基于GNS3仿真的QoS部署與性能測試

曹利 陳亮 王軍

摘 要： QoS主要用于網絡擁塞或過載時，確保重要業務不受延遲或丟棄，其部署比較繁瑣和復雜，有效性也需要進行專門的壓力測試才能得到驗證。基于此，提出一種利用仿真技術模擬企業網的業務和QoS部署，并進行有效性測試。實驗結果證明，基于GNS3的QoS策略部署與性能測試技術可以有效降低企業成本以及部署難度。

關鍵詞： 服務質量控制； GNS3； SLA； 壓力測試

中圖分類號：TP391.9 文獻標志碼：A 文章編號：1006-8228（2019）03-05-04

QoS policy deployment and performance testing based on GNS3

Cao Li1， Chen Liang1， Wang Jun2

（1. School of Computer Science， Nantong University， Nantong， Jiangsu 226001， China； 2. Modern education center， Jiangsu College）

Abstract： QoS is mainly used to ensure that important services of the network are not delayed or discarded when network traffic is congested or overloaded. However， the deployment of QoS is cumbersome and complex. Validity after deployment requires special stress test to verify. For this reason， a scheme is proposed which can use simulation technology to simulate the enterprise network's service and QoS strategy， conduct stress testing， and verify the effectiveness of QoS. The experimental results show that the QoS deployment and performance testing technology based on GNS3 can effectively reduce the enterprise's cost and deployment difficulty.

Key words： QoS； GNS3； SLA； stress test

0 引言

服務質量控制（QoS，Quality of Service）[1]是網絡中管理數據流的可用帶寬、延遲、抖動以及分組丟失等參數的網絡性能的關鍵技術，但QoS部署后有效性驗證比較復雜，一般需要委托專業公司做壓力測試，付出不菲的費用，同時影響網絡業務正常進行。基于此，課題設計了一個仿真環境下企業網QoS部署和測試方案，方案在仿真搭建的企業網中部署QoS策略，采用SLA技術模擬出常見網絡業務和流業務，如HTTP，DNS，P2P、VoIP等多種流量混合環境，進行大流量的壓力測試。對QoS部署前后網絡平臺相關性能進行分析，經濟而高效的驗證QoS策略對企業網的有效性。

1 相關技術

1.1 GNS3和 QoS[2-3]

GNS3是一款能運行在多種平臺的圖形化網絡工程仿真軟件，該軟件通過加載Cisco IOS進行網絡仿真，能保證基于GNS的QoS性能仿真測試項目等效地遷移至真實業務環境。網絡QoS的策略設置主要考慮服務模型、隊列調度算法、擁塞控制等問題，課題選擇使用IP Precentend進行標記分類、LLQ隊列管理和CBWFQ擁塞避免技術進行仿真實驗。

1.2 SLA技術[4-5]

SLA（Service-Level Agreement）是Cisco IOS的內置工具，可以模擬產生不同協議類型的數據包，在指定網絡源地址和目的地址之間通信，收集響應時間、單向、延遲、抖動、丟包率、語音品質、網絡資源可用性、應用程序性能以及服務器響應時間等相關信息，用于核實服務保證、檢查網絡性能、改善網絡的可靠性和預先發現網絡問題，進而調整和配置網絡。課題采用SLA技術實現仿真網絡的常規業務性能測試。

2 QoS策略部署

2.1 企業網仿真

企業網仿真環境通過GNS3模擬器實現，拓撲如圖1所示。

圖1中，共使用9臺網絡通信設備，其中PC用以模擬企業員工終端設備； HTTP服務器模擬企業網內部傳統業務的服務器，供企業員工訪問資源；R4、R5作為匯聚層設備，用作PC和服務器的網關；R2、R3作為核心層設備，配置PBR（Policy Based Routing，策略路由）指定路由下一跳到防火墻；防火墻模擬企業網內部安全設備；云用來模擬Internet外部網絡。匯聚層、核心層和防火墻之間使用單區域OSPF路由協議實現各個路由器和防火墻之間互通；在R4和R5上進行路由重分布，把直連網段的路由重分布進OSPF域內實現PC到服務器之間的相互訪問。

課題選擇PBR控制路由，使網絡數據流量按照方案期望的路徑流動。配置時采用嵌套式的配置模式，使用ACL抓取本方案關心的流量；Route-map調用ACL執行相應策略；最后在接口中調用Route-map實現PBR的部署。核心配置如下：

Routet（config）#iP access-list extended pc //定義ACL策略

Routet（config-nacl）#permit ip any 10.10.2.0 0.0.0.255

Routet（config-nacl）#permit ip any 10.10.3.0 0.0.0.255

Routet（config）#route-map pc permit 10

//Route-map調用ACL執行相應策略

Routet（config）#match ip address pc

Routet（config）#set ip next-hop 10.1.12.1

Routet（config-if）#ip policy route-map pc

//在接口中調用Route-map實現PBR的部署

2.2 QoS部署

課題采用MQC模式部署QoS，MQC（Modular QoS，模塊化QoS）使用ACL捕獲數據包，Class-map調用ACL實現分類，Policy-map調用Class-map定義優先級策略。使用MQC的部署方式能夠使QoS的部署過程更加邏輯與規范化。

⑴ 分類標記部署

分類是通過設定Class-map來區分不同數據包的種類。首先通過ACL捕獲數據包，并設置Class-map調用相應的ACL進行分類。核心配置如下。

Routet（config）#iP access-list extended p2p

//定義一個p2p的規則

Routet（config-ext-nacl）#Permit udp any eq 15000

host 10.1.1.1

Routet（config-ext-nacl）#Permit udp any eq host

10.1.1.1 eq 15000

Routet（config）#ip access-list extended voip

////定義一個VOIP的規則

Routet（config-ext-nacl）#Permit udp any any eq 16385

Routet（config-ext-nacl）#Permit udp any eq 16385 any

⑵ LLQ隊列配置

不同業務流采取高優先級隊列優先轉發，設限帶寬的方式進行LLQ隊列管理。課題對ICMP、IP、VOIP、DNS、HTTP業務進行配置。其中VOIP類為強制優先級隊列，并給予帶寬的35%。其余業務流使用 bandwidth 命令進行FT機制進行調度，實現業務區別轉發。以VoIP、DNS為例，其核心配置如下。

Routet（config）#Policy-map qos //定義不同業務調度機制

Routet（config-pmap）#Class voip

Routet（config-pmap）#Set ip precedence 5

Routet（config-pmap）#Priority percent 35

Routet（config-pmap）#Class dns

Routet（config-pmap）#Set ip precedence 3

Routet（config-pmap）#Bandwidth percent 20

2.3 壓力測試設計

本課題使用Cisco SLA技術模擬企業環境中的傳統業務，例如DNS、HTTP、VOIP、ICMP等流量，進行網絡帶寬的壓力測試。

⑴ UDP-Jitter通過UDP報文檢測網絡質量。課題實現PC向目的地址為10.2.1.2的服務器發送UDP端口號為16384的報文，每5秒發送一次。核心配置如下。

Routet（config）#Ip sla 2 //定義一個IP SLA操作

Routet（config-ip-sla）#Udp-jitter 10.3.1`.2 16384

source-ip 10.1.1.1 //向目的地址為10.2.1.2的服務器發送UDP端口號為16384的報文

Routet（config-ip-sla）#Frequency 5 //定義操作頻率

Routet（confi）#Ip sla schedule 2 life forever start-time now

//配置調度參數，life默認為3600s，forever表示一直采集數據，start-time表示采集數據開始時間

⑵ 課題通過IP LSA模擬產生HTTP請求，通過服務器應答分析HTTP的連接時間、響應時間等性能。核心配置如下。

Routet（config）#Ip sla 3

Routet（config-ip-sla）#http raw http：//10.3.1.2r 10.3.1`.2 source-ip 10.1.1.1

Routet（config-ip-sla）#http -raw-request

Routet（config-ip-sla）#get /exec/show/interface/crhttp＼r＼n

Routet（config-ip-sla）#exit

Routet（confi）#Ip sla schedule 3 life forever start-time now

⑶ 基于SLA技術的VoIP作業模擬是在UDP-Jitter的基礎上添加G711ulaw參數，從而能夠比較參數數值大小判斷通話質量。核心配置如下。

Routet（config）#Ip sla 5

Routet（config-ip-sla）#Udp-jitter 10.3.1`.2 16385

source-ip 10.1.1.1 codec g711allaw

Routet（config-ip-sla）#Routet（config-ip-sla）#Frequency 10

Routet（config）#Ip sla schedule 5 life forever start-time now

⑷ 基于SLA技術的DNS作業模擬內網的DNS請求流量。在對端服務器啟動DNS服務后，獲得相應DNS性能參數。核心配置如下。

Routet（config）#Routet（config）#Ip sla 4

Routet（config-ip-sla）#Dns DNS name-server 10.3.1`.2

source-ip 10.1.1.1

Routet（config-ip-sla）#Frequency 10

Routet（confi）#Ip sla schedule 4 life forever start-time now

3 QoS有效性分析

3.1 結果測試

網絡性能分析主要比較壓力測試前、模擬流量注入和QoS部署后三個階段網絡性能的變化。限于篇幅，以QoS部署后的測試過程及其測試結果進行分析，主要測試網絡業務有ping 、UDP、HTTP、DNS、VoIP等。下面給出HTTP和VoIP測試結果。

⑴ 使用show ip sla statistics 3查看HTTP測試參數信息，如圖2所示。

⑵ 使用show ip sla statistics 5查看VoIP測試參數信息，如圖3所示。

3.2 性能分析

通過對比網絡正常、擁塞和部署Qos之后的業務指標數據，分析部署Qos前后的關鍵業務性能。

⑴ HTTP和DNS業務都是對延遲敏感流量，選取兩種業務中延遲數據進行分析，如圖4所示。

由圖4可知，正常情況下，DNS和HTTP的延遲70多毫秒。在極度擁塞的網絡環境中，由于沒有任何的保護轉發機制，延遲出現陡增，會嚴重影響用戶體驗。部署Qos之后由于DNS和HTTP的優先級相對較高，LLQ隊列能夠相對有效的保障兩種報文的轉發，因此延遲達到正常狀態或與稍高于正常狀態，不影響用戶體驗。

⑵ 課題采用MOS計分方法對VoIP質量進行評測，圖5為VoIP的三種環境下的MOS得分，由圖可知擁塞環境下VoIP的MOS得分下降，用戶通話質量無法得到有效保障。在部署Qos之后，VoIP的MOS值恢復到正常。

4 結束語

課題主要研究了在GNS3仿真環境下使用SLA技術產生不同業務流量，模擬擁塞狀態，部署QoS策略進行網絡質量控制的有效性驗證。仿真結果表明部署Qos能有效的實現網絡擁塞情況下高優先級業務的優先轉發，緩解擁塞導致的業務影響。課題提出的通過仿真環境進行Qos的部署測試，進行有效性驗證后再部署到物理網絡，可以有效地降低企業網Qos控制成本以及部署難度。

參考文獻（References）：

[1] （美）Wendell Odom Michael J. Cavanaugh，劉丹寧譯.Cisco

Qos認證考試指南（第2版）[M].人民郵電出版社，2014.

[2] 黃天云.視頻流量分析與Qos管理[M].電子科技大學出版社，

2013.

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學學報，2002.2.

[4] 易小華.網絡視頻業務平均意見分統計研究及在流分類中的

應用[D].南京郵電大學，2017.

[5] 王麗娜.SLA和VRRP的多出口校園網可靠性實驗設計[J].

實驗室研究與探索，2016.35（5）：102-107