基于SNMP協(xié)議的分布式網絡性能測試與分析

任小鳳，鄭 剛

（1.河南黃河水文勘測設計院，河南 鄭州 450002；2.河南藝術職業(yè)學院，河南 鄭州 450002）

0 引 言

隨著網絡系統(tǒng)的日益復雜，網絡系統(tǒng)性能分析手段與種類也越來越多，目前常用的網絡性能分析手段就是利用一種特定的網絡協(xié)議進行分析。通過專門的協(xié)議分析儀器和硬件設備，對網絡中該協(xié)議數值變化實現網絡性能分析與評估。網絡協(xié)議分析儀器就是通過網絡數據提取、網絡流量分析、數據包抓取等手段，利用網絡協(xié)議在數據傳輸過程中的變化進行數值量化和特征模型化，使分析效果更具直觀性[1]。

除了用協(xié)議分析儀進行網絡性能分析外，網絡測試也是網絡性能分析較好的方法，通過網絡測試以及測試數據分析來分析網絡性能，其測試結果具有很強的針對性與準確性。然而該技術實施起來比較復雜，它需要涉及各類網絡測試工具的使用、網絡測試規(guī)劃、測試培訓等[2]。

本文以簡單網絡管理協(xié)議（SNMP）和RFC 2544協(xié)議為基礎，配合分布式網絡性能測試方法進行網絡性能測評。通過兩者的結合實現更準確的網絡性能分析，為網絡性能優(yōu)化提供一種可行性解決方案。

1 網絡性能測試概述

1.1 網絡性能測試的類別

影響網絡性能的因素很多，主要有網絡設備性能、應用系統(tǒng)性能、主機系統(tǒng)性能等；因此，網絡測試技術就要涉及諸如網絡協(xié)議、網絡設備、應用系統(tǒng)、網絡安全、主機系統(tǒng)等方面的測試。無論哪種方面的測試，都具有如下6個要素的測試[3]。

1.1.1 性能測試

在網絡測試技術中，網絡設備的性能測試是一個很重要的測試，它的性能高低以及穩(wěn)定性將直接影響到整體網絡的穩(wěn)定性、網絡數據傳輸效率與網絡的擴展性。在網絡性能分析與測試中，網絡設備吞吐量、數據緩存與轉發(fā)能力、容災恢復能力都是很重要的分析參數。網絡設備性能測試就是量化這些屬性的參數，通過這些性能參數的分析來實現網絡設備性能瓶頸分析。

1.1.2 功能的測試

功能測試主要是指網絡設備、應用系統(tǒng)、主機系統(tǒng)、網絡安全等方面應該具有的測試，對于IP網絡設備來說，在網絡中的功能主要是信息傳遞路由、通信協(xié)議轉換、信息傳遞路由信息維護、路由控制與管理功能。在網絡測試中，網絡設備不必具有上述全部功能，而只需要具備網絡設備應該具有的最小功能，其他功能都可以通過諸如接口測試、性能測試、協(xié)議一致性測試、網管測試等一并反應出來。而設備本身具備的功能，只是起到協(xié)助校驗測試結果的功能。

1.1.3 一致性測試

一致性測試是指通過一系列操作與觀察測試，通過最終的測試來觀察實現結果對于一致性測試結果的影響，即通過檢測實現與預先設定的實現規(guī)范間的一致性來分析一致性結論。它在檢測實現中有靜態(tài)一致性和動態(tài)一致性要求。對于網絡設備來說，其測試主要有“黑箱”方法，就是通過控制觀察點PCO與被測試設備進行相連接，根據設備的類型設置相應的控制觀察點PCO值，然后按照一定的規(guī)律進行數值改變，通過數值變化來校驗其產生的結果是否滿足預期值，匹配結果分為通過、失敗、無結果3種。

路由器作為互聯網重要設備，在OSI協(xié)議模型中第3層，它有物理層、鏈路層、傳輸層。設備包含了這3層的中的所有協(xié)議：物理層和鏈路層協(xié)議、傳輸層中的TCP/IP協(xié)議、UDB協(xié)議、SNMP應用協(xié)議以及RIP、OSPF等路由協(xié)議。所以在進行路由器一致性測試時，需要對這些協(xié)議進行一致性校驗，特別是要對諸如RIP、OSPF等路由協(xié)議進行詳細地測試，因為這些協(xié)議將直接影響到路由器數據傳輸等功能，從而影響到整個網絡的數據傳輸與性能。而對于IP網絡設備中的IP電話設備來說，其最重要的是七號信令協(xié)議的一致性校驗，因為進行高質量通信主要和信令的準確與準時性有關。

因此，在進行協(xié)議一致性測試時，由于設備具有差異性，測試時只能具有針對性的測試。同時為了保證網絡性能測試的真實性和完整性，需要在真實網絡環(huán)境下進行實際數據采集與分析，并進行所有協(xié)議一致性結果校驗。

1.1.4 互操作測試

在網絡設備通信過程中，雖然進行了兩個設備間的協(xié)議一致性測試，但由于其路由協(xié)議設置內容根據實際網絡環(huán)境存在差異，所以即使進行了協(xié)議一致性校驗，不一定能實現兩個設備間的互相通信與相互操作，因此協(xié)議一致性測試結果只能反映出兩臺設備協(xié)議的一致性，但不能反映出其設備間的連通性和可以操作性，具有其自己的局限性。為保證網絡能相互連接與操作，還需要再做互操作性測試。互操作性就是在協(xié)議一致性測試中，要比較協(xié)議一致的設備替換成需要做互通性測試的相關設備，然后對設備進行組網，進行設備連接測試。

1.1.5 穩(wěn)定性可靠性測試

網絡設備的穩(wěn)定性是整體網絡有效運行的保障，特別是作為核心網絡中的路由設備，它運行異常，將影響到和該設備相聯的網絡設備間的數據傳輸。所以在網絡設備測試中，必須要進行網絡設備的穩(wěn)定性、可靠性測試。

網絡設備可靠性與穩(wěn)定性結果可以通過3種方式獲?。海?）通過廠家生產設備關鍵性部件相關參數以及該部件在出廠時備份信息獲??；（2）通過該設備在同類產品中的故障率來校驗其可靠性；（3）通過用戶自己測試來獲取參數，這種需要具備相關知識才可以實現。

1.1.6 網絡管理測試

網絡管理測試主要是指對測試網絡設備附帶的網絡管理軟件的測試。網絡管理軟件測試包括測試該管理軟件是否能實現對網絡設備的管理能力、測試網絡安全管理、性能管理、故障管理、網絡拓撲管理能力以及簡單管理協(xié)議一致性校驗和信息庫管理程度測試。在測試時，一般采用MIB項來進行測試，由于一個網絡管理軟件測試包含了很多的MIB項，所以測試時只有通過MIB抽樣方式來實現。

1.2 網絡性能分析評估

網絡性能分析評估主要是指根據實際網絡環(huán)境制定符合該網絡環(huán)境的性能指標分析。在一個網絡中，當只有一個網絡設備時，其性能分析評估主要參考其吞吐量、設備平均響應時間、設備進行報文傳輸的延遲時間、網絡吞吐量的最大距離與可靠性等。而當設備融入到實際網絡環(huán)境中時，與應用系統(tǒng)結合條件下就要涉及網絡吞吐量、介質應用率、網絡延遲時間、系統(tǒng)恢復時間、系統(tǒng)復位[4]等。

（1）網絡吞吐量。也稱網絡吞吐率，主要是指網絡設備在一定時間段內通過內部信道的信息總量。由于該指標采用的是特定時間段內的信息總量，同時它是基于特定網絡條件下的網絡吞吐量測試，所以其計算方法、數據結果會存在一定的差異性。

（2）介質應用率（U）。主要是指在物理信道進行信息傳輸時所用時間與物理介質信道總可用時間的比值。其總可用時間已經排除傳其輸過程中損耗等時間。

（3）延遲時間（D）。是指發(fā)送一段完整報文到接收該完整報文所用的總時間。進行延遲時間計算，一般采用網絡數據傳輸平均值方式進行，該數值會根據網絡性能以及網絡負載的變化而變化，因此延遲時間可以通過網絡負載率來實現測試。

（4）系統(tǒng)恢復時間。是指當網絡設備進行高負荷數據傳輸時，或者設備處理數據出現異常，從異常運行狀態(tài)恢復正常工作所需要的時間。在進行該項測試時，可以采用模擬向設備發(fā)送120%吞吐量數據，然后觀察設備運行速率下降回50%所需要的時間。

（5）系統(tǒng)復位。是指設備關電重啟到能正常工作所用的時間。

2 基于SNMP協(xié)議的解決方案

2.1 SNMP協(xié)議

SNMP位于應用層中，它主要是通過UDP協(xié)議承載各類應用協(xié)議，實現管理進程與代理進程之間的通信，它在TCP/IP中的位置如圖1所示。

在SNMP網絡體系中，設備一般由網絡管理系統(tǒng)和被管網絡設備組成。網絡管理系統(tǒng)實現被管網絡設備運行狀態(tài)監(jiān)控和網絡進程管理。實現方法是：在網絡管理系統(tǒng)中安裝管理軟件，同時在被管理客戶端安裝網絡管理代理進程軟件，網絡管理系統(tǒng)定時向被管理設備發(fā)送SNMP數據包，在被管網絡管理代理進程接收到該SNMP信息后通過代理進程中的MIB庫進行相應的執(zhí)行以及結果反饋，實現管理進程與代理進程間的數據通信。其處理過程如圖2所示。

圖1 NSMP協(xié)議在TCP/IP中的位置

圖2 管理進程與代理進程的通信

2.2 系統(tǒng)解決方案

對中小企業(yè)，網絡設備測試不需要昂貴的測試工具，只需要能滿足符合企業(yè)網絡性質以及能滿足網絡管理日常測試，同時低成本、高通用性即可。

在標準網絡設備中一般都支持SNMP協(xié)議，SNMP協(xié)議的一個很大的優(yōu)點就是，能把設備運行狀態(tài)以及異常情況都自動保存在設備的MIB信息庫中，在MIB信息庫中，數據保存類型有靜態(tài)記錄和動態(tài)記錄兩種。在進行網絡設備檢測或者設備維護時，只需要調用設備的MIB信息庫中的信息就可以實現網絡性能數據收集。

在本系統(tǒng)中，進行網絡性能測試是基于SNMP協(xié)議、分布式網絡結構而進行，本文中統(tǒng)一把該測試系統(tǒng)命名為分布式網絡性能測評系統(tǒng)。采用分布式網絡結構，主要就是模擬有效網絡數據流量生成方式，其數據流量具有切實有效性。在進行測試時，通過把局域網計算機組成小型測試網絡，利這些小型機模擬向被測主機發(fā)送大量數據包，同時發(fā)送的數據包總量必須要大于被測設備最大數據處理量。通過超負荷處理檢驗該設備在網絡運行中的總體性能[5]。實驗結束后，通過設備中的MIB變量來實現設備性能分析與效率計算，同時網絡管理員還可以通過MIB信息來進行日常維護。

3 分布式網絡性能測試

3.1 測試模型

分布式網絡性能測評主要采用分布式網絡結構測試模型，其方法就是先在一臺主機上安裝SNMP網絡管理控制程序，在多臺主機上安裝網絡管理代理程序，由網絡管理控制主機控制多臺代理主機，同時向被測設備發(fā)起高負荷數據包。然后通過查詢被測試設備的MIB參數和配合相關計算公式實現性能評估。在進行測試時，發(fā)送數據包的量必須達到被測設備的處理能力臨界值，否則無法準確測試出被測設備的運行性能[6]。其分布式網絡性能測評系統(tǒng)的模型結構如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)測試模型

3.2 測試流程

在基于SNMP協(xié)議的分布式網絡性能評測中，網絡管理控制主機需要開啟套接字監(jiān)聽，以便網絡管理代理進程連接過來。當所有代理進程主機連接到控制主機后，控制臺可以自動獲取和發(fā)送要進行測試和需要反饋的MIB變量參數值。例如：在進行UDB協(xié)議吞吐量測試中，需要發(fā)送UdpInDatagrams、UdpNoPort、UdpInErors、UdpOutDatagrams MIB 變量參數。然后根據具體設備類型進行相關參數配置，例如：要進行協(xié)議測試類型、需要向被測設備發(fā)起的進程數、發(fā)送時間等參數配置。所有參數配置就緒后，總控制臺就可以啟動測試指令給各個代理主機，代理主機根據預先設置好的配置，執(zhí)行數據包發(fā)送與記錄數據結果。測試結束后把本機上的MIB值反饋給控制臺，總控制臺收集到所有代理主機反饋回來的MIB值后，結合相關測試工具與計算公式進行設備吞吐量以及丟包率計算。若測試結果中設備的丟包率為零，則說明前面MIB參數設置、代理進程數設置等存在問題，設置的參數值還未到達被測設備的性能臨界點，需要重新調整，并不斷調整和測試，直到MIB中的丟包率出現非零值為止。記錄丟包率接近零的輪次以及此輪次中設備運行其他參數，然后對這些輪次取平均值，就可以計算出設備的總吞吐量。通過不斷增加流量，并記錄每次增加流量時設備丟包率情況，重點選取設備丟包率接近100%時的流量情況，然后取這幾輪流量平均值，即可以檢測出設備的性能臨界點。再綜合比較幾輪測試數據，選取核實輪次進行設備性能臨界點分析。

3.3 系統(tǒng)測試

為驗證評測系統(tǒng)的評測結果有效性，搭建系統(tǒng)測試網絡環(huán)境，通過對現場網絡設備性能測試以及結合該系統(tǒng)來完成設備性能的分析與評價。

3.3.1 網絡拓撲設計

現場模擬測試環(huán)境中，設備包括：一臺路由器、兩臺交換機、多臺PC機，被測試設備為中間路由器設備。其中4臺主機作為數據報文發(fā)送機器，1臺主機作為數據發(fā)送控制機，4臺主機和控制機在性能上完全一樣。該控制臺與其他3臺主機歸在同一個網段中，組成數據發(fā)送局域網，另外一臺主機作為數據包接收主機歸在另外一個網段中。發(fā)送數據網段中的主機通過Intel Express 410 Switch互聯，實現控制臺與其他兩臺主機間的數據通信。在數據接收網段中通過Intel Express 550T Switch來實現其網段內設備間數據通信。Intel Express 410 Switch與Intel Express 550T Switch通過中間Router路由器互聯。然后開始對設備進行IP地址分配，采用192.168.200.*作為發(fā)送數據網段，以200，0.0.*作為接收數據包網段?？刂婆_IP地址為：192.168.200.111，其余4臺主機 IP 地 址 分 別 為 ：192.168.200.5、192.168.200.6、192.168.100.7和200.0.0.200。其測試網絡拓撲結構如圖4所示，網絡結構由一臺路由器、兩臺交換器機組成，兩臺交換機直連于路由器。兩個子網間的IP數據報文傳遞由中間路由器來實現，路由器也作為網絡管理代理主機。系統(tǒng)測試中采用這種分布式的報文發(fā)送實現測定Router數據轉發(fā)性能測評。在測試過程中需要增加不能向源地址發(fā)送ICMP報文的配置，路由器必須只能連接兩臺交換機，以及兩臺交換機不能再掛在其他與測試無關的網絡設備，這樣才能保證交換器性能瓶頸不影響到路由器性能評測結果。

3.3.2 測試結果及其分析

從圖4中的網絡拓撲結構可以看出，分布式測試結構中，子網192.168.200.*中的3臺PC機和其他終端設備組成一個分布式主機群，其3臺主機的IP地址分別為：192.168.200.5、192.168.200.6、192.168.200.7，這3臺主機在總控制臺（192.168.200.111）控制下同時向200.0.0.*網段發(fā)送EP報文數據包，這些數據包通過Router路由器轉發(fā).

測試時采用以太網幀長度有（以B計）：64，128，256，512，768，1024，1280，1518。這些長度已經包含了所有以太網幀長度。其對應的IP報文長度分別為：46，110，238，494，750，1006，1262，1500。以幀長度為64B進行IP報文發(fā)送，并以此作為數據測試樣例，其測試數據如表1所示。

圖4 網絡拓撲結構

從表1中的數據可以看出，當單臺主機發(fā)送數據包進程數為30，35時，ipForwDatagrams平均值穩(wěn)定在1310000～1330000之間；當增加到40個線程的時候，ipForwDatagrams平均值穩(wěn)定在1 330 000左右；當進程數為50時，ipForwDatagrams平均值始終穩(wěn)定在1 331 000～1 333 000，由此可以得出ipForw-Datagrams等于1331000～1333000時已經達到設備運行最大峰值。根據ipForwDatagrams和吞吐量間計算公式，可以得出當進程數為50時的平均吞吐量為44390pkts/s。就是說，當IP報文長度為46B時，路由器轉發(fā)的數據包的最大值為44390pkts/s。用同樣的原理，可以繼續(xù)進行當IP報文長度為其他字節(jié)時的路由器平均吞吐量，各種報文長度下的平均吞吐量和以字節(jié)訓的IP報文吞吐量如表2所示。

表1 對46字節(jié)IP報文測試的數據

表2 不同報文長度下的平均吞吐量與字節(jié)吞吐量

通過表2可以看出，IP報文長度和Router平均吞吐量有相反關系；且當IP報文長度達到494B（即幀長為512 B）時，Router的字節(jié)吞吐量達到了最大值，而后隨著IP報文長度的增加，字節(jié)吞吐量值變小。其字節(jié)吞吐量與IP報文長度關系如圖5所示。

圖5 字節(jié)吞吐量與IP報文長度的變化關系

4 結束語

本文重點研究了基于SNMP協(xié)議的網絡設備性能測試技術，通過理解SNMP協(xié)議體系結構與工作原理展開對網絡性能測試方法的分析。在實驗室局域網內對一臺PC機的數據轉發(fā)性能進行了測試，通過測試結果來進一步說明分布式網絡性能測試解決方案。

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