高效测试宽带接入网络，保障宽带提速——思博伦宽带接入网络测试解决方案

赵隽琪王岩思博伦通信

思博伦技术专栏

高效测试宽带接入网络，保障宽带提速
——思博伦宽带接入网络测试解决方案

赵隽琪王岩思博伦通信

编者按：2015年5月，国务院办公厅发布“关于加快高速宽带网络建设推进网络提速降费的指导意见”，中国宽带网络面临着新一轮的提速和降价。由于前期多年网络建设已经大有成就，所以此轮宽带提速和降价起点比较高，面临技术的更新换代，同时降低成本的压力也比较大。思博伦通信赵隽琪和王岩的《高效测试宽带接入网络，保障宽带提速》一文首先对宽带接入性能测试面临的调整进行了分析，然后对思博伦宽带接入网络测试解决方案进行了详细研究和介绍。思博伦宽带接入网络测试解决方案10年来在运营商Eco-system中不断发展、完善，已经被所有运营商几乎所有的设备厂商采用。这些新的硬件、新的增强，能帮助整个生态链克服测试挑战，保证网络设备的服务质量，保障宽带提速。

1　新一轮宽带提速技术概述

2015年5月，国务院办公厅发布“关于加快高速宽带网络建设推进网络提速降费的指导意见”，中国宽带网络面临着新一轮的提速和降价。由于前期多年网络建设已经大有成就，所以此轮宽带提速和降价起点比较高，面临技术的更新换代，同时降低成本的压力也比较大。此次宽带提速在技术演进上有下列特点（见图1）：

（1）局端设备大扩容：由于xGPON、G.Fast等新的接入线路技术的部署，OLT、DSLAM等设备的交换容量大幅提升，并促使局端设备的上联端口进行速率升级，传统的OLT上联以千兆和10G为主，NGPON OLT的上联接口以高密度10G为主，40和 100G上联以太网接口，也已进入研发周期。由于OLT厂商多是业界领先的设备商，企业还有核心路由器、交换机等产品线，所以OLT上40和100G接口只是时间和市场问题。

（2）多种接入线路技术同时演进：接入线路正在进行一轮大的技术升级，这里包括PON从GPON到xGPON升级，xDSL线路通过G.Fast达到近千兆带宽；无线接入上，移动通讯从3G逐渐进入4G建设周期，Wi-Fi接入在近两年内，也会从802.11n逐步过渡到802.11ac。

（3）用户端设备（MDU、SFU、HGU等）端口密度增加，交换容量从典型的2Gbit/s向10Gbit/s交换容量递进，在终端市场机遇与挑战并存。

图1　宽带接入网络演进技术热点

2　宽带接入性能测试面临的挑战

性能是当前宽带接入网络最重要的关注点。要保证好的性能，需要良好的测试。局端设备厂商和终端设备厂商来说，面临的测试挑战不尽相同。

（1）局端设备

对于局端设备来说，多年来已经建立了成熟的测试床，并且开发了成熟的测试规范，目前面临的挑战主要是：

●当设备的端口密度和交换容量成倍增加时，在原有基础上，如何建立有效的更大规模测试床，测试出大容量设备的可能故障点，提高测试方法的有效性，既能测试出大容量设备的性能和协议容量极限，又不降低测试的效率。

●建立新的以太网接口硬件和设备的测试能力，如高密度10、40和100G以太网。

●随着互联网的快速发展，宽带接入设备上承载的应用类型变化较快，面临的安全威胁也更大，所以需要局端设备根据现网的流量模型和安全状况，进行有效的应用层和安全性测试，从用户体验和系统安全角度去评估系统。

●在增加测试床投资的同时，如何有效地控制测试成本。

（2）用户端设备

宽带提速对MDU、SFU、HGU（家庭网关）来说是一次量级的提升，设备厂商面临的挑战有：

●建立具备10Gbit/s能力的测试床。传统的用户端设备以10/100/1000Mbit/s为主。业界新的MDU交换容量正在达到和超过10Gbit/s，在上联侧完全超过1Gbit/s带宽。

●Wi-Fi接入越来越普遍，需要在Wi-Fi接口上建立和固定接口以太网一致的测试系统。

●用户端设备性能对应用层业务质量影响，对于局端设备来说更明显。而且用户端设备通常会开启一些应用层模块，如NAT、ALG等。在10Gbit/s级别交换容量上，需要进行有效的应用层测试。

●同样存在如何控制测试成本的问题。

3　思博伦宽带测试解决方案

思博伦通信宽带网络测试解决方案，从2006年起一直广泛应用于包括中国电信、中国联通、中国移动和广电在内的整个宽带接入网络Eco-System的选型测试、研发测试和运维测试中，测试解决方案非常完善有效。解决方案包括SpirentTestcenter数据网络测试仪产品，DLS线路仿真仪和Attero网络损伤仿真仪。在硬件上提供从千兆到100G各种速率的以太网接口，软件上支持L2～7测试功能。

3.1SpirentTestcenter机框和测试板卡

Spirent Testcenter提供SPT-N4U（2槽位）和SPTN11U（12槽位）两种机框（见图2），均可支持满配高性能千兆到100G各类测试板卡。机框和板卡主要用于选型测试和实验室研发测试。与宽带接入网络相关的主要测试板卡具体参见表1。

图2　SpirentTestcenter N4U和N11U机框

本文重点介绍SpirentTestcenter10/1G双速率测试卡，此系列测试卡支持4、8、12和16口型号，具有下列特性：

●每端口支持10和1G双速率，用户可根据需要把不同端口切换成10或1G模式。

表1　宽带接入网络主要测试板卡

●10G支持单模和多模SFP+光模块和DAC。

●1G支持SFP光模块和RJ45SFP模块。

●支持L2～7测试。

此板卡每个端口可当作10或1G使用，在接入设备测试床中，可根据用户需要自行设置，方便使用，降低测试床成本，性价比非常高，是宽带接入设备测试最合适的测试板卡（见图3）。

图3　FX2-10G-S16 16端口10/1G双速率测试卡

3.2Spirent Testcenter盒式机箱C1和C50

考虑到多种应用需求，如外场测试，需要仪表便于携带；终端设备测试，需要较少量的测试端口。SpirentTestcenter提供盒式型号C1和C50（见表2）。

3.3SpirentTestcenter测试功能

SpirentTestcenter支持下列和宽带接入网络相关的测试应用：

●单播/组播性能测试和QoS测试，支持RFC2544、RFC2889和RFC 3918等基准性能测试标准。其中，RFC2544支持上/下行链路不对称的吞吐量、丢包率和时延测试，非常匹配宽带接入网络上/下行链路不对称特点。

●接入协议测试（PPPoX、DHCP、IGMP/MLD、L2TP、VLAN、QinQ等），包括协议功能和协议容量测试。

●交换测试，包括生成树协议STP、RSTP、PVST、RPVST、MSTP、链路聚合协议LACP等。

●路由和MPLS测试，如RIP、OSPF、ISIS、BGP、PIM-SM、PIMSSM、LDP、RSVP-TE、各种MPLS VPN等。在欧美运营商的应用中，有需求把OLT作为一个MPLS PE使用，所以路由和MPLSVPN相关协议仿真也是宽带接入网络局端设备的必要测试内容。

●L4～7应用层测试（防火墙测试、IDS/IPS测试、各种应用服务器测试、视频质量测试等）。

●安全测试，从外网对设备带内网关系统产生各种攻击流量，验证设备抗攻击的能力。

3.4xDSL性能及一致性测试

xDSL产品的测试项目，都会涉及到线路噪声模拟和环路模拟相关测试项目，思博伦通信作为业内最权威的xDSL线路仿真和噪声发生系统生产商，其产品被国际、国内的主流终端、局端设备生产商所采用。

表2　盒式SpirentTestcenter C1和C50

如图4所示，由于xDSL根据不同的国家和地区定义了不同的频谱规划，并且在线缆类型方面也存在差异，因此在xDSL测试中也根据国家和地区的不同，定义了不同的测试环路和线缆规格。

图4　各地区频谱规划

xDSL测试通常遵循ITU-T/ETSI/BBF的相关测试标准，其中主要的xDSL测试噪声文件和环路的定义都依据BBF（宽带论坛）所发布的测试标准进行。测试标准包括TR-067/TR-100/TR-114、国标测试YD/T1996.2等。思博伦通信提供xDSL测试的完整测试系统，包含DLS-5800噪声发生器和DLS-V2A/DLS-V2E/DLSA2PA/DLS-A2PE线路仿真系统，分别对应VDSL/ ADSL测试所对应的ETSI和ANSI环路规范要求。图5是测试拓扑图。

图5　xDSL测试系统

随着VDSL2的演进，通过使用300MHz甚至更高的频谱，能够在现有电话线接入方式不变的情况下，在500m接入距离内实现高达1Gbit/s的传输速率，这种新的调制技术就是G.fast标准。然而，更高的频谱使用范围也带来新的噪声干扰问题，如射频噪声、脉冲噪声，原有xDSL技术对于30MHz以上频谱的噪声干扰并不会产生影响，而G.fast技术在30MHz以上频段也会受到干扰，并导致数据传输性能的下降。因此，G.fast产品的噪声测试较其他DSL技术来看显得更为重要，如果在噪声干扰下数据性能下降的程度与VDSL相近，则运营商无需更换原有VDSL系统，因此进行全面的噪声及性能测试是决定G.fast产品是否能够替代VDSL系统的关键。

思博伦通信提供的DLS-5900G.Fast噪声测试系统，可以实现最高的300MHz频率的噪声注入，产品提供了4个噪声通道，能够独立或者同时输出所需加载的噪声。DLS-5900随机附带噪声编辑软件，能够允许用户制作测试所需的射频、脉冲噪声、高斯白噪声等噪声类型。

思博伦通信DLS线路测试系统，由噪声发生器和线路仿真仪两部分组成，提供xDSL线路仿真，表3是系统的主要组成和功能。

3.5网络损伤仿真解决方案

Attero是思博伦公司在损伤仿真领域最新的产品，支持双向100%全线速流量下的现网损伤模型精确加载仿真（见图6）。基于Windows平台的客户端软件可以实时配置损伤模型参数而无需停止测试流量，能够仿真丢包、延时、包抖动、包复制、包错误、带宽限制等网络损伤模型。在丢包和时延分布模型方面，Attero损伤仿真仪除了能够支持泊松、高斯、伽马、均匀分布模型外，还可以通过“自定义”方式，任意设置丢包序列，因此能够在时延和丢包敏感业务的测试方面具有更深入的测试能力。在宽带接入网络测试中，Attero网络损伤仪通过网络仿真，可以辅助SpirentTestcenter对宽带网络在各种网络条件下的应用质量和用户体验进行评估。Attero和SpirentTestCenter测试仪结合，获取网络质量模型，记录的时间精度可达1ms，最长记录一周的网络质量变化情况可以将记录的网络质量模型文件，用于实验室环境下进行“播放”从而实现现网质量的模拟和还原。

表3　DLS系统的主要组成和功能

图6　Attero网络损伤仪

Attero仪表具有广泛的适用性，在实验室环境下，可以模拟不同接口及网络连接环境下的损伤特性，同时支持动态的损伤模型加载，以模拟一个网络在不同时间下的质量动态变化特性。

损伤仿真仪提供两种产品规格，分别对应于千兆测试环境的Attero和万兆+千兆以太网测试环境的Attero-X，两款测试仪表的功能比较参见表4。

4　宽带接入典型测试场景

4.1性能和稳定性测试

性能和稳定性是宽带网络最基本的要求，主要体现在以下方面：

●吞吐量和丢包率所代表的转发能力是网络设备最基本的要求。

●时延、抖动、乱序：在互联网和互联网+时代，宽带接入系统上承载的应用业务，业务质量对这些L2～3性能指标有较高要求。例如，股票交易、智能家电等应用对于时延要求高；而互联网视频、互联网音乐、互联网电话等，对抖动和乱序指标要求较高。

●流量和协议捆绑性能：在宽带接入网络中，用户通常通过PPPoE、DHCP等手段接入网络，设备会根据业务配置为流量打上不同的VLAN或者QinQ，进行VLAN1：1或者n：1转换。流量都需要经过协议封装和解封装，组播流量需要跨VLAN、跨用户复制。协议平面上的业务性能，是宽带接入网络关注内容之一。

●QoS：每个用户的SLA是否可满足；发生拥塞时，高优先级流量质量是否有保证。

●稳定性：大量用户同时上线时，系统能否保持稳定，及时处理上线要求；大量PPPoE用户在振荡时，系统能否保持稳定。

（1）测试床叠加

宽带接入网络基本测试床拓扑参见图7。为了评估一个宽带接入系统在运营网络中真实的性能和稳定性，在建立测试床时，我们认为应该给被测系统叠加超过现网正常运营负载的测试负载，让被测系统的所有部件都能够工作起来，才能在测试中发现系统潜在的问题。因此，SpirentTestcenter向被测系统至少应该叠加下列负载：

●根据不同终端的类型满配PPPoE和IPoE接入用户。

表4　Attero网络损伤仿真仪主要型号和功能

图7　宽带接入网络基本测试床拓扑

●PPPoE和IPoE接入协议上的绑定双向单播业务流量。

●宽带接入系统按照业务类型配置1：1或者N：1进行VLAN转换或者VLAN汇聚，并按业务要求配置QinQ封装，分别转发到不同的边缘设备。

●叠加组播业务，进行跨VLAN复制。

●测试中叠加复杂协议行为，如批量PPPoE和IPoE用户的上/下线行为（振荡），组播用户频道切换。

●对带内网关叠加DDoS攻击，观察设备防护能力和稳定性。

●加载必要的DSL线路仿真和线路噪声。

（2）流量发生和分析

SpirentTestcenter板卡测试端口密度高，少量的测试卡就可以完成一个1：32系统或者1：64系统的系统测试。特别是FX2-10G-Sy系列卡，每个端口都可作为1G或者10G用，测试床搭建非常灵活。一个端口下，SpirentTestcenter可产生RR、WRR、优先级和用户自定义调度的流量，构造各种现网流量模型。

在统计上，SpirentTestcenter为每条测试流提供丰富的实时统计量，统计准确，且符合标准定义，能准确分析数据业务和实时业务的质量，简化问题定位。

●收发包总数和速率，涵盖L1层统计和以太网/ IP/L4层统计。

●支持MEF10/RFC3393/RFC4689抖动统计。

●支持MEF10/RFC4737高级顺序性统计，提供实时的丢包、重复、乱序、顺序和迟到统计。

●支持1s实时时延和抖动变化统计。

●支持时延分布和抖动分布统计。实时时延/抖动统计和时延/抖动分布统计，长时间测试中业务转发是否一直稳定，能够反映很多被最大/最小/平均统计量掩盖的问题。

（3）性能和稳定性测试套件

为了公正有效地评估通信设备的性能，业界长期以来形成了一系列基准性能测试标准，应用于研发和比对测试。SpirentTestcenter上支持大量的基准性能测试自动化套件，自动执行标准化测试，并生成符合标准的测试报告。与宽带接入网络相关的套件包括：

●RFC2544吞吐量、丢包率、时延和背靠背缓冲能力基准性能测试。

●非对称RFC2544测试套件，符合宽带接入网络上下行链路不对称的特点。

●RFC5160IPv6基准性能测试。

●RFC2889二层交换设备基准性能测试。

●RFC3918组播基准性能测试。

●IPTV测试套件，测试组播频道切换，直观衡量IPTV用户的体验。

●接入稳定性测试套件，模拟接入协议（DHCP、PPPoX）振荡模型，观察接入系统在异常情况下的长期稳定性。

4.2Wi-Fi测试

万物互联时代Wi-Fi是主要的接入手段，甚至超过了Cable接入。用户端设备基本都具备Wi-Fi接口，特别是SFU和HGU。过去由于缺乏具备和Cable以太网接口测试仪同等能力的Wi-Fi接口测试仪，无法对Wi-Fi通路上业务的传输性能、传输质量和各种应用的用户体验进行评估。SpirentTestcenterWi-Fi接口卡，是市场上第一款具备L2～7全测试能力的Wi-Fi测试仪表，所有在Cable以太网接口上完成的测试，都可以在Wi-Fi接口上完成。由于Wi-Fi接口相对链路质量和稳定性都较差，所以在Wi-Fi接口上，进行性能和应用质量测试更加有必要。SpirentTestcenterWi-Fi测试端口支持802.11a/b/g/n和802.11AC，一个端口可以仿真数百种不同制式的终端。Wi-Fi设备测试拓扑参见图8。

图8　Wi-Fi设备测试拓扑图

4.3应用层真实业务模型测试

SFU、HGU等设备，通常包含了应用层的能力，单纯的L2～3测试，无法触发NAT表项处理，ALG等L4～7组件，而在现网中，这些组件都是使能的。在局端设备上，队列门限设置是否合理，负载均衡算法是否合理，关键信令/TCP协议消息传输优化是否有效，需要应用层业务来验证。因此，除了传统的L2～3吞吐量、丢包率、时延等性能和协议测试外，还应该包括以下应用层测试功能：

●在开启NAT情况下的性能指标，包括并发连接数、每秒新建连接数、有效带宽等。

●ALG（应用层网关）性能，开启NAT后，SIP、RTSP等协议需要开启应用层网关，用于应用层协议的地址转换。对ALG网关开启以后，各种应用层业务的性能需要评估。

●视频质量评估，互联网时代，用户对互联网视频的要求越来越高，需要从用户体验角度对传输视频质量进行评估。目前，市场认可的评分标准主要是MDI标准和TVQM评分体系。结合Spirent Testcenter和Attero网络损伤仪的组合测试方案，用Attero网络损伤仪来仿真网络中的时延、抖动、乱序的负面条件，观察整个系统对应用的容错和容损伤能力。

●真实应用层混合业务的传输性能。在现网中，由于应用的丰富和带宽的增加，用户的应用多样化，用户端设备承载的应用层混合业务，业务的比例随时间的变化而变化。未经充分测试的用户端设备，在承载多业务的时候，可能会出现不同的故障，这就需要对设备进行真实网络中的混合业务模型测试。

SpirentTestcenterL4～7测试应用，可以进行真实的应用层业务的仿真。连接局端设备的测试端口，仿真VOD、VoIP核心网、文件服务器、BT网络端、Web服务器等各种类型的服务器，连接用户端的测试端口，则仿真各种应用客户端，通过仿真客户端和服务器之间的交互，产生有状态的真实应用层业务，对设备的各种功能和性能进行评估。

SpirentTestcenterL4～7测试应用，集成RFC3511防火墙基准性能测试，作为最基本的应用层设备性能测试标准，评估指标包括：吞吐量/时延；最大并发TCP连接数，最大每秒新建/拆除TCP连接数，HTTP每秒事务处理数；应用业务有效带宽；DDoS攻击拦击性能；非法流量处理能力；分片流量处理能力。

SpirentTestcenter支持丰富的应用层协议，并为每种业务提供针对性的统计指标：

●数据相关协议，包括HTTP、FTP、Telnet、DNS、邮件、文件系统访问（CIFS、NFS）等。

●视频相关协议，包括QuickTimeRTSP/RTP、Real Networks RTSP/RTP、MMS、组播VOD、直播、RTMP、HTTPABR等，支持多种视频编码格式。

●语音相关协议：SIP及各种语音编码方式。

●用户接入协议：PPPoE、DHCP、IPSEC、GRE、VLAN、QinQ。

●网络攻击。

通过高级抓包回放（SAPEE）功能，Spirent Testcenter可以支持任意基于TCP或者UDP的私有协议仿真，这其中包括很多私有定义，市场影响很广的Internent应用，如BT、QQ、迅雷、MSN、Skype、电骡、微信、在线游戏等。

SpirentTestcenter能够把各种应用层协议按比例混合，混合比例可随时间变化，产生和现网流量模型一致的真实应用层流量模型，对宽带接入设备进行真实性测试。大量实测表明，这种流量模型能测试出大量单一协议测试无法测出的问题，对SFU和HGU设备产生很大的压力。图9是一个混合流量模型测试示例。

图9　应用层混合业务模型测试示例

5　宽带接入典型测试场景

新一轮宽带提速大潮中，设备厂家的测试新需求有多方面，包括测试床扩容、新的以太网测试端口和Wi-Fi测试端口引入、有效的L2～7测试方法学、克服测试投资和降资费的矛盾。SpirentTestcenter和DLS线路仿真仪，Attero网络仿真仪组成的系统，提供了包括硬件、软件、测试方法学在内的完整解决方案，能满足上述所有测试需求。思博伦宽带接入网络测试解决方案10年来在运营商Eco-system中不断发展、完善，已经被所有运营商几乎所有的设备厂商采用。这些新的硬件、增强，能帮助整个生态链克服测试挑战，保证网络设备的服务质量，保障宽带提速。