董思妤 段旭哲 唐 玲

摘 要:定義了不同的數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)發(fā)模型,并利用網(wǎng)絡(luò)仿真工具OPNET在所定義模型下分別對路由器的一些關(guān)鍵性能指標進行了測試,測試結(jié)果表明當(dāng)轉(zhuǎn)發(fā)模型為均勻流量時路由器的性能要遠遠好于非均勻流量轉(zhuǎn)發(fā)模型下的性能。故得出IETF有關(guān)性能評測的方法與度綱不完備,未能對網(wǎng)絡(luò)一般和極端環(huán)境下設(shè)備的性能進行評測,必須擴展IETF現(xiàn)有的性能評測度綱,從而為路由器的性能評價提供更全面的評價指標體系。

關(guān)鍵詞:性能評測指標;抖動;恒速率流;變速率流;可用速率流

中圖分類號:TP393.06

0 引 言

路由器和交換機是Internet的關(guān)鍵中繼設(shè)備,它們在通信子網(wǎng)中轉(zhuǎn)發(fā)網(wǎng)絡(luò)層的IP報文或數(shù)據(jù)鏈路層的幀。路由器或交換機內(nèi)的協(xié)議實現(xiàn)是否符合相關(guān)標準必須通過“一致性測試”(Conformance Testing)進行評價。而它們的可量化參數(shù)(吞吐率、轉(zhuǎn)發(fā)時延、抖動和數(shù)據(jù)丟失率等),由于直接關(guān)系到網(wǎng)絡(luò)提供的服務(wù)質(zhì)量,也必須通過測試方法對其性能進行評價。對路由器/交換機性能的評價,除了需要良好的測試方法模擬設(shè)備正常與極端情況下的工作環(huán)境和能夠控制測試環(huán)境的測試系統(tǒng)外,還需要合理的評價指標體系,即所謂“測試度綱”(Test Metrics)。測試度綱定義測試過程中注入被測對象輸入的數(shù)據(jù)格局(數(shù)據(jù)到達率及其分布規(guī)律),即概率分布、輸入數(shù)據(jù)流之間關(guān)系的控制和協(xié)調(diào)以及輸入/輸出數(shù)據(jù)間的轉(zhuǎn)發(fā)規(guī)律。對被測對象的測試需要通過向被測對象發(fā)送測試控制數(shù)據(jù)和觀察被測對象對測試控制數(shù)據(jù)的應(yīng)答來完成。對多端口中繼設(shè)備,為了模擬設(shè)備真實的網(wǎng)絡(luò)工作環(huán)境,必須對多端口設(shè)備的所有輸入/輸出端口同時進行控制與監(jiān)測。這就是本文的主要內(nèi)容。

1 測試數(shù)據(jù)流特性及應(yīng)用模型

1.1 定義測試數(shù)據(jù)的必要性

隨著多媒體數(shù)據(jù)(包括恒速與變速的實時數(shù)據(jù))在Internet數(shù)據(jù)流中所占比例的不斷變化,使現(xiàn)代路由器的外部數(shù)據(jù)到達率的規(guī)律也不斷發(fā)生變化,某一類型的輸入數(shù)據(jù)相對路由器或交換機來說是一個隨機過程,因此不同類型的輸入數(shù)據(jù),其表現(xiàn)的統(tǒng)計分布是不同的。因此,現(xiàn)代路由器測試設(shè)備還必須具備在不同端口上模擬不同速率的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)到達率的能力,以仿真真實的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境,測試路由器的實際性能指標參數(shù)的能力。

1.2 測試數(shù)據(jù)的分類

根據(jù)ITU[CD*2]T建議,信源以速率來分有三類:恒速率流(Constant Bit Rate,CBR)、變速率流(Variable Bit Rate,VBR)和可用速率流(Available Bit Rate,ABR)。在此以這三類典型數(shù)據(jù)流為基礎(chǔ),根據(jù)它們的統(tǒng)計特性生成測試數(shù)據(jù)流,CBR的典型代表是普通電話業(yè)務(wù)和普通視頻音頻業(yè)務(wù),通常是未壓縮音頻和視頻信息,是簡單的恒定速率信源。VBR的特點是信息流在活動與非活動階段交替或數(shù)據(jù)流速是連續(xù)變化的,采用壓縮技術(shù)的語音和視頻信源是VBR的典型代表。ABR可用來表示非實時的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù),它的到達具有極高的突發(fā)性,速率差別較大,數(shù)據(jù)量的大小也難以預(yù)測,例如文本、圖片等數(shù)據(jù),它們都是非實時數(shù)據(jù)。通過組合大量特征各異的數(shù)據(jù)流就可以在一定程度上模擬實際網(wǎng)絡(luò)中復(fù)雜的流量環(huán)境。

(1) 恒速率流(CBR)及模型

現(xiàn)行的仿真研究大部分都在應(yīng)用恒定比特率(CBR) 業(yè)務(wù)模型進行研究。在CBR業(yè)務(wù)中,通過平滑緩沖器或控制信源產(chǎn)生速率,CBR視頻或音頻信號以均勻速率在網(wǎng)絡(luò)上傳送連續(xù)比特流。對于這類數(shù)據(jù)流,了解其最大比特率就足以刻畫。恒定速率的實時數(shù)據(jù)流在格式上呈現(xiàn)為連續(xù)的比特流,通常數(shù)據(jù)流間沒有明顯的界限,而對于瞬時的數(shù)據(jù)流不敏感。但要求傳輸時延盡量小,傳輸抖動小。

CBR是一種均勻(Constant)流量模型,它所產(chǎn)生的測試流量是恒定的,這主要體現(xiàn)在測試數(shù)據(jù)包之間的時間間隔是固定的。圖1是均勻流量模型,它只有一個狀態(tài),以恒速率玽發(fā)送測試流量。均勻流量模型雖然是最簡單的,但它仍然是使用最廣泛的一種流量模型。它的優(yōu)點是實現(xiàn)和配置簡單,便于對結(jié)果進行比較。

(2) 變速率流(VBR)及模型

變速率流(VBR)業(yè)務(wù)傳輸是一相對較新的研究領(lǐng)域。這類數(shù)據(jù)流對于時延和抖動也有嚴格的要求,與CBR主要不同之處是它的傳輸速率會隨時間變化。VBR是一種突發(fā)(Bursty) 流量模型,它所產(chǎn)生的測試數(shù)據(jù)包之間的時間間隔是變化的,可以用于測試網(wǎng)絡(luò)設(shè)備在突發(fā)數(shù)據(jù)包情況下的性能,其流量模型可以使用有限狀態(tài)機來描述,本文用ON/OFF過程模型[3]來描述其特性。ON/OFF過程模型的參數(shù)比較簡單,容易分析,而且又能模擬信源的突發(fā)性和相關(guān)性,因此,可以用來模擬高速網(wǎng)絡(luò)中的話音源、數(shù)據(jù)源等。到目前為止,這是性能評價領(lǐng)域內(nèi)使用得最廣泛的模型。

ON/OFF 過程模型假定測試數(shù)據(jù)包的產(chǎn)生在㎡N狀態(tài)(發(fā)送測試數(shù)據(jù)包狀態(tài))和OFF狀態(tài)(空閑狀態(tài))交替變化,在ON狀態(tài)時以固定的速率玽(傳輸鏈路的線速率)發(fā)送數(shù)據(jù)包,如圖2所示,在OFF狀態(tài)時不發(fā)送數(shù)據(jù)包,傳輸鏈路的負載由ON狀態(tài)和OFF狀態(tài)的時間長度決定。一般地,認為連續(xù)的ON期間和OFF期間都是獨立同分布的,這樣要描述ON/OFF數(shù)據(jù)源的隨機元素只需要控制ON和OFF期間長度的分布就足夠。這里討論的ON/OFF過程模型中ON和OFF期間的時間長度分布滿足幾何分布。

(3) 可用速率流(ABR)及模型

這類數(shù)據(jù)流具有突發(fā)性,但同時又對時延和時延抖動沒有嚴格的要求。例如文本、圖片等數(shù)據(jù),它們都是非實時數(shù)據(jù),比特率從幾個 Kb/s 到幾百 Kb/s。網(wǎng)絡(luò)在處理這類通信流量的時候就具有更大的靈活性,并且應(yīng)該更好地使用復(fù)用來提高網(wǎng)絡(luò)的效率。在此使用一般獨立到達過程泊松過程來描述其特性,數(shù)據(jù)包到達時刻的時間間隔是相互獨立同分布的隨機變量,泊松過程的時間間隔服從指數(shù)分布。

2 性能測試中數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)發(fā)模型

2.1 均勻轉(zhuǎn)發(fā)模型

(1) 一般性均勻轉(zhuǎn)發(fā)模型(即RFC2544中所定義的模型)。即將輸入數(shù)據(jù)流隨機均勻地轉(zhuǎn)發(fā)到各個目的輸出端口。

(2) 短期突發(fā)長期均勻轉(zhuǎn)發(fā)模型。

設(shè)長期的業(yè)務(wù)流為均勻業(yè)務(wù),因為從長期的統(tǒng)計特性來看,對于某一輸入端口而言,它去往各個輸出端口的數(shù)據(jù)流量往往是較為平均的,對于某一輸出端口而言,它所接收到的數(shù)據(jù)流量常平均地來自各個輸入端。而在實際情況中,特別是在短時間內(nèi),輸出端口所接收到的數(shù)據(jù)流量在各個輸入端之間往往是不均等的,或者輸入端口去往各個輸出端口的數(shù)據(jù)流量是不均等的。比如某個大型網(wǎng)站提供了一熱門視頻的下載或點播。突發(fā)特性主要表現(xiàn)為輸出端口地址分配的突發(fā)性,即有多個輸入端口流量同時去往同一輸出端口時造成輸出端口擁塞的情況。針對此種情況,對測試數(shù)據(jù)流流向輸出端口的分布可利用ON/OFF模型的開關(guān)控制時間來實現(xiàn)。

首先根據(jù)相關(guān)參數(shù)計算出ON階段和OFF階段的長度,在ON階段隨機選擇一個端口作為輸出地址,在該階段內(nèi)產(chǎn)生的所有包都去往同一個輸出端口,形成地址突發(fā),而在各個ON階段隨機地選擇輸出端口地址。

2.2 非均勻轉(zhuǎn)發(fā)模型

(1)熱點(hotspot)流量模型。

所謂熱點流量就是指所有輸入端口到某輸出端口(熱點)的流量多于往其他端口的流量,即每個時隙到達的所有數(shù)據(jù)包總有一個固定概率到達一個熱點輸出端口。通常用“設(shè)置一個熱點輸出端口,而數(shù)據(jù)包到達其它輸出端口仍為均勻分布”來描述一個熱點流量模型。

設(shè)定交換到該熱點端口的流量占輸出端口總流量的比率為Whotspot,即熱點端口負載的比率,取值[0,1]。以概率Whotspot為測試數(shù)據(jù)包分配熱點端口地址,否則數(shù)據(jù)包隨機分配一個輸出端口地址,來實現(xiàn)輸出端口流量的非均勻分布。

(2)多熱點(multi[CD*2]hotspot)流量模型

在某些情況下,會出現(xiàn)多個端口的負載較高,而其余大部分端口負載較低的情況,相當(dāng)于出現(xiàn)了多個熱點端口,本文將此種流量稱為多熱點流量。

以下討論兩個熱點(Two Hotspots)輸出端口的情況。

在玁個輸出端口中隨機選擇兩個熱點輸出端口,分別稱為Hotspot1和Hotspot2,它們的端口號分別表示為Nhotspot1和Nhotspot2,Hotspot1和Hotspot2并不等同,它們是有區(qū)別的。設(shè)定交換到Hotspot1的流量占輸出端口總流量的比率為Whotspot1,交換到Hotspot2的流量占輸出端口流量中除Hotspot1外流量的比率為Whotspot2,且Whotspot1和Whotspot2取值均為[0,1],則Hotspot1和Hotspot2端口負載的比率分別為Whotspot1,(1-Whotspot1)Whotspot2。分別以概率Whotspot1和(1-Whotspot1)Whotspot2為測試數(shù)據(jù)包分配這兩個熱點端口地址,否則數(shù)據(jù)包隨機分配一個輸出端口地址,來實現(xiàn)多熱點流量。

(3)單到單流量模型

所謂單點到單點流量是指一個輸入端口總是發(fā)送他的(大多數(shù))數(shù)據(jù)包到達它所對應(yīng)的一個輸出端口。通常這樣描述一個單點到單點流量模型:每個輸入端口都有一個對應(yīng)的熱點輸出端口,輸入端口將它的大多數(shù)流量發(fā)送給其對應(yīng)的熱點輸出端口,剩余流量則在其他的輸出端口之間均勻分配。

(4)單到雙流量模型。

所謂單點到雙點流量是指一個輸入端口只發(fā)送它的數(shù)據(jù)包到它所對應(yīng)的兩個輸出端口。通常這樣描述一個單點到雙點流量模型:每個輸入端口都有一個對應(yīng)的熱點輸出端口,輸入端口將它的大多數(shù)流量發(fā)送給其對應(yīng)的熱點輸出端口,剩余流量則發(fā)送給其所對應(yīng)的熱點輸出端口的下一個端口。

2.3 瞬時極限轉(zhuǎn)發(fā)模型

瞬時極限轉(zhuǎn)發(fā)模型即多輸入端口數(shù)據(jù)流同時指向單個或少量輸出端口(造成擁塞和數(shù)據(jù)丟失的場合)。這是各個輸入端口的數(shù)據(jù)流同時指向同一輸出端口的瞬時突發(fā)的情況。

3 仿真實驗及結(jié)果分析

3.1 性能仿真模型的建立

目前許多產(chǎn)品都采用基于crossbar交換網(wǎng)絡(luò)的“輸入排隊+VOQ”的隊列系統(tǒng),例如,Tiny[CD*2]Tera太比特路由器原型,Cisco GSR12000[10]系列IP路由器和BBN MGR系列IP路由器。

在此運用上述交換結(jié)構(gòu)在OPNET ㎝odeler 10.0 [11]仿真環(huán)境中建立傳統(tǒng)路由器的結(jié)點模型。約定路由器的規(guī)模為8×8,且所有鏈路具有相同的速率,不同端口間不進行緩沖共享。

3.2 仿真實驗參數(shù)

仿真實驗參數(shù)如表1所示。

仿真時間/min5多熱點輸出端口2,3[HJ0]

信源負載率0.8熱點端口參數(shù)Whotspot0.035

交換端口速率/pps800 多熱點端口參數(shù)Whotspot1,Whotspot20.04,0.037

數(shù)據(jù)包長度/B1024單點到單點(非均勻因子)0.3

輸入輸出端口數(shù)均為8單點到雙點(非均勻因子)0.3

單熱點輸出端口0VBR中平均突發(fā)長度(packet)8[HJ][HT5SS]

[BT3]3.3 數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)發(fā)模型的正確性驗證

由于篇幅的限制,以下只列出實驗測得的由輸入端口0的數(shù)據(jù)流分配到到各輸出端口的比例。

3.4 仿真結(jié)果分析

圖3中,當(dāng)輸入數(shù)據(jù)流為VBR時,在流量均勻分配和單到雙流量下測出的時延和抖動值趨于0;對于數(shù)據(jù)流短期突發(fā)長期均勻分配的情況,測得的時延和抖動值都比純均勻分配時大,說明數(shù)據(jù)流的短期突發(fā)給路由器造成了擁塞,使得時延偏大;可看出測得的時延和抖動值都是上下波動的,說明VBR數(shù)據(jù)流的突發(fā)性。可得出,在流量均勻分配下測得的路由器的性能要明顯好于其他情況下的測試結(jié)果。

4 結(jié) 語

這里針對不同的數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)發(fā)模型測試了路由器的性能,仿真結(jié)果表明當(dāng)轉(zhuǎn)發(fā)模型為均勻流量時測得的路由器的性能要遠遠好于非均勻流量模型下測得的性能。而RFC2544中對交換設(shè)備(路由器)的“測試度綱”(Test Metrics)涵蓋的模型是均勻轉(zhuǎn)發(fā)模型,從而發(fā)現(xiàn)按照RFC2544來對多端口路由器測試,得出的測試結(jié)果并不能全面反映路由器的真實性能,只能反映路由器在某種情況下的性能。故得出IETF有關(guān)性能評測的方法與度綱具有不完備性,未能對網(wǎng)絡(luò)一般和極端環(huán)境下設(shè)備的性能進行評測,需要進行擴充,來使性能評測不僅能夠覆蓋輸入數(shù)據(jù)均勻轉(zhuǎn)發(fā)到各輸出端口的情況,也能覆蓋一般的非均勻情況和瞬時多輸入指向同一輸出端口的極端情況。此外,RFC2544只測試交換時延,[LL]未考慮對實時音視數(shù)據(jù)流十分重要的時延變化(即抖動:Jitter)參數(shù)的測試。所以必須擴展IETF現(xiàn)有的性能評測度綱,從而為路由器/交換機進行更全面的性能評價提供更全面的評價指標體系。

參 考 文 獻

[1]許冬.可利用比特率(ABR)一種新型的ATM網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)規(guī)范[J].通信世界,1997(3):8[CD*2]10.

[2]章淼,吳建平,盛立杰,等.網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)設(shè)備的性能測試:原理和實踐[J].小型微型計算機系統(tǒng),2004,25(9):1 588[CD*2]1 591.

[3]Li Guangliang.Admission Control for Transmitting Connection Traffic Across ATM Networks[A].IEEE Computers and Communications[C].1995:543[CD*2]549.

[4]林闖.計算機網(wǎng)絡(luò)和計算機系統(tǒng)的性能評價[M].北京:清華大學(xué)出版社,2001.

[5]Babic G,Vandalore B,Jain R.Analysis and Modeling of Traffic in Modern Data Communication Network,Ohio State University Technical Report,OSU-CISRC-1/98-TR02,1998.

[6]RFC 2544 - Benchmarking Methodology for Network Interconnect Devices,IETF,1999.

[7]黃振華.光突發(fā)交換業(yè)務(wù)流特性與測試結(jié)構(gòu)分析[D].成都:電子科技大學(xué),2006.

[8]羅俊,李樂民,許都.測試交換結(jié)構(gòu)性能的仿真信源實現(xiàn)[J].電子科技大學(xué)學(xué)報,2003,32(3):285[CD*2]288.

[9]劉亞社,劉增基,胡征.ATM交換網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)及其性能[J].電子學(xué)報,1998,26(7):48[CD*2]58.

[10]Cisco Systems.Cisco 12000 Gigabit Switch Router[R].White Paper,1997.

[11]李馨,葉明.OPNET Modeler網(wǎng)絡(luò)建模與仿真[M].西安:西安電子科技大學(xué)出版社,2006.

作者簡介 董思妤 女,1982年出生,四川雙流人,碩士研究生,助教。研究方向為計算機網(wǎng)絡(luò)。