路由器多端口并发性能测试研究

岳丽全　王　华　岳志高

摘要：路由器性能是网络高可用、高可靠和高性能的重要保证，如何评测路由器的性能，尤其对于工作在多端口并发的非均衡负载下的路由器性能，显得非常重要。文章给出了一个路由器的分布式多端口并发测试系统的结构，该系统可以完成路由器的多端口并发性能测试，并给出了测试的有关方法。

关键词：路由器；网络测试；性能测试；多端口

中图分类号：TP393 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2009）01-0117-03

由于网络测试对于网络发展的重大作用，国际上十分重视网络测试的研究，许多网络设备厂家都建立了自己的评测实验室，但就目前公开的资料看，他们没有考虑目前网络自相似通信模型下网络的极端性能的测试。我国从20世纪90年代以来，许多公司、研究所和院校开始积极发展网络测试技术，取得了可喜的成绩。但是国内的网络测试力量仍然比较薄弱，尤其对于高端路由器的性能测试，基本上都是依靠进口设备完成，大力发展我国自主的测试仪尤其重要。作者所在的四川省网络通信实验室一直致力于从事网络测试工作，文章了给出作者所在的四川省网络通信实验室进行的路由器测试系统的结构，以及性能测试规划。

一、网络测试介绍

网络分为3个不同的层次，分别是网络设备层、网络系统层和网络应用层。对应于这3个层次，网络测试也划分为3个不同的层次：网络设备的测试、网络系统的测试和网络应用的测试。

网络设备可以分为网络端系统和网络中继设备，针对网络端系统的测试，ISO定义了4种测试方法，分别是本地测试法，远程测试法，分布式测试法和协调测试法。针对中继系统的测试，ISO也定义了两种测试法，分别是回环测试法和穿越测试法（该方法由归国学者，四川省网络通信实验室的曾华燊博士提出）。

为了保证网络设备和网络系统高性能、高可靠和高可用，我们要对网络设备进行一致性测试、互操作性测试和完整的性能测试。

一致性测试是用于验证网络设备的协议实现是否与协议标准文本的规定相一致的测试。互操作性测试是验证被测协议实现是否能与正确的协议实现进行互操作。性能测试是测试网络设备在各种复杂的网络环境下所表现出来的实际工作能力，是网络设备级别高低的一种定性和定量的度量，是网络设备厂家开拓市场，提高产品市场竞争力的依据和动力，也是网络服务提供商进行规划管理的依据。

对于网络中继设备的性能测试，国际标准化组织没有给出具体的标准，一般的性能测试都是按照由IETF组织定义的RFC2544来进行的，这是一个网络互联设备的基准测试方法，能够描述网络互联设备的基本性能。但是，还不能够描述在复杂的网络业务量下的一些极端和突发性能。不同的性能测试仪，一般都是RFC2544，RFC2285和RFC2889标准来进行的。下面介绍作者所做的路由器性能测试规划研究。

二、路由器性能测试规划研究

路由器的性能反映的是网络的性能，网络的性能其实要取决于路由器的性能，尤其是广域网的性能好坏要取决于骨干路由器的性能。路由器性能如何，其实主要考查的是其在实际网络状况下的极端性能，其一般性的性能指标比较容易达到，例如，在通信流量比较平稳的情况下的性能。但是，网络性能高低很大程度上是看其承担突发事件时的处理能力，应该具有处理各种突发流量的机制。过去，业界一直认为网络业务模型应该是泊松模型，可是，自从1993年开始，大量的研究证明了现在的网络通信量服从自相似分布，具有长相关重尾分布的特性，与传统的泊松模型相反，所以，在进行路由器性能测试中，考虑实际的网络流量时，应该考虑泊松模型和自相似模型两种情况。

（一）测试系统结构图

近几年来，四川省网络通信实验室积极从事网络协议测试的研究，已经取得了初步的成果，产生了TCP、UDP、IP、RIP、OSPF、BGP、SNMP、MPLS等多个协议的一致性测试用测试集，正在开发一个集一致性测试、互操作性测试和全面的性能测试的分布式多端口路由器并发测试系统（Distributed Multi_ports Router Parallel Test System，简称DMRPTS），已经取得了初步的进展。图1为该系统DMRPTS的结构图。

该系统最大的特点是可以对路由器进行多端口并发测试，可以根据需要产生各种模型的通信流量，以对路由器进行实际通信流量下的测试。

目前对路由器的测试有回环测试和穿越测试法。利用测试驱动器（Two Port Test，简称TPT），本系统既可进行基于一个端口的回环测试，也可进行基于一对端口的穿越测试。在测试协调器（Test Management，简称TM）的调度下，这对端口即可位于一个测试驱动器上，也可位于不同的测试驱动器上（此时可进行互操作测试），还可以在TM的控制下，实现多个TPT对被测路由器的多端口并发穿越测试。由于TPT可以根据RUT的性能要求进行增减，所以本系统可以模拟在实际的网络流量下路由器的工作情况，尤其是对大容量高密度的核心路由器进行性能测试，测试路由器在各种负载条件下，尤其是在各种极端的最坏的突发流量状况下（自相似流量的特点），测试出路由器的极端性能，从而保证网络是否能正常高效地运行，从而对网络的规划和升级提供依据。

（二）网络流量设置

网络流量的产生可以根据需要进行设置，虽然目前自相似通信量的模型已经为大家所接受，但是由于泊松分布模型仍然在许多业务中可见，所以本系统考虑了两者，既可以产生泊松分布的通信流，也可以产生自相似的通信流。通过DMRPTS的流量发生器，在TM的控制下，用户可以经过简单设置，灵活地控制通信流，如下所示：

1．可以灵活设置数据帧的长度：可以在TM中手动设置，也可以以一定的规律用递增方式自动完成；可以设置帧前导码的长度；可以设置数据帧间隔的长度。

2．可以灵活设置数据帧中的Data字段的值。

3．可以在数据帧的特定位置插入特定长度的标记字段。

4．以太网测试中可以灵活设置MAC地址：包括手工设置静态的源和目的MAC地址，也可按递增或递减的方式或随机的方式产生源和目的MAC地址。

5．可以灵活设置帧头的各个字段的值。

6．可以设置数据帧的发送速率：可以手工静态设置，也可以以一定的速率递增或递减。

7．可以设置突发帧或包的个数。

8．可以产生通常的8种优先级的数据帧。

9．可以通过设置产生泊松模型的业务源和自相似流的业务源。

由于没有专门针对路由器性能测试的标准，所以国际上对路由器性能的衡量普遍都采用RFC2554（网络互联设备基准性能描述）和RFC1242（网络互联设备基本术语描述）来进行测试。本实验室开发的DMRPTS也是参照这两个文本，结合路由器的特点和要求，制定了相应的性能测试项目。

（三）性能测试项目及方法

性能测试主要包括吞吐量测试、时延与时延抖动测试、丢帧率测试、背靠背帧数测试、路由表深度测试、路由收敛能力测试，以及系统重启和系统恢复测试。其中，吞吐量测试是测试被测路由器在不丢包的情况下，正常转发的最大吞吐量；时延与时延抖动测试是指对于存储转发设备，时延指输入帧的最后一位到达输入端口的时刻t1和输出帧的第一位出现在输出端口的时刻t2之差值。时延反映路由器转发帧的速度。对于流媒体传输，时延和时延抖动是必须测试的内容；丢帧率测试是指路由器在超负荷的稳定负载下，应该被路由器正确转发的帧中，一部分由于资源缺乏而未被转发的帧所占的比例。这部分帧指未被正确转发的帧；背靠背帧数测试是指以最小帧间隔向路由器突发一定数量的帧，测试路由器能转发的帧数。这一性能实际上是在测试路由器的缓存能力，缓冲区大小及其分配策略，同时在一定程度上反映路由器的交换结构及其调度策略；路由表深度测试是指在某种动态路由协议下路由表所能支持的路由表项最大数量。路由收敛能力反应路由器能否比较快地适应网络拓扑结构的变化，反映更新路由表的能力。路由器在网络发生变化后发现下一跳，计算最佳路由，更新路由表所用时间的长短是用来衡量路由收敛能力的关键指标。系统恢复测试是指路由器在过载后恢复到正常工作的时间；系统重启测试是指路由器由于各种原因导致重启时所需的时间。

以上项目中，除路由表深度测试，路由收敛能力测试，系统重启与恢复测试项目外，其他各项均与帧长度有关，所以要选择有代表性的帧长度进行测试。本系统采用64B，128B，256B，512B，768B，1024B，1280B，1518B等。但是，为了模拟真实网络流量时路由器的吞吐量，测试时可以一次性发送所有帧长度序列中规定长度帧的混合数据流，而其分布选择泊松分布和自相似流分布两种情况。

为了克服随机性的影响，每一个测试例重复50次，取平均值作为最后的值。

在测试吞吐量，丢帧率，时延与时延抖动，背靠背帧数等项目时，测试分为以下情况进行：

1．一对端口测试。路由器往往具有多种端口，则这一对端口可以选取为同种端口，也可以选取为异种端口；可以选取同一板卡上的两个端口，也可以选取不同板卡上的端口进行分别测试，以反映各种端口的性能。如图2所示。

2．多对一测试。路由器的多个端口从线路上接收数据，向着路由器的某个单一端口转发，这可以模拟实际网络流量的突发情况，考察端口的吞吐量的极端性能。如图3所示。

3．多对多测试。路由器的所有端口都工作在发送和接收的全双工状态，此时考察的是路由器的整机性能。图4（a）所示为多对多的端口测量，性能受路由器结构的影响，一般会低于各端口性能指标之和。图4（b）为路由器所有端口都工作在极端状态下的整机性能测试，测试的值会比图4（a）测定的值性能更低。

三、结语

路由器性能是网络高可用、高可靠和高性能的重要保证，如何衡量路由器的性能，目前仍然没有统一的标准，只有对网络互连设备的基准测试标准，所以，研究路由器的性能测试具有重大的理论和实际意义。本文结合四川省网络通信实验室正在研发的分布式多端口路由器协议测试系统对路由器的性能测试进行了研究，并对测试的方法等给出了相关的叙述。以后的工作要着重研究实际网络通信流的产生和对测试结果进行统计分析，对路由器的性能给出综合的评价。

参考文献

[1]RFC2544．Benchmarking Methodology for Network In-

terconnect Devices， March 1999．

[2]Huaxin Zeng，Xun Zhou，and Bo Song．On Testing of IP Routers，in: Proceedings of PACAT03, IEEE press，P535-540，Aug (2003)．

[3](美)海德著//丁凌峰等译． Cisco路由器性能测试[M]．机械工业出版社，2000．

作者简介：岳丽全，女，西南交通大学电气工程学院讲师，博士研究生，研究方向：计算机网络测试；王华，男，西南交通大学硕士研究生，研究方向：嵌入式系统多媒体技术；岳志高，男，四川眉山东坡中学中级教师。