IP網絡設備多業務疊加測試方法探討

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

世界通信產業規模持續飛速發展，IP網絡業務與帶寬基本遵循摩爾定律，IP網絡容量面臨前所未有的壓力。互聯網流量增長率維持在50%以上，以OTT視頻、云化服務為代表的新型互聯網業務進一步加劇網絡流量增長。與此同時，芯片技術與高速背板技術高速發展，IP網絡大容量設備及高速端口陸續面市，單槽400 Gbit/s能力IP網絡設備逐漸成為主流，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網絡設備測試是網絡建設至關重要的環節。IP路由器是IP網絡的核心組成部分，其性能、功能、安全性及可靠性等直接決定了IP網絡業務承載能力。隨著業務類型多樣化、網絡容量大型化，傳統測試方法無法獲得設備整體的評價，運營商需重新思考與梳理新的測試方法，以滿足新時期網絡建設需求。本文擬從多業務承載角度出發，探討IP網絡設備測試方法，以合理評價IP網絡設備性能指標。

圖1 100 Gbit/s單板轉發性能拓撲

表1 板卡轉發性能測試場景

2 IP網絡設備測試需求

2.1 傳統測試方法局限性

傳統測試方法無法準確地反映路由器的真實性能。在傳統測試方法中，一般只關注單純IP轉發環境下單字節的轉發性能，如采用RFC2544/2889等測試標準考察路由器的吞吐量、時延及分組丟失現象。現階段，路由器的硬件資源分配機制主要采用共享管理并動態分配的方式，在單獨測試某個性能指標時，可通過調整路由器資源全部分配給某個協議功能，測試獲得結果是理想狀態下的最大值，不符合實際網絡環境要求。

在多業務疊加場景下，設備處理各種類型業務數據時會增加額外的系統開銷，采用傳統測試方法無法反映出這部分開銷對設備性能的影響程度。下面以路由器100 Gbit/s板卡分別在純IP報文轉發、疊加分組過濾防火墻轉發、疊加NAT轉發、疊加QoS轉發及3類業務疊加下轉發這5個場景的轉發性能測試為例，說明業務處理對轉發性能的影響，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，測試儀表構建全連接（full-mesh）流量模型，與被測設備進行不同場景流量交互，具體要求見表1。

路由器100 Gbit/s板卡測試結果如圖2所示，設備在不同場景下小字節處理能力差異非常大，如在64 byte的轉發性能如下:

圖2 不同場景下路由器轉發結果

·在單純的IP轉發環境下，被測設備的轉發性能為線速的82%左右；

·當僅疊加分組過濾防火墻時，被測設備的轉發性能下降到63%左右；

·當僅疊加NAT或QoS時，被測設備的轉發性能進一步下降到28%左右；

·當疊加所有上述業務時，被測設備的轉發性能下降到10%左右。

2.2 IP網絡設備測試需求變化

IP網絡設備測試目的是保證將來網絡設備部署到實際網絡中能夠達到預期功能與性能，滿足業務承載需求。這要求實驗室測試環境能最大限度地接近現網及未來網絡的環境和業務，以驗證設備的真實性能并預先發現將來部署后的問題。

高端路由器朝多業務融合方向發展。在傳統路由與轉發功能基礎上，核心路由器融合了IPv6、多播、MPLS（multiprotocol label switching，多協議標簽交換）等多種業務；多業務網關則融合了CGN、VPN及DPI等業務，未來可能融合4G移動核心網部分功能。隨著功能實體變化，路由器在實際網絡中扮演的角色也發生了變化。由傳統意義上的網絡互聯設備轉變為集交換、路由、寬帶接入以及語音、數字網關為一體的綜合網絡設備。實驗室測試除了考察傳統的設備技術功能與性能之外，需結合未來業務承載需求進行測試場景設計。

3 IP設備多業務疊加測試方法

下面將以核心路由器多業務疊加測試為例闡述IP網絡設備測試過程，主要包括測試拓撲、業務類型、業務策略及測試結果分析4個方面的內容。

3.1 IP設備多業務疊加測試網絡模型

多業務疊加測試網絡模型從設備定位出發，綜合考慮業務運營模式、預測業務流量、網絡層次、設備類型、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點組成的路徑，包括核心之間、核心到匯聚節點之間等。

在IP城域網中，核心路由器為核心層唯一組成設備，負責進行業務接入控制點設備匯接并提供IP城域網到骨干網的出口，如圖3所示。核心路由器測試重點關注其對各類業務進行匯聚與轉發，此外穩定性與可靠性也是其必選要求。具體網絡需求與測試內容對應關系見表2。

綜合考慮網絡架構與業務承載需求，核心路由器多業務疊加網絡模型以評估整機性能為目標，采用網絡測試儀表模型業務，實現各類業務注入；通過輔助路由器實現路由協議及多播互通等，測試拓撲如圖4所示。

3.2 IP設備多業務疊加業務模型

業務類型不僅需要考慮當前業務模型，還需考慮未來3年業務發展需求。在考察設備業務功能的同時考察其性能情況，核心路由器多業務疊加測試應包括以下業務類型。

圖3 城域網架構

表2 IP網絡設備測試內容要求

·10 Gbit/s端口迂回流量轉發性能: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，被測設備）按路由或標簽正常轉發。

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

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

·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發。

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

圖4 多業務疊加測試拓撲

·ISIS路由仿真:采用1個10GE端口，分別模擬包含1500個路由節點，共10000條路由的ISIS拓撲數據庫與500個路由節點，共3000條路由的ISISv6拓撲數據庫，注入被測設備。

·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設備多業務疊加業務策略

隨著網絡多業務承載，各類業務對網絡時延、分組丟失及抖動的要求不同。核心路由器須實現各類業務質量保障，不僅對各類業務流量應按照業務等級在流量入方向時進行QoS重標識，且能配置相應調度算法，在流量擁塞時，優先保障高等級業務轉發。流量QoS重標識見表3（表中IPP、EXP及traffic class值代表數據分組特定位置標識位，用來標識此數據分組的業務優先級分類）。

表3 業務QoS重標識

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

3.4 IP設備多業務疊加測試結果及分析

通過以上幾乎真實的業務疊加模型，可獲取被測設備真實的業務功能及性能情況，包括設備轉發性能、設備路由能力、業務支持能力（MPLS/多播等）以及長時間運行的穩定性與可靠性。此外，在相同業務場景下對不同被測設備進行比較與區分，更能體現設備之間的差異。A、B、C 3款設備在疊加相同的業務內容后，性能指標各不相同，其中B設備的性能相對于A與C更高，且在疊加多業務場景下穩定性更好，如圖5所示。

表4 業務調度策略

圖5 多業務疊加測試結果

4 結束語

IP網絡設備測試是設備引入的重要環節，是運營商直接獲得設備整體評價的主要手段。本文所探索的IP網絡設備多業務疊加測試方法，為新時期IP網絡設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。由于互聯網業務變化較快、設備融合功能更新快，在IP網絡多業務疊加測試上后續應重點關注各項需求變化，不斷地完善整體技術方案。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）注入被測設備，更能反映出IP設備的能力。

1 Spirent.Definitive guide to router testing.http://www.spirentfederal.com/IP/Definitive_Guides_to_Testing/，2014

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網絡設備高級性能測試方法.電信網技術，2013（2）

4 中國電信集團公司.中國電信IP網絡設備技術要求-CR，2013