)定性與可靠性。此外，在相同業(yè)務(wù)場景下對不同被測設(shè)備進行比較與區(qū)分，更能體現(xiàn)設(shè)備之間的差異。A、B、C 3款設(shè)備在疊加相同的業(yè)務(wù)內(nèi)容后，性能指標各不相同，其中B設(shè)備的性能相對于A與C更高，且在疊加多業(yè)務(wù)場景下穩(wěn)定性更好，如圖5所示。

表4 業(yè)務(wù)調(diào)度策略

圖5 多業(yè)務(wù)疊加測試結(jié)果

4 結(jié)束語

IP網(wǎng)絡(luò)設(shè)備測試是設(shè)備引入的重要環(huán)節(jié)，是運營商直接獲得設(shè)備整體評價的主要手段。本文所探索的IP網(wǎng)絡(luò)設(shè)備多業(yè)務(wù)疊加測試方法，為新時期IP網(wǎng)絡(luò)設(shè)備測試提供了一種可行的方案，提升了測試的科學性與合理性。由于互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)變化較快、設(shè)備融合功能更新快，在IP網(wǎng)絡(luò)多業(yè)務(wù)疊加測試上后續(xù)應(yīng)重點關(guān)注各項需求變化，不斷地完善整體技術(shù)方案。此外，還可疊加上4層仿真流量（如TCP流量），模擬真實的流量（P2P流量、HTTP流量等）注入被測設(shè)備，更能反映出IP設(shè)備的能力。

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2 郭亮,王素彬,趙雋琪等.路由器性能測試中蛇形測試的局限性探討.電信科學，2013，29（11）

3 楊中賢.IP網(wǎng)絡(luò)設(shè)備高級性能測試方法.電信網(wǎng)技術(shù)，2013（2）

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