交換機性能測試研究

孟慶琨 徐 陽

(1.聊城市技術監督信息情報所，山東 聊城 252000；2.聊城大學 網絡信息中心，山東 聊城 252059)

0 引言

在以太網之初，使用的是共享技術，即在一個邏輯網絡上的每一個工作站都處于同一物理介質上。采用CSMA/CD機制，這種沖突檢測方法保證了只能有一個站點在總線上傳輸。如果有兩個站點試圖同時訪問總線并傳輸數據，這就意味著“沖突”發生了，兩站點都將被告知出錯。然后它們都被拒發，并等待一段時間以備重發。

當網絡上的用戶量較少時，網絡上的交通流量較輕，沖突也就較少發生，在這種情況下沖突檢測法效果較好。當網絡上的交通流量增大時，沖突也增多，同進網絡的吞吐量也將顯著下降。

局域網交換技術是作為對共享式局域網提供有效的網段劃分的解決方案而出現的，它可以使每個用戶盡可能地分享到最大帶寬。交換技術是在OSI七層網絡模型中的第二層，即數據鏈路層進行操作的，因此交換機對數據包的轉發是建立在MAC（Media Access Control）地址--物理地址基礎之上的，對于IP網絡協議來說，它是透明的，即交換機在轉發數據包時，不知道也無須知道信源機和信宿機的IP地址，只需知其物理地址即MAC地址。交換機在操作過程當中會不斷的收集資料去建立它本身的一個地址表，這個表相當簡單，它說明了某個MAC地址是在哪個端口上被發現的，所以當交換機收到一個TCP／IP封包時，它便會看一下該數據包的目的MAC地址，核對一下自己的地址表以確認應該從哪個端口把數據包發出去。由于這個過程比較簡單，加上這功能由硬件進行處理，因此速度相當快，一般只需幾十微秒，交換機便可決定一個IP封包該往那里送。

1 交換技術

從20世紀90年代開始，出現了局域網交換設備。從網絡交換產品的形態來看，交換產品大致有三種：端口交換、幀交換和信元交換。

1.1 端口交換

端口交換技術最早出現于插槽式集線器中。這類集線器的背板通常劃分有多個以太網段（每個網段為一個廣播域）、各網段通過網橋或路由器相連。以太網模塊插入后通常被分配到某個背板網段上，端口交換適用于將以太模塊的端口在背板的多個網段之間進行分配。這樣網管人員可根據網絡的負載情況，將用戶在不同網段之間進行分配。這種交換技術是基于OSI第一層（物理層）上完成的，它并沒有改變共享傳輸介質的特點，因此并不是真正意義上的交換。

1.2 幀交換

幀交換是目前應用的最廣的局域網交換技術，它通過對傳統傳輸媒介進行分段，提供并行傳送的機制，減少了網絡的碰撞沖突域，從而獲得較高的帶寬。不同廠商產品實現幀交換的技術均有差異，但對網絡幀的處理方式一般有：存儲轉發式和直通式兩種。存儲轉發式（Store-and-Forward）：當一個數據包以這種技術進入一個交換機時，交換機將讀取足夠的信息，以便不僅能決定哪個端口將被用來發送該數據包，而且還能決定是否發送該數據包。這樣就能有效地排除了那些有缺陷的網絡段。雖然這種方式不及使用直通式產品的交換速度，但是它們卻能排除由破壞的數據包所引起的經常性的有害后果。直通式（Cut-Through）：當一個數據包使用這種技術進入一個交換機時，它的地址將被讀取。然后不管該數據包是否為錯誤的格式，它都將被發送。由于數據包只有開頭幾個字節被讀取，所以這種方法提供了較多的交換次數。然而所有的數據包即使是那些可能已被破壞的都將被發送。直到接收站才能測出這些被破壞的包，并要求發送方重發。但是如果網絡接口卡失效，或電纜存在缺陷；或有一個能引起數據包遭破壞的外部信號源，則出錯將十分頻繁。

隨著技術的發展，直通式交換將逐步被淘汰。

在“直通式”交換方式中，交換機只讀出網絡幀的前幾個字節，便將網絡幀傳到相應的端口上，雖然交換速度很快，但缺乏對網絡幀的高級控制，無智能性和安全性可言，同時也無法支持具有不同速率端口的交換；而“存儲轉發”交換方式則通過對網絡幀的讀取進行驗錯和控制。

1.3 信元交換

信元交換的基本思想是采用固定長度的信元進行交換，這樣就可以用硬件實現交換，從而大大提高交換速度，尤其適合語音、視頻等多媒體信號的有效傳輸。目前，信元交換的實際應用標準是ATM（異步傳輸模式），但是ATM設備的造價較為昂貴，在局域網中的應用已經逐步被以太網的幀交換技術所取代。

2 線速轉發

線速交換，是指能夠按照網絡通信線上的數據傳輸速度實現無瓶頸的數據交換。

要想在傳輸速度一定的線路中處理盡可能多的幀，必須要使幀最小，此時交換機的處理能力才能達到最大。如果是以太網，MAC幀最小為64B，這種64B的幀最大限量通過線纜的狀態就是 “線速”。100M以太網為14萬8810個每秒，1000M以太網為100M的十倍，即148萬8095個每秒。

在線速狀態下，也就是LAN交換機接收了單位時間里線路處理的最大幀數的狀態下，只要能毫無延遲地處理幀，就可以說這一LAN交換機具備了充分的處理性能，這就是“支持線速”的意思。

另外，LAN交換機的所有端口都以線速接收幀，并能無延遲地處理被稱為“無阻塞（Nonblocking）”。

3 測試

針對LAN交換機的轉發性能測試，一方面是，基本測試指標，主要包括對測試設備和被測試設備的設置、幀內容、幀長度以及測試的時間。主要的測試項如下：

（1）吞吐率：測試被測設備在不丟幀情況下的最大速率。

（2）時延：測試被測設備的時延，對于存儲轉發式的交換機，時延為從測試幀的最后一個bit進入交換機輸入端口到測試幀的第一個bit出現在輸出端口上的時間間隔。

（3）丟包率：測試被測設備因資源不足而導致丟包的比率。

（4）背靠背幀：測試被測設備處理背靠背報文的能力。

另一方面是，針對局域網中所有交換設備，主要的測試項如下：

（1）全網狀吞吐量，丟幀率和轉發率：測試被測設備在全網狀通信下的吞吐量、丟幀率和轉發率。

（2）部分網狀/一對多/多對一：確定從多個端口傳輸到一個端口或從一個端口傳輸到多個端口時的吞吐量。與全網狀測試一樣，這個測試是主要是在無幀丟失時交換幀的性能。

（3）部分網狀單向通信：確定當被測設備上一半端口單向傳輸信息流往另一半的端口時的吞吐量。

（4）擁塞控制：確定一個被測設備如何處理擁塞。一個設備是否執行擁塞控制，一個擁塞的端口是否會影響到另一個沒有擁塞的端口。

（5）轉發壓力測試和最大轉發率：該測試目的是為了在被測設備在超負荷的狀態下，測量并輸出結果。轉發壓力在被測設備輸出幀的幀間隙小于96bit出現。

（6）地址學習速率：確定LAN交換設備地址學習速率。

（7）錯誤幀過濾：目的是為了確定在被測設備出現錯誤或者異常幀的情況下，是過濾出錯誤幀還是繼續傳播錯誤幀。

（8）廣播幀的轉發和延遲：被測設備轉發廣播通信時的吞吐量和延遲。

4 測試中遇到的問題

在測試整機滿負荷吞吐率時，經常會發現無法解釋的丟包現象，特別是當測試時間超過一定長度的時候。通常，測試時間很短時(只有幾秒鐘)不會出現丟包現象，但當測試時間超過1分鐘或更長時，就會觀察到出現少量的丟包，并隨著測試時間增加丟包數量也會增加。相似的現象在測試時延的時候也會出現，即當測試時間很短時，時延結果數值比較穩定，但當測試時間超過1分鐘或更長時，時延值將會越來越大。

造成這個問題的原因是測試設備（如Smartbits，IXIA等）和被測設備之間的參考時鐘速率不同導致。二者的參考時鐘是互相獨立的。根據以太網規范（802.3-7.3.2）允許時鐘有+/-0.01%的偏差。以千兆以太網為例，如果測試設備的時鐘在這個允許范圍的上限，那么每秒鐘測試設備將發送1，000，100，000個bit。如果被測設備的時鐘沒有任何偏差，即每秒1Gbit，那么當測試的第一秒鐘結束后，被測設備將比測試設備慢100，000bit。隨著測試時間的增加，無論多大的包緩存，都將最終被耗盡而導致報文的丟棄。

那么，如何判斷丟包是由于時鐘頻率的偏差導致的而不是其他的問題？或者說因為時鐘頻率引起的丟包率大概是多少以內才是合理的？

根據上文的描述，802.3允許的時鐘偏差為0.01%。也就是說，在最糟糕的情況下，如果測試設備正偏0.01%，而被測設備負偏了0.01%，那么理論上最大的丟包率為0.02%，即吞吐率最高只能達到99.98%。鑒于Smartbit和IXIA的自動化測試工具無法測試如此高精度的吞吐率，建議可以使用SmartWindows或者IXIA Explorer來模擬。以64Byte幀長度100%負載發包120s，將接受的報文總數除以測試設備實際發送的報文總數，則可以得出丟包率。理論上，如果丟包率小于0.02%，都可能是因為時鐘頻率偏差導致的。而實際上測試設備和被測設備之間的時鐘頻率偏差并不會達到規范允許的上下限，所以由于時鐘原因導致的丟包率實際上是非常小的，通常都在0.02%以下。在實際測試中，如果發現有小于0.02%的丟包率，都可以認為是由于時鐘偏差導致，是正常的現象。

當然，在真實的網絡應用環境中，這樣的時鐘偏差并不會是一個問題，因為在實際網絡中，絕大部分的時間中，網絡流量都不會達到100%線速。這樣的問題只會存在于交換機的性能測試中，但對于測試者而言，了解其中的原因和限制也是非常有必要的。

5 結束語

局域網交換機的交換性能是由多方面的因素共同影響的，與測試環境和測試模型有關，與測試設備以及被測設備本身的時鐘頻率偏移有關，也和被測設備的MMU配置是否合理也有關系。但參考時鐘的正偏或者負偏，由于個體存在差異，而導致在全線速吞吐率測試下的少量丟包也是合情合理的，并不影響產品在實際網絡中的應用。