朱全彪 吳紅青

（1.武漢郵電科學(xué)研究院 武漢 430074）（2.烽火通信科技股份有限公司 武漢 430073）

1 引言

伴隨著互聯(lián)網(wǎng)時代［1］到來，網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)［2］正快速地發(fā)展，規(guī)模不斷的擴大，用于連接網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)設(shè)備在當今網(wǎng)絡(luò)中扮演著越來越重要的角色［3］。網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)設(shè)備特別是交換機作為網(wǎng)絡(luò)的核心，其性能將對網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性及網(wǎng)絡(luò)的可靠性起關(guān)鍵作用。因此，網(wǎng)絡(luò)設(shè)備良好的性能是網(wǎng)絡(luò)正常運行的有力保障，正確評測網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)設(shè)備是設(shè)備使用前的關(guān)鍵一步。RFC2544協(xié)議［4］作為網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的國際評測標準，它提供了一系列切實有用的測試過程和步驟，使得用戶和服務(wù)運營商可以在相同標準下，對測試的實施和結(jié)果有個正確統(tǒng)一的認識。

目前都是利用現(xiàn)有的測試儀器［5～6］對網(wǎng)絡(luò)設(shè)備進行測量，但網(wǎng)絡(luò)設(shè)備缺少自我測量的功能。本文以三層交換機［7～8］作為載體，在其已有的硬件基礎(chǔ)上，基于RFC2544協(xié)議開發(fā)軟件評測系統(tǒng)，并驗證系統(tǒng)的可行性。

2 RFC2544協(xié)議簡介

RFC2544協(xié)議是由國際互聯(lián)網(wǎng)工程任務(wù)組［9］（Internet Engineering Task Force，IETF）制定的，作為評測網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)設(shè)備性能的國際標準，其測試的性能指標得到了主流運營商和各大網(wǎng)絡(luò)設(shè)備制造廠商的認可，已成為一個國際標準。RFC2544協(xié)議提出采用七種標準幀作為測試幀，標準幀長由大到小依次為1518字節(jié)、1280字節(jié)、1024字節(jié)、512字節(jié)、128字節(jié)、64字節(jié)、32字節(jié)，并在一定的時間內(nèi)，按照一定的數(shù)目對確定的幀長進行測試，其主要測試項［10～12］有:

1）丟包率（Frame Loss Rate）是指測試交換機在不同負載條件下不能轉(zhuǎn)發(fā)的數(shù)據(jù)包占總發(fā)送數(shù)據(jù)包個數(shù)的比例，反映被測交換機對負載的承受能力。不同負載指發(fā)送數(shù)據(jù)幀的速率，速率的范圍一般是從吞吐量增大到線速（理論上網(wǎng)絡(luò)中最大的傳輸數(shù)率），步長不超過線速的10%。

2）時延（Latency）是指被測交換機吞吐量速率范圍內(nèi)從發(fā)出幀到接收該幀的時間間隔，反映被測交換機處理收到的數(shù)據(jù)幀的能力。

3）吞吐量（Throughput）是指被測試交換機在丟包率為零的情況下數(shù)據(jù)幀轉(zhuǎn)發(fā)的最大速率，是一個重要的評測指標，直接反映被測交換機的質(zhì)量好壞。通?？梢愿鶕?jù)二分查找法原理求得被測交換機的吞吐量。

另外RFC2544協(xié)議介紹了兩種基本的測試模式，以交換機為研究對象，分別介紹如下。

單機模式工作流程［13］:如圖1所示，在A交換機輸入配置測試命令，利用命令行啟動測試，測試數(shù)據(jù)幀由交換機A產(chǎn)生并經(jīng)發(fā)包端口發(fā)出，然后經(jīng)過交換機B的轉(zhuǎn)發(fā)，流回交換機B的收報端口，最后，交換機A按照協(xié)議規(guī)定的方法進行處理運算，通過命令查看測試狀態(tài)和結(jié)果。

圖1 單機模式

雙機模式工作流程［14］:如圖2所示，該模式下存在四種測試模式，分別為環(huán)回、上行、下行以及上行-下行測試模式，四種測試模式都是在由三臺交換機構(gòu)成的拓撲結(jié)構(gòu)下進行測試。環(huán)回測試是交換機A作為客戶端進行數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收，交換機B作為中間設(shè)備，交換機C作為服務(wù)器完成數(shù)據(jù)流的環(huán)回工作。上行測試是由交換機A發(fā)送數(shù)據(jù)幀，由交換機C接收傳送回來數(shù)據(jù)幀。下行測試正好相反，由交換機C發(fā)送，由交換機A來接收。上行-下行測試是上行測試和下行測試的結(jié)合。

圖2 雙機模式

RFC2544協(xié)議認為單機模式和雙機模式都是適合的，但各有優(yōu)缺點［15］。單機模式測試環(huán)境的搭建簡單方便，容易控制測試精度，但很難制造足夠的測試壓力。而雙機模式由于是三臺設(shè)備同時工作，雖然容易產(chǎn)生測試壓力，但由于進程處于三臺設(shè)備中，將不可避免地造成時間同步與進程同步等問題。因為本文探討的是交換機的以太網(wǎng)測試，單機結(jié)構(gòu)部署靈活，且能達到測試目的，所以本文的實現(xiàn)選擇比較經(jīng)典的單機測試。

3 測試環(huán)境的搭建

3.1 硬件開發(fā)平臺

本文使用的交換機為三層交換機，硬件是由以太網(wǎng)收發(fā)模塊、FPGA模塊和CPU管理模塊組成，如圖3所示。以太網(wǎng)收發(fā)模塊采用博通公司生產(chǎn)的BCM5482芯片，該芯片具備10M/100M/1000M自協(xié)商功能，是一個雙口千兆PHY芯片，每個BCM5482芯片可管理2個電口，實現(xiàn)以太網(wǎng)得數(shù)據(jù)通信，并通過SGMII接口與CPU管理模塊通信。CPU管理模塊選用博通芯片BCM56268，該芯片提供多個接口，包括內(nèi)聯(lián)到交換業(yè)務(wù)的MDIO接口、內(nèi)聯(lián)到ARM處理器的UART接口和連接到FPGA的同步接口等，本模塊把以太網(wǎng)測試幀發(fā)送給BCM5482芯片，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的發(fā)送，同樣解析接收到的數(shù)據(jù)，將從收發(fā)模塊BCM5482芯片接收到數(shù)據(jù)發(fā)送給FPGA處理。FPGA模塊選用ALTERA EP4CE6E22C8N，該模塊提升對數(shù)據(jù)的處理能力。

圖3 硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

3.2 系統(tǒng)軟件開發(fā)架構(gòu)

本系統(tǒng)軟件采用C語言開發(fā)，編寫好源代碼在Linux主機上編譯，編譯好的可執(zhí)行文件通過FTP工具上傳給交換機并運行。整個的開發(fā)架構(gòu)采用功能模塊化設(shè)計，包括實時信息查詢模塊、參數(shù)配置模塊、狀態(tài)機FSM模塊、API模塊以及以太網(wǎng)幀處理模塊，這樣的設(shè)計降低了各模塊間的耦合，便于后期維護。整個的軟件系統(tǒng)架構(gòu)如圖4所示。具體到RFC2544系統(tǒng)軟件，有如下這些重要文件。Cmd_rfc2544.c為命令行函數(shù)文件，實現(xiàn)參數(shù)配置、信息查詢等功能。rfc2544.c、rfc2544.h為以太網(wǎng)幀處理函數(shù)文件，實現(xiàn)以太網(wǎng)幀處理的功能。rfc2544_sm.c、rfc2544_sm.h文件實現(xiàn)狀態(tài)機FSM模塊的功能。rfc2544_api.c為set、get函數(shù)文件，實現(xiàn)API模塊的功能。

圖4 軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

4 RFC2544的算法設(shè)計

4.1 丟包率

假設(shè)Test_rate（kbps）為發(fā)送測試包的速率，Trt_pkt為發(fā)送的測試包數(shù)量，Rcv_pkt為接收的測試包數(shù)量，N為測試次數(shù)，T為測試時間。

步驟:以Test_rate（kbps）的速率（本實驗中取100M），在T時間內(nèi)發(fā)送Trt_pkt個數(shù)據(jù)包到被測交換機，經(jīng)過環(huán)回，接收到的數(shù)據(jù)包數(shù)量為Rcv_pkt個，記錄本次測試的丟包率

如此測試N次，得到N個結(jié)果值，求得其平均值作為結(jié)果。

4.2 時延

假設(shè)Test_rate（kbps）發(fā)送測試包的速率，T1為發(fā)送時間，T2為接收時間，lRcv_pkt為上次收報數(shù)，Rcv_pkt為本次收報數(shù)，LtyDly為某次測試中的時延，AvgDly為平均時延，lAvgDly為上次的平均時延，N測試次數(shù)，T為測試時間。

步驟:第一輪測試中，以 Test_rate（kbps）速率（本實驗中取10M），在T時間內(nèi)發(fā)送一定的數(shù)據(jù)包到對端的交換機設(shè)備，記錄發(fā)送時間T1，經(jīng)過一段時間，記錄到達的時間T2，在沒有數(shù)據(jù)包丟失的情況下，計算本次的時延LtyDly=T2-T1。在接下的測試過程中，都會計算每次的平均時延，平均時延AvgDly的計算公式為

如此測試N次，得到N個結(jié)果值，求得其平均值作為結(jié)果。

4.3 吞吐量

假設(shè)Test_rate（kbps）為發(fā)送的測試包速率，Rcv_pkt為接收的測試包數(shù)量，Trt_pkt為發(fā)送的測試包數(shù)量，R為測試精度（本實驗中取1M），N為測試次數(shù)，T為測試時間。

步驟:以Test_rate（kbps）的速率（本實驗中取1000M），在T時間內(nèi)發(fā)送Trt_pkt個數(shù)據(jù)包到被測交換機，經(jīng)過環(huán)回，接收到的數(shù)據(jù)包數(shù)量為Rcv_pkt個，比較Trt_pkt和Rcv_pkt的大小。如果Trt_pkt=Rcv_pkt，表示數(shù)據(jù)包沒有丟失，則增大交換機發(fā)送數(shù)據(jù)包的速率。如果Trt_pkt＞Rcv_pkt，表示有數(shù)據(jù)包丟失，則減小交換機發(fā)送數(shù)據(jù)包的速率，然后判斷兩次發(fā)包速率的差值是否小于測試精度R。如果測試結(jié)果滿足要求，差值小于測試精度R，則取本次發(fā)送數(shù)據(jù)包的速率作為該次測試的吞吐量值，否則進入下一輪測試直到滿足精度要求。如此測試N次，得到N個結(jié)果值，求得平均值作為最終的吞吐量值。

5 測試結(jié)果分析

本文是在三層交換機的Linux平臺下，設(shè)計了一種基于RFC2544標準的以太網(wǎng)性能測試方案，通過命令行實時獲取以太網(wǎng)吞吐量、時延和丟包率的測試結(jié)果，并在XY坐標系中描點形成直觀的折線，便于分析。

如圖5所示，測試幀長度越長，丟包率反而越小。這是因為在帶寬相同的情況下，幀長越長，單位時間內(nèi)，被測交換機設(shè)備處理的數(shù)據(jù)包個數(shù)越少，丟包越少，即丟包率下降。

圖5 丟包率測試結(jié)果

如圖6所示，時延測試結(jié)果指的是平均時延，測試幀長度越長，時延越大。這是因為數(shù)據(jù)幀長越大，被測交換機設(shè)備處理時間增加，所耗費的時間越長，時延就越大。

圖6 時延測試結(jié)果

如圖7所示，數(shù)據(jù)幀長越小，對吞吐率的影響越大，反之，幀長越長，對吞吐率的影響越小，而且可以很明顯地看到，數(shù)據(jù)幀長增加到一定的時候，吞吐率幾乎沒有變化了。這是因為同一帶寬下，數(shù)據(jù)幀長度增大時，在相同時間內(nèi)，進入被測交換機進行處理的數(shù)據(jù)包數(shù)量就會減少，而處理單個數(shù)據(jù)包的時間沒有改變，所以轉(zhuǎn)發(fā)速率變快，從而增加了吞吐量。

圖7 吞吐率測試結(jié)果

6 結(jié)語

從以上對測試結(jié)果的分析可得，在三層交換機中設(shè)計的軟件測試系統(tǒng)，符合RFC2544協(xié)議標準，從而驗證了該軟件測試系統(tǒng)的可行性。