IP網(wǎng)絡(luò)性能測(cè)試綜述

戚曉晶 胡曉宇

（91550部隊(duì)，遼寧 大連 116023）

引言

性能測(cè)試是IP網(wǎng)絡(luò)建設(shè)和維護(hù)過(guò)程中的重要環(huán)節(jié)，通過(guò)測(cè)試能獲得網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行的參數(shù)，為IP網(wǎng)高效、穩(wěn)定、安全、可靠運(yùn)行提供有效監(jiān)測(cè)手段。網(wǎng)絡(luò)測(cè)試主要包括網(wǎng)絡(luò)性能測(cè)試和網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用測(cè)試等方面。在IP網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行中最令人關(guān)心的是網(wǎng)絡(luò)性能測(cè)試。

1 IP網(wǎng)絡(luò)性能衡量指標(biāo)

根據(jù)中國(guó)通信標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì)已完成的《IP網(wǎng)絡(luò)技術(shù)要求——性能參數(shù)與指標(biāo)》的有關(guān)規(guī)定，IP網(wǎng)絡(luò)性能的參數(shù)主要包括時(shí)延、丟包率、抖動(dòng)、誤差率、帶寬、吞吐量等。

1.1 時(shí)延

網(wǎng)絡(luò)時(shí)延是指數(shù)據(jù)分組在網(wǎng)絡(luò)中傳輸?shù)难舆t時(shí)間，包括單向時(shí)延和往返時(shí)延。單向時(shí)延指穿過(guò)一個(gè)或多個(gè)網(wǎng)絡(luò)段，傳送IP包所經(jīng)歷的時(shí)間。往返時(shí)延指從網(wǎng)絡(luò)的一端發(fā)送一個(gè)消息到另一端，然后該消息再返回到發(fā)送端所需要的時(shí)間。網(wǎng)絡(luò)時(shí)延主要由鏈路傳輸時(shí)延、節(jié)點(diǎn)處理時(shí)延與排隊(duì)時(shí)延造成。

1.2 丟包率

丟包率指在一定的時(shí)段網(wǎng)內(nèi)兩點(diǎn)間傳輸中丟失分組與總的分組發(fā)送量的比率。丟包率主要與網(wǎng)絡(luò)的流量有關(guān)，準(zhǔn)確地說(shuō)是與每段路由的網(wǎng)絡(luò)擁塞程度有關(guān)。無(wú)擁塞時(shí)路徑丟包率為0%，輕度擁塞時(shí)丟包率為1%-4%，嚴(yán)重?fù)砣麜r(shí)丟包率為5%～15%。網(wǎng)絡(luò)丟包率將直接影響網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的正常使用。

1.3 抖動(dòng)

抖動(dòng)也稱為 IP時(shí)延變化，是指分組從源節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)相繼分組到達(dá)時(shí)間的變化量。時(shí)延抖動(dòng)主要由IP數(shù)據(jù)包在節(jié)點(diǎn)排隊(duì)等待時(shí)間的不確定性因素造成。

1.4 誤差率

誤差率是指同一個(gè)包兩次接收或分組的次序顛倒等而引起的錯(cuò)誤與總的分組發(fā)送量的比率。

1.5 帶寬

帶寬反映了單位時(shí)間內(nèi)傳輸數(shù)據(jù)的能力，即每秒網(wǎng)絡(luò)所能傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量。對(duì)于測(cè)量而言，沿一條路徑的可用帶寬是用戶端主機(jī)沿著該路徑與給定的目的主機(jī)之間能夠傳輸?shù)淖畲髱挕?/p>

1.6 吞吐量

吞吐量(Throughput)是指在規(guī)定時(shí)間、空間及網(wǎng)絡(luò)路徑的前提下，傳輸數(shù)據(jù)時(shí)實(shí)際獲得的帶寬值，一般指鏈路上所有通信數(shù)據(jù)總的傳輸速率。由于多方面的原因，實(shí)際上吞吐量往往比傳輸介質(zhì)所標(biāo)稱的最大帶寬小得多。對(duì)于當(dāng)前的應(yīng)用，一般要求吞吐量是信道帶寬的80%以上。

2 IP網(wǎng)絡(luò)性能測(cè)試手段

從測(cè)試手段來(lái)分，網(wǎng)絡(luò)性能測(cè)試主要有軟件測(cè)試、專用硬件(儀器)測(cè)試和軟硬件結(jié)合的混合測(cè)試三種方法。

2.1 軟件測(cè)試。首先，操作系統(tǒng)自帶一些測(cè)試命令可以實(shí)現(xiàn)時(shí)延、丟包率等簡(jiǎn)單參數(shù)的測(cè)試，如ping，命令。其次，有些免費(fèi)通用的小型測(cè)試軟件可供下載使用，如丟包率測(cè)試軟件ATKKPING。用戶也可以自行開(kāi)發(fā)一些測(cè)試軟件，但是需要第三方的檢測(cè)和相關(guān)部門的認(rèn)證。網(wǎng)絡(luò)性能測(cè)試軟件逐步發(fā)展為由監(jiān)測(cè)服務(wù)器、被測(cè)實(shí)體和被測(cè)網(wǎng)絡(luò)三部分組成的網(wǎng)絡(luò)性能監(jiān)控管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)網(wǎng)絡(luò)和設(shè)備的性能監(jiān)測(cè)和管理。網(wǎng)絡(luò)性能監(jiān)控管理系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)分布式性能采集以及提供大規(guī)模IP網(wǎng)絡(luò)性能監(jiān)控手段，還可以監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行性能，及時(shí)發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)上可能存在的問(wèn)題，為網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化、網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行維護(hù)提供數(shù)據(jù)支撐。

2.2 硬件測(cè)試。硬件測(cè)試也就是利用專門的儀器進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)性能測(cè)試，如Fluke網(wǎng)絡(luò)公司生產(chǎn)的MetroScope協(xié)議分析儀，國(guó)內(nèi)也有一些公司能生產(chǎn)網(wǎng)絡(luò)測(cè)試儀器，不過(guò)知名度和使用率上都不如國(guó)外大公司的產(chǎn)品。這些專門的儀器可以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)單個(gè)或者多個(gè)性能的測(cè)試，如測(cè)試其吞吐量、延時(shí)、丟包率、抖動(dòng)等參數(shù)。一般測(cè)試儀器功能強(qiáng)大，且接口豐富，便于大型測(cè)試和配合軟件測(cè)試。

2.3 軟硬件結(jié)合測(cè)試。軟硬件結(jié)合測(cè)試模式一般采用服務(wù)器——客戶機(jī)模式，服務(wù)器端軟件安裝在測(cè)試儀表的主機(jī)上，在開(kāi)機(jī)后會(huì)隨著主機(jī)內(nèi)操作系統(tǒng)的啟動(dòng)而自動(dòng)啟動(dòng)。客戶端測(cè)試軟件一般安裝在網(wǎng)絡(luò)內(nèi)配合測(cè)試儀器進(jìn)行性能測(cè)試用的計(jì)算機(jī)上，根據(jù)測(cè)試項(xiàng)目的不同選擇使用不同的軟件。

3 IP網(wǎng)絡(luò)性能測(cè)試方法

網(wǎng)絡(luò)性能測(cè)試按是否向網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部注入探測(cè)包，分為主動(dòng)測(cè)試和被動(dòng)測(cè)試。主動(dòng)測(cè)試是通過(guò)向網(wǎng)絡(luò)注入探測(cè)包，判斷應(yīng)用從網(wǎng)絡(luò)獲得服務(wù)的能力。被動(dòng)測(cè)試是用儀表監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)，通過(guò)分析采集到的數(shù)據(jù)判斷網(wǎng)絡(luò)性能狀況，是在不影響網(wǎng)絡(luò)正常工作的情況下進(jìn)行的測(cè)試。在實(shí)際應(yīng)用中一般采用主動(dòng)測(cè)試技術(shù)。另外，網(wǎng)絡(luò)測(cè)試按照測(cè)試所處的位置可分為單點(diǎn)測(cè)量與多點(diǎn)測(cè)量，按照測(cè)試層面的不同分為應(yīng)用層測(cè)試和網(wǎng)絡(luò)層測(cè)試等。

3.1 時(shí)延測(cè)試。時(shí)延的測(cè)試步驟是：選擇源和目的IP地址并以此生成一個(gè)測(cè)試分組；目的主機(jī)處接收并響應(yīng)測(cè)試分組；在源主機(jī)處，記下開(kāi)始時(shí)間戳，然后將準(zhǔn)備好的分組發(fā)送到目的處；到達(dá)目的端，盡快從目的端返回一個(gè)相應(yīng)的響應(yīng)分組到源端；如果響應(yīng)分組在一個(gè)合理的時(shí)期內(nèi)到達(dá)，在接收測(cè)試分組時(shí)盡快記下一個(gè)結(jié)束時(shí)間戳，通過(guò)這兩個(gè)時(shí)間戳的相減就可以計(jì)算出環(huán)路時(shí)延值；如果分組不能在一個(gè)合理的時(shí)期內(nèi)到達(dá)，則認(rèn)為單向時(shí)延值不確定。

3.2 丟包率測(cè)試。丟包率的計(jì)算公式是：丟包率=[(輸入幀個(gè)數(shù)一輸出幀個(gè)數(shù))×100/輸入幀個(gè)數(shù)。測(cè)試時(shí)，網(wǎng)絡(luò)測(cè)試儀發(fā)送測(cè)試幀的速率從傳輸介質(zhì)的最大理論值開(kāi)始，以后每次發(fā)送速率遞減10%，直到兩次測(cè)試沒(méi)有丟幀為止。丟包率測(cè)試時(shí)需考慮的是測(cè)試次數(shù)因?yàn)閿?shù)據(jù)幀丟失是一個(gè)隨機(jī)行為，對(duì)每一個(gè)測(cè)試案例都要重復(fù)測(cè)量多次以便獲得統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，最后給出丟包率的平均值，測(cè)試次數(shù)可設(shè)定為20次。

3.3 吞吐量測(cè)試

吞吐量測(cè)試是檢測(cè)每秒鐘傳輸數(shù)據(jù)的字節(jié)數(shù)和數(shù)據(jù)包數(shù)。典型的吞吐量測(cè)試是從一個(gè)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，以指定的速率和時(shí)間間隔向另外一個(gè)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備發(fā)送流量，接收設(shè)備統(tǒng)計(jì)在此時(shí)間間隔內(nèi)收到的幀數(shù)并計(jì)算接收的速率 (也稱為吞吐率)。吞吐量是接收器收到的好幀數(shù)量/時(shí)間，測(cè)試通過(guò)改變幀長(zhǎng)度，重復(fù)以上測(cè)試得到不同速率下的測(cè)試結(jié)果。吞吐量測(cè)試是一個(gè)雙端的測(cè)試，一端的設(shè)備模擬為主機(jī)或服務(wù)器，另一端的設(shè)備作為遠(yuǎn)端或者客戶。主機(jī)測(cè)試設(shè)備發(fā)送流量，遠(yuǎn)端測(cè)試設(shè)備接收并測(cè)量結(jié)果。由于采取主動(dòng)測(cè)量的方法，會(huì)在網(wǎng)絡(luò)中引入較多的測(cè)量流量，將對(duì)網(wǎng)絡(luò)實(shí)際性能造成一定的影響，所以在進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)吞吐量測(cè)試時(shí)通常都采用比較小的時(shí)問(wèn)間隔，多次采樣測(cè)試，并繪制成吞吐量的歷史趨勢(shì)圖。需要注意的是，網(wǎng)絡(luò)吞吐量非常依賴于當(dāng)前的網(wǎng)絡(luò)負(fù)載情況，為了得到正確的網(wǎng)絡(luò)吞吐量，最好在不同時(shí)間分別進(jìn)行測(cè)試，只有這樣才能對(duì)網(wǎng)絡(luò)吞吐量進(jìn)行全面認(rèn)識(shí)。

3.4 網(wǎng)絡(luò)帶寬測(cè)試

帶寬測(cè)試一般采用主動(dòng)測(cè)量方法，就是通過(guò)向網(wǎng)絡(luò)注入主動(dòng)探測(cè)包以獲取網(wǎng)絡(luò)時(shí)延特性，并通過(guò)特定的模型估測(cè)出帶寬。網(wǎng)絡(luò)帶寬一般由吞吐量測(cè)試來(lái)驗(yàn)證，最大吞吐量就是一般意義上的網(wǎng)絡(luò)帶寬。測(cè)試方法是從最大的理論速率開(kāi)始發(fā)送，然后逐步降低發(fā)送的速率直到在接收端沒(méi)有數(shù)據(jù)幀丟失。

結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)IP網(wǎng)絡(luò)性能測(cè)試的重點(diǎn)指標(biāo)進(jìn)行了介紹，探討了時(shí)延、吞吐量等關(guān)鍵指標(biāo)的測(cè)試機(jī)理和技術(shù)實(shí)現(xiàn)方法，在一定程度上可以為提高網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量提供指導(dǎo)。但是，IP網(wǎng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、規(guī)模龐大、應(yīng)用業(yè)務(wù)繁多，有許多測(cè)試 工作要做，如網(wǎng)絡(luò)安全性測(cè)試、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備穩(wěn)定性測(cè)試、網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用測(cè)試等，測(cè)試指標(biāo)的確定也是一個(gè)逐步完善的過(guò)程，而測(cè)試技術(shù)也在不斷發(fā)展，測(cè)試體系的建立更是一個(gè)系統(tǒng)工程，需要更多的技術(shù)人員投入研究，以實(shí)現(xiàn)對(duì)網(wǎng)絡(luò)的定量評(píng)估、科學(xué)管理，確保IP網(wǎng)絡(luò)中各業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的高效、安全、可靠傳輸。

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