對(duì)路由器性能評(píng)測(cè)指標(biāo)的研究

董思妤 段旭哲 唐 玲

摘 要:定義了不同的數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)發(fā)模型,并利用網(wǎng)絡(luò)仿真工具OPNET在所定義模型下分別對(duì)路由器的一些關(guān)鍵性能指標(biāo)進(jìn)行了測(cè)試,測(cè)試結(jié)果表明當(dāng)轉(zhuǎn)發(fā)模型為均勻流量時(shí)路由器的性能要遠(yuǎn)遠(yuǎn)好于非均勻流量轉(zhuǎn)發(fā)模型下的性能。故得出IETF有關(guān)性能評(píng)測(cè)的方法與度綱不完備,未能對(duì)網(wǎng)絡(luò)一般和極端環(huán)境下設(shè)備的性能進(jìn)行評(píng)測(cè),必須擴(kuò)展IETF現(xiàn)有的性能評(píng)測(cè)度綱,從而為路由器的性能評(píng)價(jià)提供更全面的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。

關(guān)鍵詞:性能評(píng)測(cè)指標(biāo);抖動(dòng);恒速率流;變速率流;可用速率流

中圖分類號(hào):TP393.06

0 引 言

路由器和交換機(jī)是Internet的關(guān)鍵中繼設(shè)備,它們?cè)谕ㄐ抛泳W(wǎng)中轉(zhuǎn)發(fā)網(wǎng)絡(luò)層的IP報(bào)文或數(shù)據(jù)鏈路層的幀。路由器或交換機(jī)內(nèi)的協(xié)議實(shí)現(xiàn)是否符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)必須通過(guò)“一致性測(cè)試”(Conformance Testing)進(jìn)行評(píng)價(jià)。而它們的可量化參數(shù)(吞吐率、轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)延、抖動(dòng)和數(shù)據(jù)丟失率等),由于直接關(guān)系到網(wǎng)絡(luò)提供的服務(wù)質(zhì)量,也必須通過(guò)測(cè)試方法對(duì)其性能進(jìn)行評(píng)價(jià)。對(duì)路由器/交換機(jī)性能的評(píng)價(jià),除了需要良好的測(cè)試方法模擬設(shè)備正常與極端情況下的工作環(huán)境和能夠控制測(cè)試環(huán)境的測(cè)試系統(tǒng)外,還需要合理的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系,即所謂“測(cè)試度綱”(Test Metrics)。測(cè)試度綱定義測(cè)試過(guò)程中注入被測(cè)對(duì)象輸入的數(shù)據(jù)格局(數(shù)據(jù)到達(dá)率及其分布規(guī)律),即概率分布、輸入數(shù)據(jù)流之間關(guān)系的控制和協(xié)調(diào)以及輸入/輸出數(shù)據(jù)間的轉(zhuǎn)發(fā)規(guī)律。對(duì)被測(cè)對(duì)象的測(cè)試需要通過(guò)向被測(cè)對(duì)象發(fā)送測(cè)試控制數(shù)據(jù)和觀察被測(cè)對(duì)象對(duì)測(cè)試控制數(shù)據(jù)的應(yīng)答來(lái)完成。對(duì)多端口中繼設(shè)備,為了模擬設(shè)備真實(shí)的網(wǎng)絡(luò)工作環(huán)境,必須對(duì)多端口設(shè)備的所有輸入/輸出端口同時(shí)進(jìn)行控制與監(jiān)測(cè)。這就是本文的主要內(nèi)容。

1 測(cè)試數(shù)據(jù)流特性及應(yīng)用模型

1.1 定義測(cè)試數(shù)據(jù)的必要性

隨著多媒體數(shù)據(jù)(包括恒速與變速的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù))在Internet數(shù)據(jù)流中所占比例的不斷變化,使現(xiàn)代路由器的外部數(shù)據(jù)到達(dá)率的規(guī)律也不斷發(fā)生變化,某一類型的輸入數(shù)據(jù)相對(duì)路由器或交換機(jī)來(lái)說(shuō)是一個(gè)隨機(jī)過(guò)程,因此不同類型的輸入數(shù)據(jù),其表現(xiàn)的統(tǒng)計(jì)分布是不同的。因此,現(xiàn)代路由器測(cè)試設(shè)備還必須具備在不同端口上模擬不同速率的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)到達(dá)率的能力,以仿真真實(shí)的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境,測(cè)試路由器的實(shí)際性能指標(biāo)參數(shù)的能力。

1.2 測(cè)試數(shù)據(jù)的分類

根據(jù)ITU[CD*2]T建議,信源以速率來(lái)分有三類:恒速率流(Constant Bit Rate,CBR)、變速率流(Variable Bit Rate,VBR)和可用速率流(Available Bit Rate,ABR)。在此以這三類典型數(shù)據(jù)流為基礎(chǔ),根據(jù)它們的統(tǒng)計(jì)特性生成測(cè)試數(shù)據(jù)流,CBR的典型代表是普通電話業(yè)務(wù)和普通視頻音頻業(yè)務(wù),通常是未壓縮音頻和視頻信息,是簡(jiǎn)單的恒定速率信源。VBR的特點(diǎn)是信息流在活動(dòng)與非活動(dòng)階段交替或數(shù)據(jù)流速是連續(xù)變化的,采用壓縮技術(shù)的語(yǔ)音和視頻信源是VBR的典型代表。ABR可用來(lái)表示非實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù),它的到達(dá)具有極高的突發(fā)性,速率差別較大,數(shù)據(jù)量的大小也難以預(yù)測(cè),例如文本、圖片等數(shù)據(jù),它們都是非實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。通過(guò)組合大量特征各異的數(shù)據(jù)流就可以在一定程度上模擬實(shí)際網(wǎng)絡(luò)中復(fù)雜的流量環(huán)境。

(1) 恒速率流(CBR)及模型

現(xiàn)行的仿真研究大部分都在應(yīng)用恒定比特率(CBR) 業(yè)務(wù)模型進(jìn)行研究。在CBR業(yè)務(wù)中,通過(guò)平滑緩沖器或控制信源產(chǎn)生速率,CBR視頻或音頻信號(hào)以均勻速率在網(wǎng)絡(luò)上傳送連續(xù)比特流。對(duì)于這類數(shù)據(jù)流,了解其最大比特率就足以刻畫。恒定速率的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)流在格式上呈現(xiàn)為連續(xù)的比特流,通常數(shù)據(jù)流間沒有明顯的界限,而對(duì)于瞬時(shí)的數(shù)據(jù)流不敏感。但要求傳輸時(shí)延盡量小,傳輸抖動(dòng)小。

CBR是一種均勻(Constant)流量模型,它所產(chǎn)生的測(cè)試流量是恒定的,這主要體現(xiàn)在測(cè)試數(shù)據(jù)包之間的時(shí)間間隔是固定的。圖1是均勻流量模型,它只有一個(gè)狀態(tài),以恒速率玽發(fā)送測(cè)試流量。均勻流量模型雖然是最簡(jiǎn)單的,但它仍然是使用最廣泛的一種流量模型。它的優(yōu)點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)和配置簡(jiǎn)單,便于對(duì)結(jié)果進(jìn)行比較。

(2) 變速率流(VBR)及模型

變速率流(VBR)業(yè)務(wù)傳輸是一相對(duì)較新的研究領(lǐng)域。這類數(shù)據(jù)流對(duì)于時(shí)延和抖動(dòng)也有嚴(yán)格的要求,與CBR主要不同之處是它的傳輸速率會(huì)隨時(shí)間變化。VBR是一種突發(fā)(Bursty) 流量模型,它所產(chǎn)生的測(cè)試數(shù)據(jù)包之間的時(shí)間間隔是變化的,可以用于測(cè)試網(wǎng)絡(luò)設(shè)備在突發(fā)數(shù)據(jù)包情況下的性能,其流量模型可以使用有限狀態(tài)機(jī)來(lái)描述,本文用ON/OFF過(guò)程模型[3]來(lái)描述其特性。ON/OFF過(guò)程模型的參數(shù)比較簡(jiǎn)單,容易分析,而且又能模擬信源的突發(fā)性和相關(guān)性,因此,可以用來(lái)模擬高速網(wǎng)絡(luò)中的話音源、數(shù)據(jù)源等。到目前為止,這是性能評(píng)價(jià)領(lǐng)域內(nèi)使用得最廣泛的模型。

ON/OFF 過(guò)程模型假定測(cè)試數(shù)據(jù)包的產(chǎn)生在㎡N狀態(tài)(發(fā)送測(cè)試數(shù)據(jù)包狀態(tài))和OFF狀態(tài)(空閑狀態(tài))交替變化,在ON狀態(tài)時(shí)以固定的速率玽(傳輸鏈路的線速率)發(fā)送數(shù)據(jù)包,如圖2所示,在OFF狀態(tài)時(shí)不發(fā)送數(shù)據(jù)包,傳輸鏈路的負(fù)載由ON狀態(tài)和OFF狀態(tài)的時(shí)間長(zhǎng)度決定。一般地,認(rèn)為連續(xù)的ON期間和OFF期間都是獨(dú)立同分布的,這樣要描述ON/OFF數(shù)據(jù)源的隨機(jī)元素只需要控制ON和OFF期間長(zhǎng)度的分布就足夠。這里討論的ON/OFF過(guò)程模型中ON和OFF期間的時(shí)間長(zhǎng)度分布滿足幾何分布。

(3) 可用速率流(ABR)及模型

這類數(shù)據(jù)流具有突發(fā)性,但同時(shí)又對(duì)時(shí)延和時(shí)延抖動(dòng)沒有嚴(yán)格的要求。例如文本、圖片等數(shù)據(jù),它們都是非實(shí)時(shí)數(shù)據(jù),比特率從幾個(gè) Kb/s 到幾百 Kb/s。網(wǎng)絡(luò)在處理這類通信流量的時(shí)候就具有更大的靈活性,并且應(yīng)該更好地使用復(fù)用來(lái)提高網(wǎng)絡(luò)的效率。在此使用一般獨(dú)立到達(dá)過(guò)程泊松過(guò)程來(lái)描述其特性,數(shù)據(jù)包到達(dá)時(shí)刻的時(shí)間間隔是相互獨(dú)立同分布的隨機(jī)變量,泊松過(guò)程的時(shí)間間隔服從指數(shù)分布。

2 性能測(cè)試中數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)發(fā)模型

2.1 均勻轉(zhuǎn)發(fā)模型

(1) 一般性均勻轉(zhuǎn)發(fā)模型(即RFC2544中所定義的模型)。即將輸入數(shù)據(jù)流隨機(jī)均勻地轉(zhuǎn)發(fā)到各個(gè)目的輸出端口。

(2) 短期突發(fā)長(zhǎng)期均勻轉(zhuǎn)發(fā)模型。

設(shè)長(zhǎng)期的業(yè)務(wù)流為均勻業(yè)務(wù),因?yàn)閺拈L(zhǎng)期的統(tǒng)計(jì)特性來(lái)看,對(duì)于某一輸入端口而言,它去往各個(gè)輸出端口的數(shù)據(jù)流量往往是較為平均的,對(duì)于某一輸出端口而言,它所接收到的數(shù)據(jù)流量常平均地來(lái)自各個(gè)輸入端。而在實(shí)際情況中,特別是在短時(shí)間內(nèi),輸出端口所接收到的數(shù)據(jù)流量在各個(gè)輸入端之間往往是不均等的,或者輸入端口去往各個(gè)輸出端口的數(shù)據(jù)流量是不均等的。比如某個(gè)大型網(wǎng)站提供了一熱門視頻的下載或點(diǎn)播。突發(fā)特性主要表現(xiàn)為輸出端口地址分配的突發(fā)性,即有多個(gè)輸入端口流量同時(shí)去往同一輸出端口時(shí)造成輸出端口擁塞的情況。針對(duì)此種情況,對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)流流向輸出端口的分布可利用ON/OFF模型的開關(guān)控制時(shí)間來(lái)實(shí)現(xiàn)。

首先根據(jù)相關(guān)參數(shù)計(jì)算出ON階段和OFF階段的長(zhǎng)度,在ON階段隨機(jī)選擇一個(gè)端口作為輸出地址,在該階段內(nèi)產(chǎn)生的所有包都去往同一個(gè)輸出端口,形成地址突發(fā),而在各個(gè)ON階段隨機(jī)地選擇輸出端口地址。

2.2 非均勻轉(zhuǎn)發(fā)模型

(1)熱點(diǎn)(hotspot)流量模型。

所謂熱點(diǎn)流量就是指所有輸入端口到某輸出端口(熱點(diǎn))的流量多于往其他端口的流量,即每個(gè)時(shí)隙到達(dá)的所有數(shù)據(jù)包總有一個(gè)固定概率到達(dá)一個(gè)熱點(diǎn)輸出端口。通常用“設(shè)置一個(gè)熱點(diǎn)輸出端口,而數(shù)據(jù)包到達(dá)其它輸出端口仍為均勻分布”來(lái)描述一個(gè)熱點(diǎn)流量模型。

設(shè)定交換到該熱點(diǎn)端口的流量占輸出端口總流量的比率為Whotspot,即熱點(diǎn)端口負(fù)載的比率,取值[0,1]。以概率Whotspot為測(cè)試數(shù)據(jù)包分配熱點(diǎn)端口地址,否則數(shù)據(jù)包隨機(jī)分配一個(gè)輸出端口地址,來(lái)實(shí)現(xiàn)輸出端口流量的非均勻分布。

(2)多熱點(diǎn)(multi[CD*2]hotspot)流量模型

在某些情況下,會(huì)出現(xiàn)多個(gè)端口的負(fù)載較高,而其余大部分端口負(fù)載較低的情況,相當(dāng)于出現(xiàn)了多個(gè)熱點(diǎn)端口,本文將此種流量稱為多熱點(diǎn)流量。

以下討論兩個(gè)熱點(diǎn)(Two Hotspots)輸出端口的情況。

在玁個(gè)輸出端口中隨機(jī)選擇兩個(gè)熱點(diǎn)輸出端口,分別稱為Hotspot1和Hotspot2,它們的端口號(hào)分別表示為Nhotspot1和Nhotspot2,Hotspot1和Hotspot2并不等同,它們是有區(qū)別的。設(shè)定交換到Hotspot1的流量占輸出端口總流量的比率為Whotspot1,交換到Hotspot2的流量占輸出端口流量中除Hotspot1外流量的比率為Whotspot2,且Whotspot1和Whotspot2取值均為[0,1],則Hotspot1和Hotspot2端口負(fù)載的比率分別為Whotspot1,(1-Whotspot1)Whotspot2。分別以概率Whotspot1和(1-Whotspot1)Whotspot2為測(cè)試數(shù)據(jù)包分配這兩個(gè)熱點(diǎn)端口地址,否則數(shù)據(jù)包隨機(jī)分配一個(gè)輸出端口地址,來(lái)實(shí)現(xiàn)多熱點(diǎn)流量。

(3)單到單流量模型

所謂單點(diǎn)到單點(diǎn)流量是指一個(gè)輸入端口總是發(fā)送他的(大多數(shù))數(shù)據(jù)包到達(dá)它所對(duì)應(yīng)的一個(gè)輸出端口。通常這樣描述一個(gè)單點(diǎn)到單點(diǎn)流量模型:每個(gè)輸入端口都有一個(gè)對(duì)應(yīng)的熱點(diǎn)輸出端口,輸入端口將它的大多數(shù)流量發(fā)送給其對(duì)應(yīng)的熱點(diǎn)輸出端口,剩余流量則在其他的輸出端口之間均勻分配。

(4)單到雙流量模型。

所謂單點(diǎn)到雙點(diǎn)流量是指一個(gè)輸入端口只發(fā)送它的數(shù)據(jù)包到它所對(duì)應(yīng)的兩個(gè)輸出端口。通常這樣描述一個(gè)單點(diǎn)到雙點(diǎn)流量模型:每個(gè)輸入端口都有一個(gè)對(duì)應(yīng)的熱點(diǎn)輸出端口,輸入端口將它的大多數(shù)流量發(fā)送給其對(duì)應(yīng)的熱點(diǎn)輸出端口,剩余流量則發(fā)送給其所對(duì)應(yīng)的熱點(diǎn)輸出端口的下一個(gè)端口。

2.3 瞬時(shí)極限轉(zhuǎn)發(fā)模型

瞬時(shí)極限轉(zhuǎn)發(fā)模型即多輸入端口數(shù)據(jù)流同時(shí)指向單個(gè)或少量輸出端口(造成擁塞和數(shù)據(jù)丟失的場(chǎng)合)。這是各個(gè)輸入端口的數(shù)據(jù)流同時(shí)指向同一輸出端口的瞬時(shí)突發(fā)的情況。

3 仿真實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析

3.1 性能仿真模型的建立

目前許多產(chǎn)品都采用基于crossbar交換網(wǎng)絡(luò)的“輸入排隊(duì)+VOQ”的隊(duì)列系統(tǒng),例如,Tiny[CD*2]Tera太比特路由器原型,Cisco GSR12000[10]系列IP路由器和BBN MGR系列IP路由器。

在此運(yùn)用上述交換結(jié)構(gòu)在OPNET ㎝odeler 10.0 [11]仿真環(huán)境中建立傳統(tǒng)路由器的結(jié)點(diǎn)模型。約定路由器的規(guī)模為8×8,且所有鏈路具有相同的速率,不同端口間不進(jìn)行緩沖共享。

3.2 仿真實(shí)驗(yàn)參數(shù)

仿真實(shí)驗(yàn)參數(shù)如表1所示。

仿真時(shí)間/min5多熱點(diǎn)輸出端口2,3[HJ0]

信源負(fù)載率0.8熱點(diǎn)端口參數(shù)Whotspot0.035

交換端口速率/pps800 多熱點(diǎn)端口參數(shù)Whotspot1,Whotspot20.04,0.037

數(shù)據(jù)包長(zhǎng)度/B1024單點(diǎn)到單點(diǎn)(非均勻因子)0.3

輸入輸出端口數(shù)均為8單點(diǎn)到雙點(diǎn)(非均勻因子)0.3

單熱點(diǎn)輸出端口0VBR中平均突發(fā)長(zhǎng)度(packet)8[HJ][HT5SS]

[BT3]3.3 數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)發(fā)模型的正確性驗(yàn)證

由于篇幅的限制,以下只列出實(shí)驗(yàn)測(cè)得的由輸入端口0的數(shù)據(jù)流分配到到各輸出端口的比例。

3.4 仿真結(jié)果分析

圖3中,當(dāng)輸入數(shù)據(jù)流為VBR時(shí),在流量均勻分配和單到雙流量下測(cè)出的時(shí)延和抖動(dòng)值趨于0;對(duì)于數(shù)據(jù)流短期突發(fā)長(zhǎng)期均勻分配的情況,測(cè)得的時(shí)延和抖動(dòng)值都比純均勻分配時(shí)大,說(shuō)明數(shù)據(jù)流的短期突發(fā)給路由器造成了擁塞,使得時(shí)延偏大;可看出測(cè)得的時(shí)延和抖動(dòng)值都是上下波動(dòng)的,說(shuō)明VBR數(shù)據(jù)流的突發(fā)性。可得出,在流量均勻分配下測(cè)得的路由器的性能要明顯好于其他情況下的測(cè)試結(jié)果。

4 結(jié) 語(yǔ)

這里針對(duì)不同的數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)發(fā)模型測(cè)試了路由器的性能,仿真結(jié)果表明當(dāng)轉(zhuǎn)發(fā)模型為均勻流量時(shí)測(cè)得的路由器的性能要遠(yuǎn)遠(yuǎn)好于非均勻流量模型下測(cè)得的性能。而RFC2544中對(duì)交換設(shè)備(路由器)的“測(cè)試度綱”(Test Metrics)涵蓋的模型是均勻轉(zhuǎn)發(fā)模型,從而發(fā)現(xiàn)按照RFC2544來(lái)對(duì)多端口路由器測(cè)試,得出的測(cè)試結(jié)果并不能全面反映路由器的真實(shí)性能,只能反映路由器在某種情況下的性能。故得出IETF有關(guān)性能評(píng)測(cè)的方法與度綱具有不完備性,未能對(duì)網(wǎng)絡(luò)一般和極端環(huán)境下設(shè)備的性能進(jìn)行評(píng)測(cè),需要進(jìn)行擴(kuò)充,來(lái)使性能評(píng)測(cè)不僅能夠覆蓋輸入數(shù)據(jù)均勻轉(zhuǎn)發(fā)到各輸出端口的情況,也能覆蓋一般的非均勻情況和瞬時(shí)多輸入指向同一輸出端口的極端情況。此外,RFC2544只測(cè)試交換時(shí)延,[LL]未考慮對(duì)實(shí)時(shí)音視數(shù)據(jù)流十分重要的時(shí)延變化(即抖動(dòng):Jitter)參數(shù)的測(cè)試。所以必須擴(kuò)展IETF現(xiàn)有的性能評(píng)測(cè)度綱,從而為路由器/交換機(jī)進(jìn)行更全面的性能評(píng)價(jià)提供更全面的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。

參 考 文 獻(xiàn)

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作者簡(jiǎn)介 董思妤 女,1982年出生,四川雙流人,碩士研究生,助教。研究方向?yàn)橛?jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)。