對路由器性能評測指標的研究

董思妤 段旭哲 唐 玲

摘 要:定義了不同的數據流轉發模型,并利用網絡仿真工具OPNET在所定義模型下分別對路由器的一些關鍵性能指標進行了測試,測試結果表明當轉發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發模型下的性能。故得出IETF有關性能評測的方法與度綱不完備,未能對網絡一般和極端環境下設備的性能進行評測,必須擴展IETF現有的性能評測度綱,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的關鍵中繼設備,它們在通信子網中轉發網絡層的IP報文或數據鏈路層的幀。路由器或交換機內的協議實現是否符合相關標準必須通過“一致性測試”(Conformance Testing)進行評價。而它們的可量化參數(吞吐率、轉發時延、抖動和數據丟失率等),由于直接關系到網絡提供的服務質量,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備正常與極端情況下的工作環境和能夠控制測試環境的測試系統外,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據格局(數據到達率及其分布規律),即概率分布、輸入數據流之間關系的控制和協調以及輸入/輸出數據間的轉發規律。對被測對象的測試需要通過向被測對象發送測試控制數據和觀察被測對象對測試控制數據的應答來完成。對多端口中繼設備,為了模擬設備真實的網絡工作環境,必須對多端口設備的所有輸入/輸出端口同時進行控制與監測。這就是本文的主要內容。

1 測試數據流特性及應用模型

1.1 定義測試數據的必要性

隨著多媒體數據(包括恒速與變速的實時數據)在Internet數據流中所占比例的不斷變化,使現代路由器的外部數據到達率的規律也不斷發生變化,某一類型的輸入數據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據,其表現的統計分布是不同的。因此,現代路由器測試設備還必須具備在不同端口上模擬不同速率的網絡數據到達率的能力,以仿真真實的網絡環境,測試路由器的實際性能指標參數的能力。

1.2 測試數據的分類

根據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據流為基礎,根據它們的統計特性生成測試數據流,CBR的典型代表是普通電話業務和普通視頻音頻業務,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據流速是連續變化的,采用壓縮技術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據業務,它的到達具有極高的突發性,速率差別較大,數據量的大小也難以預測,例如文本、圖片等數據,它們都是非實時數據。通過組合大量特征各異的數據流就可以在一定程度上模擬實際網絡中復雜的流量環境。

(1) 恒速率流(CBR)及模型

現行的仿真研究大部分都在應用恒定比特率(CBR) 業務模型進行研究。在CBR業務中,通過平滑緩沖器或控制信源產生速率,CBR視頻或音頻信號以均勻速率在網絡上傳送連續比特流。對于這類數據流,了解其最大比特率就足以刻畫。恒定速率的實時數據流在格式上呈現為連續的比特流,通常數據流間沒有明顯的界限,而對于瞬時的數據流不敏感。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,它所產生的測試流量是恒定的,這主要體現在測試數據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,以恒速率玽發送測試流量。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。它的優點是實現和配置簡單,便于對結果進行比較。

(2) 變速率流(VBR)及模型

變速率流(VBR)業務傳輸是一相對較新的研究領域。這類數據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(Bursty) 流量模型,它所產生的測試數據包之間的時間間隔是變化的,可以用于測試網絡設備在突發數據包情況下的性能,其流量模型可以使用有限狀態機來描述,本文用ON/OFF過程模型[3]來描述其特性。ON/OFF過程模型的參數比較簡單,容易分析,而且又能模擬信源的突發性和相關性,因此,可以用來模擬高速網絡中的話音源、數據源等。到目前為止,這是性能評價領域內使用得最廣泛的模型。

ON/OFF 過程模型假定測試數據包的產生在㎡N狀態(發送測試數據包狀態)和OFF狀態(空閑狀態)交替變化,在ON狀態時以固定的速率玽(傳輸鏈路的線速率)發送數據包,如圖2所示,在OFF狀態時不發送數據包,傳輸鏈路的負載由ON狀態和OFF狀態的時間長度決定。一般地,認為連續的ON期間和OFF期間都是獨立同分布的,這樣要描述ON/OFF數據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

這類數據流具有突發性,但同時又對時延和時延抖動沒有嚴格的要求。例如文本、圖片等數據,它們都是非實時數據,比特率從幾個 Kb/s 到幾百 Kb/s。網絡在處理這類通信流量的時候就具有更大的靈活性,并且應該更好地使用復用來提高網絡的效率。在此使用一般獨立到達過程泊松過程來描述其特性,數據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分布。

2 性能測試中數據流轉發模型

2.1 均勻轉發模型

(1) 一般性均勻轉發模型(即RFC2544中所定義的模型)。即將輸入數據流隨機均勻地轉發到各個目的輸出端口。

(2) 短期突發長期均勻轉發模型。

設長期的業務流為均勻業務,因為從長期的統計特性來看,對于某一輸入端口而言,它去往各個輸出端口的數據流量往往是較為平均的,對于某一輸出端口而言,它所接收到的數據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,輸出端口所接收到的數據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據流量是不均等的。比如某個大型網站提供了一熱門視頻的下載或點播。突發特性主要表現為輸出端口地址分配的突發性,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,對測試數據流流向輸出端口的分布可利用ON/OFF模型的開關控制時間來實現。

首先根據相關參數計算出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,在該階段內產生的所有包都去往同一個輸出端口,形成地址突發,而在各個ON階段隨機地選擇輸出端口地址。

2.2 非均勻轉發模型

(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據包總有一個固定概率到達一個熱點輸出端口。通常用“設置一個熱點輸出端口,而數據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為測試數據包分配熱點端口地址,否則數據包隨機分配一個輸出端口地址,來實現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,相當于出現了多個熱點端口,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,它們是有區別的。設定交換到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為測試數據包分配這兩個熱點端口地址,否則數據包隨機分配一個輸出端口地址,來實現多熱點流量。

(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送他的(大多數)數據包到達它所對應的一個輸出端口。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的熱點輸出端口,輸入端口將它的大多數流量發送給其對應的熱點輸出端口,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送它的數據包到它所對應的兩個輸出端口。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的熱點輸出端口,輸入端口將它的大多數流量發送給其對應的熱點輸出端口,剩余流量則發送給其所對應的熱點輸出端口的下一個端口。

2.3 瞬時極限轉發模型

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

3 仿真實驗及結果分析

3.1 性能仿真模型的建立

目前許多產品都采用基于crossbar交換網絡的“輸入排隊+VOQ”的隊列系統,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構在OPNET ㎝odeler 10.0 [11]仿真環境中建立傳統路由器的結點模型。約定路由器的規模為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

仿真實驗參數如表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Whotspot0.035

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

數據包長度/B1024單點到單點(非均勻因子)0.3

輸入輸出端口數均為8單點到雙點(非均勻因子)0.3

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

[BT3]3.3 數據流轉發模型的正確性驗證

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

3.4 仿真結果分析

圖3中,當輸入數據流為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;對于數據流短期突發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,說明數據流的短期突發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數據流的突發性。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果。

4 結 語

這里針對不同的數據流轉發模型測試了路由器的性能,仿真結果表明當轉發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中對交換設備(路由器)的“測試度綱”(Test Metrics)涵蓋的模型是均勻轉發模型,從而發現按照RFC2544來對多端口路由器測試,得出的測試結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有關性能評測的方法與度綱具有不完備性,未能對網絡一般和極端環境下設備的性能進行評測,需要進行擴充,來使性能評測不僅能夠覆蓋輸入數據均勻轉發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據流十分重要的時延變化(即抖動:Jitter)參數的測試。所以必須擴展IETF現有的性能評測度綱,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網絡業務規范[J].通信世界,1997(3):8[CD*2]10.

[2]章淼,吳建平,盛立杰,等.網絡互聯設備的性能測試:原理和實踐[J].小型微型計算機系統,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.計算機網絡和計算機系統的性能評價[M].北京:清華大學出版社,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.光突發交換業務流特性與測試結構分析[D].成都:電子科技大學,2006.

[8]羅俊,李樂民,許都.測試交換結構性能的仿真信源實現[J].電子科技大學學報,2003,32(3):285[CD*2]288.

[9]劉亞社,劉增基,胡征.ATM交換網絡結構及其性能[J].電子學報,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網絡建模與仿真[M].西安:西安電子科技大學出版社,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絡。