廣電寬帶數(shù)據(jù)網(wǎng)Web認(rèn)證的性能測試研究

趙 明，萬 倩 ，白 鶴，李 博

（1.廣播科學(xué)研究院，北京 100053；2.國家廣播電視網(wǎng)工程技術(shù)研究中心，北京 100866）

1 廣電寬帶數(shù)據(jù)網(wǎng)現(xiàn)狀

中國廣播電視網(wǎng)絡(luò)經(jīng)過幾十年的發(fā)展，已建成世界上覆蓋人口最多，無線、有線、衛(wèi)星等多種技術(shù)手段并用，中央與地方、城市與農(nóng)村、國內(nèi)與國外并重的規(guī)模龐大的廣播電視網(wǎng)絡(luò)，廣播電視的傳播能力、覆蓋水平、服務(wù)質(zhì)量大大提高，廣播電視數(shù)字化進(jìn)程明顯加快，進(jìn)入了有線、無線、臺內(nèi)數(shù)字化全面推進(jìn)的新階段。截至2011年底，中國有線電視網(wǎng)絡(luò)擁有1.9億有線電視用戶，是用戶聚集度最高、用戶終端規(guī)模全球最大的有線電視網(wǎng)絡(luò)，是入戶帶寬資源最高的基礎(chǔ)信息網(wǎng)絡(luò)，這些都是下一代寬帶網(wǎng)絡(luò)與應(yīng)用技術(shù)研究最堅實的物質(zhì)基礎(chǔ)。

隨著入網(wǎng)用戶的增加，用戶對業(yè)務(wù)的需求也日益膨脹，廣電寬帶數(shù)據(jù)網(wǎng)將向多業(yè)務(wù)承載網(wǎng)的方向發(fā)展。在系統(tǒng)中引入的BRAS（Broadband Remote Access Server，寬帶接入服務(wù)器）設(shè)備負(fù)責(zé)終端用戶的連接和用戶流量的匯聚，并與認(rèn)證系統(tǒng)、計費系統(tǒng)和客戶管理系統(tǒng)及服務(wù)策略控制系統(tǒng)相配合，實現(xiàn)用戶接入的認(rèn)證、計費和管理功能。BRAS具有靈活的接入認(rèn)證方式、有效的地址管理功能、強(qiáng)大的用戶管理功能，并能提供豐富的業(yè)務(wù)及控制功能。

在建設(shè)用戶認(rèn)證系統(tǒng)平臺中，如何使用正確的測試方法評估系統(tǒng)的處理能力，確保在高峰期間系統(tǒng)的穩(wěn)定性和健壯性，成為有線網(wǎng)絡(luò)運營商面臨的重要問題。

2 Web認(rèn)證技術(shù)

2.1 概念

Web認(rèn)證接入方式采用了HTTP重定向技術(shù)，客戶端無需安裝任何軟件，用戶打開瀏覽器輸入任意網(wǎng)址后，由認(rèn)證系統(tǒng)推送認(rèn)證登錄界面，輸入用戶名和密碼發(fā)送到認(rèn)證服務(wù)器進(jìn)行身份認(rèn)證，從而獲得相應(yīng)的授權(quán)。

2.2 認(rèn)證系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)

在使用Web認(rèn)證的系統(tǒng)中，AAA服務(wù)器（認(rèn)證、授權(quán)和計費，Authentication，Authorization，and Accounting）與BRAS設(shè)備之間使用RADIUS（遠(yuǎn)程用戶撥號認(rèn)證系統(tǒng)，Remote Authentication Dial In User Service）協(xié)議，BRAS設(shè)備為AAA服務(wù)器的客戶端。門戶服務(wù)器從用戶提交的報文中將用戶名和密碼提取，封裝成相應(yīng)的報文傳遞給BRAS設(shè)備，BRAS設(shè)備再與AAA服務(wù)器通信完成認(rèn)證，體系結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2.3 Web認(rèn)證系統(tǒng)流程

Web認(rèn)證系統(tǒng)的流程，從用戶發(fā)起HTTP請求、BRAS設(shè)備觸發(fā)認(rèn)證、到用戶完成認(rèn)證，可以劃分為6個步驟，如圖2所示。

1）用戶登陸瀏覽器，輸入任意網(wǎng)址發(fā)出HTTP請求，BRAS設(shè)備收到后，判斷用戶是否通過認(rèn)證，如果用戶沒有經(jīng)過認(rèn)證，則將認(rèn)證門戶服務(wù)器地址推送到用戶客戶端。

2）用戶客戶端對認(rèn)證門戶服務(wù)器發(fā)出登陸頁面的HTTP GET請求，認(rèn)證門戶服務(wù)器返回登陸頁面的URL地址。

3）用戶通過瀏覽器頁面呈現(xiàn)的表單輸入用戶名密碼，提交給門戶服務(wù)器的認(rèn)證模塊，等待認(rèn)證結(jié)果。

4）門戶服務(wù)器認(rèn)證模塊將用戶信息進(jìn)行協(xié)議封裝后傳遞給BRAS設(shè)備對應(yīng)接口。

5）BRAS設(shè)備收到帶有用戶信息的數(shù)據(jù)報文后，經(jīng)過AAA客戶端接口，使用RADIUS協(xié)議與AAA服務(wù)器完成用戶信息認(rèn)證。

6）返回的結(jié)果信息經(jīng)由門戶服務(wù)器推送到用戶的瀏覽器界面上。

從認(rèn)證系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)和整體流程可以看出，影響認(rèn)證系統(tǒng)性能的接口和環(huán)節(jié)較多，需要分解整個流程，單步測試后，再進(jìn)行整體測試，以判斷系統(tǒng)的性能瓶頸。

3 測試方法學(xué)

針對網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用層的測試方法學(xué)在業(yè)界還沒有形成系統(tǒng)的RFC文檔，測試方法的選擇要基于各個協(xié)議的RFC文檔定義，以及參考相關(guān)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備對于應(yīng)用層測試的要求。在用戶的整個認(rèn)證流程中，HTTP協(xié)議和RADIUS協(xié)議都有相關(guān)RFC文檔說明。

3.1 HTTP協(xié)議和HTTP事務(wù)處理速率

HTTP（Hypertext Transport Protocol）協(xié)議，即超文本傳輸協(xié)議，是網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用層最常用的協(xié)議之一。HTTP協(xié)議目前常用的版本包括HTTP1.0（RFC1945）[1]和HTTP1.1（RFC2616）[2]。兩者的區(qū)別在于是否默認(rèn)支持持續(xù)性連接。持續(xù)性連接是指在最初的HTTP信息交互完成之后，相應(yīng)的TCP連接仍然保持打開的狀態(tài)，使用持續(xù)連接，多個HTTP請求可以在同一個TCP連接里完成，因而能提高HTTP的性能。

根據(jù)RFC3511[3]中的相關(guān)定義，HTTP事務(wù)是指客戶端和服務(wù)器之間一次請求與響應(yīng)的過程，因此HTTP事務(wù)處理速率（HTTP Transaction Rate）的測試目的在于檢驗DUT（被測設(shè)備，Device Under Test）/SUT（被測系統(tǒng)，System Under Test）能支持的用戶存取HTTP對象的最大速率。HTTP事務(wù)處理速率測試的重點在于檢驗被測設(shè)備的CPU運算速度、內(nèi)存資源利用率等性能指標(biāo)。對于用戶而言，如果設(shè)備的運算性能和資源不足，盡管網(wǎng)絡(luò)帶寬足夠，用戶仍然無法體驗快速流暢的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用[4]。

3.2 RADIUS協(xié)議和用戶請求處理速率

RADIUS 協(xié)議由 RFC2865[5]、RFC2866[6]定義，是目前應(yīng)用最廣泛的AAA協(xié)議。

用戶請求處理是指用戶通過客戶端與服務(wù)器之間發(fā)起的一次請求并認(rèn)證完成的過程。對于RADIUS服務(wù)器來說，每個用戶在認(rèn)證過程中都會首先向服務(wù)器發(fā)起一次認(rèn)證請求并獲得認(rèn)證的結(jié)果。用戶請求處理速率的測試重點是檢測服務(wù)設(shè)備在CPU、內(nèi)存利用沒有達(dá)到飽和狀態(tài)時能夠處理的用戶請求速率。如果設(shè)備的最大用戶請求速率不能滿足用戶數(shù)量的設(shè)計要求，那么就會導(dǎo)致大量用戶無法接入的故障出現(xiàn)。

4 系統(tǒng)性能測試方法研究

基于認(rèn)證流程，系統(tǒng)性能測試被分解成4個階段逐一進(jìn)行，使用Spirent Avalanche網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用層仿真及性能測試儀表模擬對應(yīng)接口的用戶行為。

4.1 BRAS設(shè)備的URL地址重定向性能

基于系統(tǒng)流程，如圖3所示將測試儀和BRAS連接，BRAS在收到用戶的HTTP GET請求后，首先判斷用戶是否通過認(rèn)證，如果是未認(rèn)證用戶，則返回認(rèn)證門戶服務(wù)器的URL地址。

圖3 URL重定向性能測試

1）使用測試儀模擬客戶端，在測試儀表的物理測試端口，通過配置，模擬仿真一定數(shù)量的IP地址，并保證這些IP地址并沒有被BRAS設(shè)備認(rèn)證過，如圖4所示。

圖4 測試端口模擬客戶端（截圖）

2）配置客戶端發(fā)出HTTP GET請求的行為。由于測試系統(tǒng)未包含DNS域名解析服務(wù)器，使用任意一個不可被直接訪問到的IP地址即可，例192.168.1.1/index.html（見圖5），客戶端的HTTP版本配置為HTTP 1.1。

圖5 任意HTTP GET請求行為（截圖）

3）GET請求發(fā)出后，BRAS設(shè)備要判斷用戶是否認(rèn)證，并回復(fù)URL重定向的報文，其中HTTP狀態(tài)碼為302（見圖6），客戶端收到此報文認(rèn)為一次有效的HTTP重定向請求事務(wù)處理結(jié)束。

圖6 URL重定向報文（截圖）

4）如果每次事務(wù)處理都成功，則提高每秒鐘事務(wù)的請求數(shù)目，反之則降低。在所有事務(wù)都成功的臨界狀態(tài)下，記錄每秒的事務(wù)請求處理速率（TPS，Transactions/s）。

4.2 認(rèn)證門戶的請求處理能力

認(rèn)證門戶服務(wù)器基于HTTP架構(gòu)設(shè)計，服務(wù)器的硬件和HTTP軟件環(huán)境的性能同樣會成為影響Web認(rèn)證整體性能的瓶頸之一。按照圖7所示，將測試儀表和門戶服務(wù)器集群直接連接。

門戶測試指標(biāo)同樣是HTTP事務(wù)處理速率，同時需要分別測試門戶服務(wù)器靜態(tài)首頁和動態(tài)處理兩種情況下的對應(yīng)數(shù)據(jù)。因為在實際業(yè)務(wù)運行中，如果門戶的動態(tài)處理能力出現(xiàn)飽和，但是靜態(tài)性能仍有空閑，用戶還是可以訪問到認(rèn)證首頁。

1）靜態(tài)頁面

使用測試儀模擬用戶客戶端，配置客戶端為HTTP1.1版本，對門戶服務(wù)器的靜態(tài)首頁發(fā)出HTTP GET請求。記錄系統(tǒng)能夠成功處理的最大HTTP事務(wù)請求處理速率。

2）動態(tài)頁面

使用測試儀模擬用戶客戶端，配置客戶端為HTTP1.1版本。通過讀取真實用戶數(shù)據(jù)信息表（見圖8）中的用戶ID和登陸密碼，對門戶服務(wù)器的用戶名密碼提交頁面發(fā)出大量的用戶HTTP POST請求。

門戶服務(wù)器配置模擬認(rèn)證程序，在收到用戶信息后返回HTTP/1.1 200 OK的狀態(tài)結(jié)果（見圖9）。記錄系統(tǒng)能夠成功處理的最大HTTP事務(wù)請求處理速率。

4.3 AAA服務(wù)器RADIUS請求處理能力

AAA服務(wù)器對RADIUS請求的處理能力是Web認(rèn)證系統(tǒng)性能的重要測試指標(biāo)。測試儀和RADIUS服務(wù)器連接如圖10所示。

對于AAA服務(wù)器的服務(wù)性能，需要測試記錄用戶請求處理速率。利用測試儀模擬RADIUS客戶端，按照RADIUS標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議發(fā)出認(rèn)證請求，AAA服務(wù)器在收到請求后返回認(rèn)證結(jié)果給客戶端。

對于不同的AAA服務(wù)器，RADIUS協(xié)議采用的EAP（可擴(kuò)展身份驗證協(xié)議，Extensible Authentication Protocol）類型可能不同，在實際測試中，主要評估的是系統(tǒng)處理能力，無論用戶認(rèn)證是通過還是拒絕，都算一次有效的請求處理過程，如圖11所示。

4.4 整體系統(tǒng)處理能力

理論上，上述3個測試結(jié)果中獲得的最小數(shù)據(jù)即是系統(tǒng)整體性能參考值。認(rèn)證流程涉及的每個環(huán)節(jié)和接口，都可能會對測試結(jié)果帶來影響，為了保證該數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，需要進(jìn)行一次完整的系統(tǒng)測試，如圖12所示。

負(fù)責(zé)認(rèn)證的服務(wù)系統(tǒng)位于省級的中心機(jī)房，BRAS設(shè)備位于地市機(jī)房。整體性能測試將認(rèn)證系統(tǒng)看作一個黑盒，使用網(wǎng)絡(luò)測試儀讀取用戶信息數(shù)據(jù)表數(shù)據(jù)，模擬用戶發(fā)起HTTP GET請求，獲得重定向地址后，輸入用戶名密碼，HTTP POST提交后，返回HTTP/1.1 200 OK的狀態(tài)碼。

測試儀表配置中，需要對每一步系統(tǒng)回應(yīng)報文的捕獲后，提取相關(guān)變量，模擬用戶客戶端連續(xù)請求發(fā)出過程。在獲得到HTTP/1.1 200 OK狀態(tài)碼后，一個有效的認(rèn)證流程結(jié)束。將整個認(rèn)證過程看成一個HTTP事務(wù)處理，記錄獲得的HTTP事務(wù)處理速率，即整體系統(tǒng)的性能。

5 結(jié)論

本文研究了針對基于BRAS設(shè)備Web認(rèn)證系統(tǒng)的性能測試方法。根據(jù)Web認(rèn)證系統(tǒng)自身的特點，將被測系統(tǒng)劃分為3部分分別測試，獲取相應(yīng)的數(shù)據(jù)后，再進(jìn)行整體測試。運用此方法可以有效地發(fā)現(xiàn)認(rèn)證系統(tǒng)存在的性能瓶頸，并在進(jìn)行整體測試時，可以模擬更接近真實處理能力的請求量。

隨著廣電寬帶數(shù)據(jù)網(wǎng)的進(jìn)一步建設(shè)，BRAS設(shè)備會被更加廣泛地使用，而Web認(rèn)證作為一種認(rèn)證手段也會得到相關(guān)的應(yīng)用。運用合理的性能測試方法，可以準(zhǔn)確判斷系統(tǒng)的瓶頸，為制定系統(tǒng)進(jìn)一步的升級改造策略提供指導(dǎo)。

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