面向交換機驗證測試的流量生成器研究與實現(xiàn)

趙曉輝，李昀義，王曉婷，郭華儉，王憶文

（1．成都華微電子科技有限公司，成都610041；2．電子科技大學(xué)微電子與固體電子學(xué)院，成都610054）

面向交換機驗證測試的流量生成器研究與實現(xiàn)

趙曉輝1，李昀義2，王曉婷2，郭華儉2，王憶文2

（1．成都華微電子科技有限公司，成都610041；2．電子科技大學(xué)微電子與固體電子學(xué)院，成都610054）

流量生成器是交換機驗證與測試平臺的核心組成部分，它可以模擬網(wǎng)絡(luò)流量行為，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議生成測試數(shù)據(jù)包，對交換機進行功能驗證和性能測試?；赟oC架構(gòu)的流量生成器，利用軟件的靈活性來生成復(fù)雜的流量模型，利用硬件生成符合協(xié)議的數(shù)據(jù)包，能夠模擬現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)中高負(fù)載、高速率、環(huán)境復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)流量。基于Xilinx Virtex－5系列FPGA開發(fā)板，實現(xiàn)了一種流量生成器，具備單端口速率Gbps量級的均勻、Poisson和MMPP三種流量模型，并通過測試平臺對流量生成模型進行了驗證。

交換機；流量生成器；流量模型；片上系統(tǒng)；現(xiàn)場可編程邏輯陣列；驗證

1 引 言

交換機作為現(xiàn)代大型網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的基礎(chǔ)，在信息交換、數(shù)據(jù)傳輸領(lǐng)域有著非常重要的作用，其性能決定著網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的性能和穩(wěn)定性。所以，交換機的驗證測試也成為了交換機研究的一個重要方向?，F(xiàn)行交換機的網(wǎng)絡(luò)流量線速率已達到Gbps量級，而且在實際的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中負(fù)載流量可能出現(xiàn)各種不同的復(fù)雜情況。普通的功能測試和壓力測試，已經(jīng)不能判斷所設(shè)計的交換機是否適應(yīng)現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)需求。這對交換機測試設(shè)備提出了更高要求。

流量生成器，就是模擬網(wǎng)絡(luò)流量行為，產(chǎn)生符合網(wǎng)絡(luò)協(xié)議測試數(shù)據(jù)包的測試設(shè)備。搭載流量生成器的測試平臺，可以模擬真實網(wǎng)絡(luò)流量行為，完成對網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的功能驗證和性能測試，幫助其在設(shè)計階段實現(xiàn)功能驗證和錯誤定位，也可在應(yīng)用階段完成性能測試和改良升級。

目前，常見流量生成器有基于PC的軟件實現(xiàn)和基于專用測試設(shè)備的硬件實現(xiàn)兩種方式。軟件實現(xiàn)方案［1］，由軟件程序產(chǎn)生數(shù)據(jù)包發(fā)送至線卡，該方案可實現(xiàn)多種流量模型，修改靈活、價格低廉，但隨著端口數(shù)量的增減，傳輸速率受限于軟硬件接口的帶寬。硬件實現(xiàn)方案［2－3］，則采用多硬件系統(tǒng)并行運行產(chǎn)生數(shù)據(jù)包，以解決軟硬件接口的瓶頸，但一般價格高昂、流量模型稀少。通過SoC架構(gòu)實現(xiàn)流量生成器［4－5］，既可以利用軟件的靈活性生成各種復(fù)雜的流量模型，也可以發(fā)揮硬件高速并行的優(yōu)勢，生成高速、高負(fù)載、多端口的網(wǎng)絡(luò)流量。

針對航空領(lǐng)域廣泛使用的FC－AE交換機，以SoC架構(gòu)方案為模板，在基于Xilinx Virtex－5系列開發(fā)板搭建的SoC平臺上，實現(xiàn)了單端口速率達到Gbps量級，支持均勻、Poisson和MMPP三種流量模型的流量生成器。

2 網(wǎng)絡(luò)流量模型

為了精準(zhǔn)地測試和評估交換機的性能，流量模型的研究變得尤為重要?；赟oC架構(gòu)的流量生成器，根據(jù)現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)特性以及測試需求，選取了均勻、Poisson和MMPP三種典型的流量模型。均勻流量模型根據(jù)固定負(fù)載，產(chǎn)生恒定速率的流量，用于測試交換機端口間數(shù)據(jù)傳輸功能驗證。Poisson和MMPP兩種流量模型在網(wǎng)絡(luò)流量行為建模中應(yīng)用廣泛，可分別適用于交換機的低負(fù)載、低突發(fā)性能測試以及高負(fù)載、高突發(fā)性能測試。

2．1 Poisson模型

在網(wǎng)絡(luò)流量建模發(fā)展的初期，便使用Poisson模型來研究網(wǎng)絡(luò)流量。Poisson模型即指在時間序列t內(nèi)，包到達的數(shù)量n（t）符合參數(shù)為λt的Poisson分布，如公式所示［6］。

其相應(yīng)的包到達時間間隔序列T呈負(fù)指數(shù)分布，即F（t）＝1－e－λt。其中，Poisson過程的強度表示單位時間間隔內(nèi)出現(xiàn)包數(shù)量的期望值，即包到達的平均速率，其值為1／E（t）。

Poisson模型假設(shè)網(wǎng)絡(luò)事件（如數(shù)據(jù)包到達）是獨立分布的，并且只與一個單一的速率參數(shù)λ有關(guān)。Poisson模型較好地滿足了網(wǎng)絡(luò)的建模需求，在低負(fù)載、低突發(fā)性的小型網(wǎng)絡(luò)設(shè)計、維護、管理和性能分析等方面發(fā)揮了很大作用。

2．2 Markov模型

對于一個給定的狀態(tài)空間S＝｛S1，S2，…，Sm｝，Xn表示在n時刻狀態(tài)的隨機變量，如果Xn＋1＝Sj的概率只依賴于當(dāng)前的狀態(tài)，｛Xn｝就形成了一個Markov鏈。Markov模型是利用某一變量的現(xiàn)在狀態(tài)和動向去預(yù)測該變量未來的狀態(tài)和動向的一種分析方法。其在隨機過程中引入相關(guān)性，在一定程度上描述了網(wǎng)絡(luò)流量行為的突發(fā)性［6］。

Markov調(diào)制的Poisson過程（MMPP）便是常見的Markov模型中的一種，它是一種雙隨機過程，可理解為參數(shù)為λ的Poisson過程和一個參數(shù)為υ的更新過程的疊加［7－8］。MMPP由于相關(guān)性和突發(fā)性的特點，在高負(fù)載、高突發(fā)性、多業(yè)務(wù)類型的主干網(wǎng)絡(luò)建模中應(yīng)用廣泛。

3 流量生成器的設(shè)計與實現(xiàn)

采用基于SoC架構(gòu)的流量生成器，具有成本低、配置靈活、端口易擴展的特點。加之IP化的設(shè)計方式，使得其可適用于不同網(wǎng)絡(luò)協(xié)議交換機或其它網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的測試。

該流量生成器在基于Xilinx Virtex－5系列的FPGA開發(fā)板搭建的以Power PC 440為硬核微處理器的SoC平臺上實現(xiàn)。針對選取的均勻、Poisson和MMPP三種流量分布，經(jīng)過合理的軟硬件劃分，將靈活多變的流量模型交由軟件完成，而要求快速響應(yīng)的數(shù)據(jù)包產(chǎn)生、發(fā)送過程交由硬件完成。如圖1所示，軟件部分為微處理器，硬件部分包括數(shù)據(jù)包生成模塊、網(wǎng)絡(luò)接口模塊。

圖1 基于SoC架構(gòu)的流量生成器

流量生成過程由Power PC上運行的流量產(chǎn)生程序根據(jù)用戶的配置信息轉(zhuǎn)化為流量模型的配置信息和數(shù)據(jù)包生成參數(shù)，由軟硬件接口將配置信息和生成參數(shù)傳遞至數(shù)據(jù)包生成模塊，數(shù)據(jù)包生成模塊便可在指定時刻產(chǎn)生相應(yīng)的數(shù)據(jù)包，網(wǎng)絡(luò)接口模塊將數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)換為相關(guān)的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議發(fā)送至網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。

3．1 軟硬件接口

軟硬件接口，即微處理器上運行的流量產(chǎn)生程序通過PLB總線與數(shù)據(jù)包生成模塊交互的數(shù)據(jù)格式。主要包括兩大類型：一種為配置信息，包括網(wǎng)絡(luò)協(xié)議類型（數(shù)據(jù)包幀格式）、端口信息（源／目地址）等，該部分在系統(tǒng)上電后只進行初始化配置，不隨程序的運行而更改；另一種為數(shù)據(jù)包生成參數(shù)，主要為數(shù)據(jù)包時間間隔（前后兩個數(shù)據(jù)包之間的延時間隔）和數(shù)據(jù)包幀長，該部分在測試設(shè)備運行中由程序根據(jù)用戶配置的流量模型而生成，每個生成參數(shù)都可以使數(shù)據(jù)包生成模塊產(chǎn)生一個獨一無二的數(shù)據(jù)包，并控制其在指定時刻發(fā)送。

3．2 軟件部分

軟件部分的主要功能為SoC平臺的初始化和流量模型的產(chǎn)生。流量模型的產(chǎn)生，就是將設(shè)計的均勻流量模型、Poisson模型和MMPP模型，根據(jù)用戶配置參數(shù)轉(zhuǎn)化為硬件能夠識別的配置信息和數(shù)據(jù)包生成參數(shù)，并發(fā)送至軟硬件接口。其工作流程如圖2所示，具體步驟如下：

（1）PowerPC在系統(tǒng)上電后，通過PLB總線對SoC硬件模塊進行初始化；

（2）讀取用戶配置信息，并轉(zhuǎn)化為硬件可識別的配置信息，對數(shù)據(jù)包生成模塊進行初始化配置；

（3）流量產(chǎn)生程序根據(jù)用戶配置信息，產(chǎn)生數(shù)據(jù)包生成參數(shù)并傳輸至數(shù)據(jù)包生成模塊；

（4）讀取數(shù)據(jù)包生成模塊狀態(tài)，若數(shù)據(jù)包生成模塊未讀取數(shù)據(jù)包生成參數(shù)，則等待；若數(shù)據(jù)包生成模塊已讀取數(shù)據(jù)包生成參數(shù)，則進入步驟3。

3．3 硬件部分

硬件部分的主要功能是根據(jù)軟件傳輸至軟硬件接口的數(shù)據(jù)包生成參數(shù)，產(chǎn)生符合網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的數(shù)據(jù)包格式，并在流量模型的要求時刻發(fā)送至傳輸端口。

該部分采用Verilog HDL編制，利用FPGA的可編程邏輯實現(xiàn)，并作為定制IP掛載在SoC總線上，其架構(gòu)如圖3所示。數(shù)據(jù)包生成模塊包括：用戶配置控制器、數(shù)據(jù)包封裝器、數(shù)據(jù)包發(fā)送時序產(chǎn)生器和數(shù)據(jù)包發(fā)送控制器。用戶配置控制器，負(fù)責(zé)將初始化配置信息和數(shù)據(jù)包生成參數(shù)寫入對應(yīng)單元；數(shù)據(jù)包封裝器，根據(jù)配置的協(xié)議類型信息、端口信息、數(shù)據(jù)包幀長信息，生成符合要求的數(shù)據(jù)包，并寫入數(shù)據(jù)包緩存；數(shù)據(jù)包發(fā)送時序產(chǎn)生器，根據(jù)數(shù)據(jù)包時間間隔和數(shù)據(jù)包幀長信息，對數(shù)據(jù)包時間間隔進行修正，并寫入發(fā)送時序緩存；數(shù)據(jù)包發(fā)送控制器，根據(jù)修正后的數(shù)據(jù)包時間間隔信息，將數(shù)據(jù)包緩存單元的數(shù)據(jù)包發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)接口模塊。網(wǎng)絡(luò)接口模塊與網(wǎng)卡功能類似，將流量生成器產(chǎn)生的數(shù)據(jù)包通過物理層轉(zhuǎn)化傳輸?shù)骄W(wǎng)絡(luò)設(shè)備，該模塊可根據(jù)不同的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議進行設(shè)計，以擴展流量生成器的適用范圍。

圖2 流量生成器軟件流程

圖3 流量生成器硬件架構(gòu)

4 流量模型驗證

該流量生成器在支持FC－AE協(xié)議的交換機測試中，進行了應(yīng)用。在真實的測試實驗中，搭建了如圖4所示的測試環(huán)境。FC交換機為被測設(shè)備，其余部分均為測試平臺。

圖4 FC交換機測試平臺

為驗證設(shè)計的流量生成器是否符合理論流量模型，在測試初期，去除了上述環(huán)境中的FC交換機，將流量生成器接口直接搭載在監(jiān)測器上。

圖5給出了流量模型驗證中的部分測試結(jié)果。對三種不同的流量模型，設(shè)置相同的測試參數(shù)進行對比，其中，負(fù)載率為0．8、數(shù)據(jù)包幀長為1000bytes、測試長度為10ms。左圖的每一個柱形圖表示0．1ms內(nèi)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)包個數(shù)，右圖為0．8ms內(nèi)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)包個數(shù)。由圖5可知，均勻模型可以以恒定速率產(chǎn)生并發(fā)送測試數(shù)據(jù)包。Poisson模型在短時間刻度的情況下很好的體現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)行為的突發(fā)性，但在長時間刻度的情況下趨于平滑。Markov模型無論是短時間刻度和長時間刻度都很好的體現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)突發(fā)性。這與實際的流量模型情況一致。

圖5 流量生成器驗證結(jié)果

5 結(jié)束語

在FC－AE協(xié)議環(huán)境中，對所實現(xiàn)的流量模型進行了設(shè)計、驗證與應(yīng)用。基于SoC架構(gòu)的軟硬件協(xié)同設(shè)計方案，使得該流量生成器可根據(jù)用戶的配置信息，靈活配置為多種預(yù)設(shè)的流量模型和負(fù)載條件，精確、迅速地產(chǎn)生數(shù)據(jù)包，極大地緩解了軟硬件接口帶寬對端口速率的影響，單端口數(shù)據(jù)流線速率可達Gbps量級。通過更改網(wǎng)絡(luò)端口模塊，還可以廣泛地適用于多種網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。該設(shè)計既能解決軟件實現(xiàn)方案中高速交換機驗證測試的困難，又能解決專用測試設(shè)備成本高的問題，為交換機驗證與測試提供了一種有效解決方案。

［1］ Avallone S，Guadagno S，Emma D，et al．D－ITG Distributed Internet Traffic Generator［C］．／QEST 2004 Proceedings．First International Conference on the IEEE：Quantitative Evaluation of Systems，2004．

［2］ Sanl M，Schmidt E G，Güran H C．FPGEN：A fast，scalable and programmable traffic generator for the performance evaluation of high－speed computer networks［J］．Performance Evaluation，2011，68（12）：1276－1290．

［3］ Spirent．Hypermetrics fibre channel test module［EB／ OL］．2009 http：／／www．spirent．cn／～／media／Datasheets／Broadband／PAB／SpirentTestCenter／STC_HyperMetrics_FC－Module_datasheet．pdf．

［4］ Covington G A，Gibb G，Lockwood J W，et al．A Packet Generator on the NetFPGA Platform［C］．／Annual IEEE Symposium on．IEEE：Field－Programmable Custom Computing Machines，2009．

［5］ Tagami A，Hasegawa T，Hasegawa T，et al．OC－48c traffic tester for generating and analyzing long－range dependence traffic［J］．Transactions of the Institute of Electronics Information＆Communication Engineers B，2002，85：975．

［6］ 張賓，楊家海，吳建平．Internet流量模型分析與評述［J］．軟件學(xué)，2011，22（1）：115－131．ZHANG B，YANG J，WU J．Analysis and Commentary of Internet Traffic Models［J］．Journal of Software，2011，22（1）：115－131．

［7］ 逯昭義．通信業(yè)務(wù)量理論與應(yīng)用［M］．北京：電子工業(yè)出版社，2011．LUZ．TheoryandApplicationsofCommunication Business Volume［M］．Beijing：ElectronicsIndustry Press，2011．

［8］ Shah－Heydari S，Le－Ngoc T．MMPP Modeling of Aggregated ATM Traffic［J］．Canadian Conference on Electrical＆Computer Engineering，1998，1：129－132．

Research and Implementation of Traffic Generator for Switch

Zhao Xiaohui1，Li Yunyi2，Wang Xiaoting2，Guo Huajian2，Wang Yiwen2
（1．Chengdu Sino Microelectronics Technology Co．，Ltd．，Chengdu 610041，China；2．School of Microelectronics and Solid－State Electronics，University of Electronic Science and Technology，Chengdu 610054，China）

The traffic generator，as the key component of the platform for verifying and testing switch，can generate data packets for different network protocol by simulating network traffic．The SoC－based traffic generators，using software to generate the complex traffic types and hardware to generate data packets，can meet the requirements of the network in high－speed，high－load and complex environment．A traffic generator is realized based on Xilinx Virtex－5 FPGA development board with the models of uniform，Poisson and MMPP traffic at Gbps line rates，and verified on the test platform．

Switch；Traffic generator；Traffic model；SoC；FPGA；Verification

10．3969／j．issn．1002－2279．2015．04．006

TN919．6

A

1002－2279（2015）04－0020－04

趙曉輝（1975－），男，遼寧省昌圖縣人，高級工程師，主研方向：大規(guī)模集成電路設(shè)計及應(yīng)用，數(shù)據(jù)傳輸與處理。

2015－06－03