網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的視頻傳輸性能測(cè)試研究與應(yīng)用

趙澤宇， 沈敏虎

（復(fù)旦大學(xué)校園信息化辦公室，上海 200433）

0 引 言

隨著高校信息化建設(shè)的推進(jìn)，校園網(wǎng)所承載的業(yè)務(wù)不斷的朝著多元化的方向發(fā)展，MOOC（大規(guī)模在線開放課程）、高清講座直播和IP攝像頭安保監(jiān)控等網(wǎng)絡(luò)視頻、流媒體服務(wù)成為校園網(wǎng)中帶寬消耗較大的應(yīng)用．與傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用不同，網(wǎng)絡(luò)視頻傳輸應(yīng)用對(duì)校園網(wǎng)絡(luò)的延時(shí)和抖動(dòng)要求較高，服務(wù)質(zhì)量嚴(yán)格受限于網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的性能．因此，在校園網(wǎng)設(shè)備選型或方案評(píng)估的過(guò)程中，網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的視頻傳輸基準(zhǔn)性能測(cè)試成為評(píng)估的重要環(huán)節(jié)．

校園網(wǎng)用戶在評(píng)估網(wǎng)絡(luò)視頻傳輸性能時(shí)，往往受測(cè)試工具、環(huán)境和方法的局限，一般僅能在模擬的場(chǎng)景下進(jìn)行小范圍仿真驗(yàn)證，無(wú)法真正了解設(shè)備的真實(shí)性能．設(shè)備性能基準(zhǔn)測(cè)試是解決這一問(wèn)題的標(biāo)準(zhǔn)方法，互聯(lián)網(wǎng)工程任務(wù)組（Internet Engineering Task Force，IETF）下屬的基準(zhǔn)方法工作組（Benchmarking Methodology Working Group，BMWG）定義了一系列請(qǐng)求評(píng)議草案（Request For Comments，RFC），對(duì)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備性能基準(zhǔn)測(cè)試的參數(shù)、測(cè)試方法和提交結(jié)果做了詳細(xì)的規(guī)定，為設(shè)備性能的全面判定提供了良好的輔助手段．

本文對(duì)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的視頻傳輸性能測(cè)試的方式和方法展開論述，介紹相關(guān)基準(zhǔn)測(cè)試中各項(xiàng)指標(biāo)的意義及測(cè)試方案的設(shè)計(jì)要點(diǎn)．本文的創(chuàng)新點(diǎn)在于結(jié)合校園網(wǎng)運(yùn)行的特點(diǎn)和標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試草案，設(shè)計(jì)出了若干精簡(jiǎn)有效的網(wǎng)絡(luò)視頻傳輸測(cè)試指標(biāo)，并結(jié)合實(shí)際案例介紹采用專業(yè)測(cè)評(píng)儀表進(jìn)行操作實(shí)施的結(jié)果．

1 測(cè)試基準(zhǔn)與指標(biāo)

1．1 測(cè)試基準(zhǔn)

網(wǎng)絡(luò)設(shè)備進(jìn)行視頻傳輸?shù)膮f(xié)議主要是單播（Unicast）和組播（Multicast）［1］．使用單播協(xié)議進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)視頻傳輸時(shí)，服務(wù)器必須為每個(gè)客戶端的請(qǐng)求單獨(dú)發(fā)送流．在視頻流請(qǐng)求數(shù)大的情況下，服務(wù)器和網(wǎng)絡(luò)主干設(shè)備的負(fù)載較重，但服務(wù)器可以響應(yīng)不同的客戶機(jī)的請(qǐng)求發(fā)送不同的數(shù)據(jù)，且基于TCP的單播協(xié)議的數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)發(fā)質(zhì)量較好，因此常用于網(wǎng)絡(luò)視頻點(diǎn)播服務(wù)．組播協(xié)議基于UDP設(shè)計(jì)，需要相同數(shù)據(jù)流的客戶端可加入同一個(gè)組以共享一條數(shù)據(jù)流，可以極大的節(jié)省服務(wù)器資源，減少網(wǎng)絡(luò)主干的壓力．與單播相比，組播沒(méi)有糾錯(cuò)機(jī)制，發(fā)生丟包錯(cuò)包后難以彌補(bǔ)，另外在認(rèn)證、QoS等方面還不完善［2］，因此目前一般用于開放式的網(wǎng)絡(luò)視頻直播服務(wù)．

對(duì)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的視頻傳輸性能進(jìn)行評(píng)估，應(yīng)綜合考慮設(shè)備對(duì)單播和組播的支持能力．BMWG公布了RFC1242（網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)設(shè)備基準(zhǔn)術(shù)語(yǔ)）［3］和RFC2544（網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)設(shè)備基準(zhǔn)測(cè)試方法）［4］，對(duì)網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)設(shè)備（交換機(jī)、路由器等）的測(cè)試基準(zhǔn)進(jìn)行了詳細(xì)的規(guī)定．在IP組播測(cè)試方面，特別頒布了RFC2432（IP組播基準(zhǔn)測(cè)試術(shù)語(yǔ)）［5］，RFC2236（Internet組管理協(xié)議第二版）［6］和RFC1112（IP組播主機(jī)擴(kuò)展）［7］等對(duì)測(cè)試的細(xì)節(jié)進(jìn)行了約定．相應(yīng)的，我國(guó)在前些年也制定了一些設(shè)備技術(shù)規(guī)范，作為行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)指導(dǎo)設(shè)備生產(chǎn)，例如YD／T1156—2009（路由器設(shè)備測(cè)試方法—核心路由器）［8］、YD／T2045—2009（IPv6網(wǎng)絡(luò)設(shè)備安全測(cè)試方法—核心路由器）［9］、YD／T1141—2007（以太網(wǎng)交換機(jī)測(cè)試方法）［10］等．與RFC的定位不同，我國(guó)的行業(yè)測(cè)試規(guī)范主要用于規(guī)范生產(chǎn)，因此測(cè)試規(guī)范明確了網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的常用、重要的功能指標(biāo)．在實(shí)際的測(cè)試方案制定和操作中，對(duì)于網(wǎng)絡(luò)設(shè)備某些方面性能的測(cè)試評(píng)定主要以RFC的定義為準(zhǔn)．

1．2 性能指標(biāo)

網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的性能基準(zhǔn)測(cè)試是對(duì)不依賴于具體應(yīng)用的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備性能特征的測(cè)量、分析和評(píng)價(jià)．設(shè)計(jì)性能基準(zhǔn)測(cè)試指標(biāo)應(yīng)遵循如下原則．

（1）代表性：指標(biāo)應(yīng)可以明確的反映出被測(cè)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的特性，適當(dāng)考慮與應(yīng)用相關(guān)的性能特征；

（2）操作性：性能指標(biāo)與實(shí)際情況相結(jié)合．避免因過(guò)于復(fù)雜或者存在太多干擾因素，會(huì)降低測(cè)試結(jié)果的清晰度和準(zhǔn)確性；

（3）可比性：測(cè)試指標(biāo)應(yīng)可橫向比較出不同設(shè)備的性能差別，在制定測(cè)試方案時(shí)可以以滿足網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的最高需求為目標(biāo)；

（4）單一性：避免在不同的測(cè)試項(xiàng)目中重復(fù)設(shè)計(jì)測(cè)試指標(biāo)，以減少測(cè)試開銷．

RFC2544及其他相關(guān)草案將網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的性能基準(zhǔn)定義為吞吐量（Throughput）、時(shí)延（Latency）、丟包率（Frame loss rate）和背靠背（Back－to－back frame）等幾個(gè)重要的指標(biāo)組．RFC2432則進(jìn)一步細(xì)化了IP組播測(cè)試的細(xì)則［5］，如表1所示．

表1 RFC 2432建議的IP組播測(cè)試項(xiàng)目Tab．1 IP multicast test project proposal of RFC2432

此外，RFC還對(duì)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備性能基準(zhǔn)測(cè)試的基本條件進(jìn)行了約定［4］，比如：測(cè)試時(shí)間不能過(guò)短．吞吐量衡量的是設(shè)備在負(fù)載恒定的情況下處理數(shù)據(jù)的能力，時(shí)間太短不能精確的反映設(shè)備的能力，參考時(shí)間一般不低于60 s；為取得穩(wěn)定值，測(cè)試次數(shù)一般不少于20次；吞吐量測(cè)試一般采取二分法，結(jié)束條件為兩次測(cè)試結(jié)果之差小于精度值，精度設(shè)定為不超過(guò)理論速度的1%；建議以太網(wǎng)的測(cè)試幀長(zhǎng)一般取64 bp、128 bp、256 bp、512 bp、1 024 bp、1 280 bp或1 518 bp用戶，也可以自定義幀長(zhǎng)，比如超過(guò)1 518 bp的超長(zhǎng)幀（jumbo frame）等．

2 測(cè)試方法

在一般的情況下，專業(yè)測(cè)試儀表的性能遠(yuǎn)高于軟件性能測(cè)試工具，同時(shí)具備優(yōu)質(zhì)協(xié)議模擬、分析工具和數(shù)據(jù)報(bào)表，因此在網(wǎng)絡(luò)視頻傳輸性能基準(zhǔn)測(cè)試過(guò)程中，盡量選擇專業(yè)測(cè)試儀表將能很好地展現(xiàn)和分析測(cè)試結(jié)果．為了測(cè)試網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的真實(shí)網(wǎng)絡(luò)視頻負(fù)載，可根據(jù)實(shí)際需要，對(duì)于組播和單播傳輸視頻流的負(fù)載進(jìn)行性能測(cè)試．

對(duì)于單播性能測(cè)試來(lái)說(shuō)，主要檢驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的背板交換能力和端口吞吐能力以驗(yàn)證對(duì)大并發(fā)量高帶寬的網(wǎng)絡(luò)視頻傳輸支持特性，一般采用網(wǎng)絡(luò)性能測(cè)試儀表向網(wǎng)絡(luò)設(shè)備全端口傳輸流量的方式進(jìn)行測(cè)試．然而，網(wǎng)絡(luò)性能測(cè)試儀表受CPU處理能力限制，獨(dú)立端口密度較低，面對(duì)高密度端口的三層網(wǎng)絡(luò)設(shè)備時(shí)，一般使用蛇形串聯(lián)測(cè)試方法［11］：通過(guò)配置VRF虛擬路由將網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的相鄰兩個(gè)端口配置組成同一個(gè)虛擬專網(wǎng)，并且專網(wǎng)之間相互分離獨(dú)立，然后通過(guò)線纜將相鄰端口一一相連；隨后將網(wǎng)絡(luò)性能測(cè)試儀表的進(jìn)出端口分別連接至網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的第一個(gè)和最后一個(gè)端口，并配置VRF定義數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)規(guī)則，使數(shù)據(jù)包可依據(jù)端口號(hào)次序傳遞；令測(cè)試儀表以網(wǎng)絡(luò)設(shè)備端口線速（即最大速率）往接收端口發(fā)送全雙工測(cè)試數(shù)據(jù)流，這樣就實(shí)現(xiàn)了對(duì)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備每個(gè)端口同時(shí)傳遞流量；如果此時(shí)發(fā)現(xiàn)接受端有丟包現(xiàn)象，就減少最后一對(duì)端口之間的網(wǎng)線連接，同時(shí)網(wǎng)絡(luò)性能測(cè)試儀表接受端口的連接位置往前遞減2個(gè)端口，反復(fù)上述測(cè)試，直到接受端沒(méi)有丟包現(xiàn)象．此時(shí)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的背板性能就是實(shí)際在測(cè)的端口數(shù)量乘以端口最大速率的結(jié)果．

上述兩種方法各有優(yōu)缺點(diǎn)．蛇形串聯(lián)測(cè)試方法在某些情況下不能達(dá)到網(wǎng)絡(luò)設(shè)備額定負(fù)載，例如在端口有少量丟包的情況下，后置端口無(wú)法接收到前置端口的完全線速流量，因此最終結(jié)果可能與真實(shí)性能會(huì)存在差異；另外，蛇形串聯(lián)測(cè)試方法出問(wèn)題后一般要做多次輔助測(cè)試來(lái)定位故障點(diǎn)；在測(cè)試過(guò)程中要檢查交換機(jī)配置，觀察每個(gè)端口是否有進(jìn)出流量，以免作弊．而全端口法無(wú)論被測(cè)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備是否丟包，網(wǎng)絡(luò)性能測(cè)試儀表總是向被測(cè)設(shè)備施加額定的負(fù)載，且更容易定位出問(wèn)題的端口，但由于網(wǎng)絡(luò)性能測(cè)試儀表端口密度的原因，高性能的全端口測(cè)試一般較難實(shí)施．因此在選擇測(cè)試方法時(shí)應(yīng)根據(jù)測(cè)試目的、設(shè)計(jì)指標(biāo)和測(cè)試儀表的配置來(lái)綜合確定．

在組播性能測(cè)試方面，由于校園網(wǎng)中的組播應(yīng)用一般是實(shí)時(shí)的網(wǎng)絡(luò)視頻直播服務(wù)，因此比較注重對(duì)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的組播轉(zhuǎn)發(fā)與組播復(fù)制能力驗(yàn)證．一般而言，組播的轉(zhuǎn)發(fā)與復(fù)制能力的測(cè)試需要采用全端口測(cè)試方法．如果測(cè)試儀表無(wú)法提供高密度的獨(dú)立端口，則可以用建立多個(gè)VLAN的方法檢驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的組播復(fù)制能力，即進(jìn)行跨VLAN的組播復(fù)制測(cè)試：將網(wǎng)絡(luò)設(shè)備配置N個(gè)VLAN（N＝交換機(jī)配置VLAN的最大個(gè)數(shù)），將網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的兩個(gè)物理端口分別與測(cè)試設(shè)備的端口相連，一個(gè)端口接入一個(gè)VLAN作為視頻源，發(fā)送一路組播流量，另一個(gè)端口設(shè)置其余N－1個(gè)VLAN做為客戶端接受視頻流，這樣就會(huì)有N－1個(gè)組播的被復(fù)制的視頻流量．網(wǎng)絡(luò)性能測(cè)試儀表的流量統(tǒng)計(jì)只要發(fā)送端和接收端的比例為N－1，即可確認(rèn)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備對(duì)組播正確轉(zhuǎn)發(fā)與復(fù)制．這樣測(cè)試復(fù)制能力也有一定的局限性，無(wú)法像全端口組播復(fù)制測(cè)試同時(shí)進(jìn)行組播的復(fù)制與組播轉(zhuǎn)發(fā)的測(cè)試．

3 測(cè)試案例分析

3．1 方案設(shè)計(jì)

在以Cisco 6509為核心的局域網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)視頻傳輸性能測(cè)試案例中，考慮到局域網(wǎng)本身具有一定的開放性，業(yè)務(wù)存在多樣性，而且應(yīng)用需求要求在日常使用和保障多路單播和組播視頻流穩(wěn)定性，因此設(shè)計(jì)測(cè)試方案以單播和組播的性能指標(biāo)測(cè)試為主．在單播性能測(cè)試方面，主要依據(jù)RFC2544標(biāo)準(zhǔn)，利用網(wǎng)絡(luò)性能測(cè)試儀表的相關(guān)測(cè)試包，通過(guò)設(shè)定不同大小的報(bào)文及混合流量，測(cè)試吞吐量、時(shí)延、丟包率和背靠背等指標(biāo)．在組播性能測(cè)試方面，著重考量如表2所示基本數(shù)據(jù)指標(biāo)．

表2 IP組播測(cè)試的基本數(shù)據(jù)指標(biāo)Tab．2 Basic IP Multicast test data index

在方案設(shè)計(jì)中，還應(yīng)著重考慮實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景造成的影響，包括綜合業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下帶寬擁塞時(shí)QoS策略對(duì)視頻流的優(yōu)先級(jí)保護(hù)、不安全情況下如何隔離假視頻流和非制定客戶端、組網(wǎng)環(huán)境下故障切換對(duì)視頻流的影響等．綜合考慮上述因素設(shè)計(jì)Cisco 6509核心網(wǎng)視頻傳輸性能測(cè)試方案，與組播有關(guān)的部分如表3所示．

表3 IP組播有關(guān)測(cè)試項(xiàng)目設(shè)計(jì)Tab．3 IP Multicast testing design

3．2 測(cè)試結(jié)果

測(cè)試過(guò)程采用思博倫品牌的測(cè)試儀表，機(jī)框型號(hào)是SPIRENT TESTCENTER200THS，板卡型號(hào)是MSA－2001B（配2個(gè)萬(wàn)兆以太網(wǎng)XFP端口）和EDM－2001B（配8個(gè)千兆以太網(wǎng)SFP端口）．測(cè)試結(jié)果如表4所示．

從表4所示的測(cè)試結(jié)果來(lái)看，所測(cè)試的性能基本與Cisco 6509交換機(jī)的標(biāo)稱值相符．?dāng)?shù)據(jù)傳輸?shù)难訒r(shí)與硬件切換的延時(shí)都在毫秒級(jí)別．在端口流量擁塞的情況下對(duì)組播流量的保護(hù)效果比較好的方法是采用限制視頻流量、隔離假視頻源等方法對(duì)視頻源進(jìn)行保護(hù)．

4 總 結(jié)

本文介紹了對(duì)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的視頻傳輸性能測(cè)試的研究，并對(duì)測(cè)試案例的設(shè)計(jì)、過(guò)程和結(jié)果進(jìn)行了分析．在測(cè)試過(guò)程中，首先要明確對(duì)測(cè)試對(duì)象的視頻傳輸能力的預(yù)期，通過(guò)對(duì)待測(cè)系統(tǒng)輸入預(yù)定的流量和參數(shù)，并觀測(cè)相應(yīng)的輸出結(jié)果和反饋，通過(guò)對(duì)輸入和輸出之間的關(guān)系的分析，可對(duì)系統(tǒng)性能進(jìn)行全面的了解．因此，采用設(shè)計(jì)完善的測(cè)試方案是測(cè)試過(guò)程的要點(diǎn)．盡管本文在案例的設(shè)計(jì)過(guò)程中對(duì)需求場(chǎng)景進(jìn)行了適當(dāng)?shù)目剂?，也依然存在可以?yōu)化的空間，例如不同品牌的設(shè)備互聯(lián)可能產(chǎn)生的PIM路由協(xié)議的PIM－SM（稀疏模式）或PIM－DM（密集模式）之間的協(xié)議兼容性問(wèn)題，以及在綜合業(yè)務(wù)網(wǎng)環(huán)境下通過(guò)MPLS VPN支撐視頻流及組播服務(wù)的實(shí)際性能等，這些問(wèn)題將在今后的工作改進(jìn)中給予完善．

表4 IP組播有關(guān)測(cè)試項(xiàng)目測(cè)試結(jié)果Tab．4 IP Multicast test results

［1］ Reliable Multicast Transport（RMT）Working Group Charter［EB／OL］．［2014－10－01］．http：／／ietf．org／html．charters／rmt－charter．html．

［2］ LI B，LIU J．Multirate video multicast over the internet：An overview［J］．IEEE Network，2003，17（1）：24－29．

［3］ BRADNER S．Benchmarking Terminology for Network Interconnection Devices，IETF RFC 1242［EB／OL］．［1991－07－01］．http：／／www．rfc－editor．org／rfc／rfc1242．txt．

［4］ BRADNER S．Benchmarking Methodology for Network Interconnect Devices，IETF RFC2544［EB／OL］．［1999－03－01］．http：／／www．rfc－editor．org／rfc／rfc2544．txt．

［5］ DUBRAY K．Terminology for IP Multicast Benchmarking，IETF RFC 2432［EB／OL］．［1998－10－01］．http：／／www．rfc－editor．org／rfc／rfc2432．txt．

［6］ FENNER W．Internet Group Management Protocol，Version 2，IETF RFC 2236［EB／OL］．［1997－11－01］．http：／／www．rfc－editor．org／rfc／rfc2236．txt．

［7］ DEERING S．Host Extensions for IP Multicasting，IETF RFC1112［EB／OL］．［1989－08－01］．http：／／www．rfceditor．org／rfc／rfc1112．txt．

［8］ CN－YD，YD／T1156—2009路由器設(shè)備測(cè)試方法——核心路由器［S］．北京：人民郵電出版社，2009．

［9］ CN－YD，YD／T2045—2009 IPv6網(wǎng)絡(luò)設(shè)備安全測(cè)試方法——核心路由器［S］．北京：人民郵電出版社，2009．

［10］ CN－YD，YD／T1141—2007以太網(wǎng)交換機(jī)測(cè)試方法［S］．北京：人民郵電出版社，2007．

［11］ 郭亮．路由器性能測(cè)試中蛇形測(cè)試的局限性探討［J］．電信科學(xué)，2013，29（11）：173－176．