IP路由器轉(zhuǎn)發(fā)容量測試方法探討

［王素彬　曹維華］

技術(shù)交流

IP路由器轉(zhuǎn)發(fā)容量測試方法探討

［王素彬曹維華］

摘要隨著世界通信產(chǎn)業(yè)的持續(xù)飛速發(fā)展，路由器進入了大容量時代，路由器的轉(zhuǎn)發(fā)容量驗證測試成為了網(wǎng)絡(luò)建設(shè)至關(guān)重要的環(huán)節(jié)。文章根據(jù)路由器的功能定位，提出了從網(wǎng)絡(luò)環(huán)境、業(yè)務(wù)需求和路由承載三個方面進行綜合仿真建模的一種測試方法。這種路由器轉(zhuǎn)發(fā)容量評估方案，可提升測試方法的科學(xué)性與合理性，更真實有效評估路由器設(shè)備的業(yè)務(wù)承載能力。

關(guān)鍵詞：路由器 轉(zhuǎn)發(fā)容量 仿真 測試方法

王素彬

中國電信股份有限公司廣東研究院工程師，從事IP網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和下一代互聯(lián)網(wǎng)研究。

曹維華

中國電信股份有限公司廣東研究院高級工程師，主要研究方向為移動互聯(lián)網(wǎng)。

1　引言

自思科公司1986年正式商用第一臺路由器以來，路由器在網(wǎng)絡(luò)中擔(dān)當(dāng)著舉足輕重的角色，聯(lián)結(jié)各個信息站點(Site)與終端，帶來互聯(lián)網(wǎng)20年的繁榮，使得人類進入信息時代。當(dāng)前世界通信產(chǎn)業(yè)規(guī)模持續(xù)飛速發(fā)展，IP網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)與帶寬基本遵循摩爾定律，IP網(wǎng)絡(luò)容量面臨前所未有的壓力。互聯(lián)網(wǎng)流量增長率維持在50%以上，以O(shè)TT視頻、云化服務(wù)為代表的新型互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)進一步加劇網(wǎng)絡(luò)流量增長。與此同時，芯片技術(shù)與高速背板技術(shù)高速發(fā)展，IP大容量設(shè)備及高速端口陸續(xù)面市，單槽400G能力IP網(wǎng)絡(luò)設(shè)備逐漸成為主流，40GE/100GE高速端口替代40G POS成為主要端口類型。

路由器是IP網(wǎng)絡(luò)核心組成部分，其轉(zhuǎn)發(fā)容量是業(yè)務(wù)開展的基礎(chǔ)保障，直接決定IP網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)承載能力。因此，對路由器的轉(zhuǎn)發(fā)容量評估測試成為了網(wǎng)絡(luò)建設(shè)至關(guān)重要的環(huán)節(jié)。

2　 IP路由器及其容量發(fā)展歷程

從過去的十年來看，IP路由器容量的發(fā)展主要經(jīng)歷了三個階段：

（1）10G/40G帶寬時代：自2002年IEEE802.3標(biāo)準(zhǔn)組織發(fā)布10GE以太網(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn)開始，骨干網(wǎng)設(shè)備進入10G帶寬時代。這個時期網(wǎng)絡(luò)設(shè)備還是單機的形態(tài)，設(shè)備單槽位達到10G吞吐量，并具備向40G演進的能力。

（2）集群時代：單機形態(tài)由于集成度和端口容量的發(fā)展，已無法滿足網(wǎng)絡(luò)流量的爆炸式增長，由此推動了集群系統(tǒng)的誕生。路由器集群(Multi-Chassis)是設(shè)備技術(shù)發(fā)展的一大里程碑式突破，采用并行分組交換技術(shù)擴展單機交換平面與管理平面，使得多臺路由器能夠協(xié)同工作、并行處理，對外呈現(xiàn)為一臺邏輯路由器。路由器集群打破了單機系統(tǒng)在交換容量的限制，從而可大幅度提升設(shè)備的整機轉(zhuǎn)發(fā)容量。

（3）超大容量時代：隨著芯片和光模塊集成度的進一步提升，設(shè)備容量已經(jīng)進入400G/1T時代，設(shè)備不僅具備單機/集群等多種形態(tài)能力，同時還具備向更大容量演進的能力，以此來滿足容量持續(xù)增長的需求。預(yù)計在2017年會出現(xiàn)2Tbps/槽的產(chǎn)品，單機可達32Tbps容量，是前期400G平臺的5倍。

3　IP路由器容量測試方法探討

3.1測試拓?fù)錁?gòu)建

路由器容量測試的出發(fā)點是為了驗證設(shè)備的最大轉(zhuǎn)發(fā)能力，因此標(biāo)準(zhǔn)的測試拓?fù)涫窍蛩袠I(yè)務(wù)端口加載收發(fā)雙向流量，查看路由器是否能順利轉(zhuǎn)發(fā)，是否會出現(xiàn)丟包、亂序或延時增大等異?，F(xiàn)象。被測設(shè)備所有的端口都應(yīng)該與測試儀表直接相連，由測試儀表發(fā)送所有端口之間的全網(wǎng)狀測試流量，以評估被測設(shè)備最大轉(zhuǎn)發(fā)容量的測試方法。

IP路由器已經(jīng)進入大容量時代，一臺設(shè)備的業(yè)務(wù)端口可能是幾百上千個；而實驗室通常只有最多幾十個網(wǎng)絡(luò)測試儀表端口。在這種環(huán)境下要測試路由器的整機轉(zhuǎn)發(fā)性能，就只能依靠其它技術(shù)手段來彌補物理資源的不足。實驗室測試，我們通?？梢杂蒙咝瘟髁縼韽浹a直連流量的不足。被測設(shè)備可以僅用兩個端口與測試儀直接相連，其余端口使用跳線在設(shè)備上進行環(huán)接，并配合一定的流量轉(zhuǎn)發(fā)策略，使測試流量從與儀表直連的一個端口輸入設(shè)備，從一個端口轉(zhuǎn)發(fā)出去后再由另一個端口輸入設(shè)備，如此反復(fù)多次后由另一個與儀表直連的端口輸出，從而保證被測設(shè)備的所有端口均有業(yè)務(wù)流量輸入和輸出。

蛇形流的構(gòu)建可以通過多種方式實現(xiàn)：

①通過配置策略路由，設(shè)定由連接測試儀的端口1進入的流量通過端口2轉(zhuǎn)發(fā)，端口2外部跳線連接端口3，由端口3進入的流量通過端口4轉(zhuǎn)發(fā)……直至最后連接測試儀的另一個端口；反向流亦然。

②將被測設(shè)備端口每2個一組劃分到一個單獨的虛擬路由器，虛擬路由器之間通過外部跳線串聯(lián)，并啟用靜態(tài)或動態(tài)路由實現(xiàn)蛇形轉(zhuǎn)發(fā)。

③將被測設(shè)備端口每2個一組分配到一個單獨的2層或3層MPLS VPN，不同VPN之間通過外部跳線串接，從而實現(xiàn)蛇形轉(zhuǎn)發(fā)。

3.2 常規(guī)測試方法

常規(guī)測試方法遵循標(biāo)準(zhǔn)的測試方法學(xué)理論，關(guān)注路由器在單純IP轉(zhuǎn)發(fā)環(huán)境下，對單字節(jié)測試流的轉(zhuǎn)發(fā)性能，如采用RFC2544/2889等測試標(biāo)準(zhǔn)考察路由器的吞吐量、時延及丟包。但是現(xiàn)網(wǎng)的運營環(huán)境中路由器是同時承載多種業(yè)務(wù)，并且啟用了多種業(yè)務(wù)控制策略的；這些特性通常會增加額外的系統(tǒng)開銷，采用常規(guī)的測試方法無法反映出這部分開銷對設(shè)備性能的影響程度，從而導(dǎo)致不能準(zhǔn)確評估路由器的轉(zhuǎn)發(fā)容量。

下面以路由器100G板卡分別在純IP報文轉(zhuǎn)發(fā)、疊加包過濾防火墻轉(zhuǎn)發(fā)、疊加NAT轉(zhuǎn)發(fā)、疊加QoS轉(zhuǎn)發(fā)及三類業(yè)務(wù)疊加下轉(zhuǎn)發(fā)等五個場景轉(zhuǎn)發(fā)性能測試為例說明業(yè)務(wù)處理對轉(zhuǎn)發(fā)性能的影響，測試數(shù)據(jù)如圖4，設(shè)備在不同場景下小字節(jié)處理能力差異非常大，如在64字節(jié)的轉(zhuǎn)發(fā)性能如下：

圖1　IP路由器容量發(fā)展歷程

圖2　蛇形測試拓?fù)?/p>

①在單純的IP轉(zhuǎn)發(fā)環(huán)境下，路由器的轉(zhuǎn)發(fā)性能為線速的82%左右；

②當(dāng)僅加載包過濾防火墻時，路由器的轉(zhuǎn)發(fā)性能下降到63%左右；

③當(dāng)僅加載NAT或QoS時，路由器的轉(zhuǎn)發(fā)性能進一步下降到28%左右；

④當(dāng)同時加載所有上述業(yè)務(wù)時，路由器的轉(zhuǎn)發(fā)性能下降到10左右。

圖3　不同場景下路由器轉(zhuǎn)發(fā)結(jié)果

3.3 仿真測試方法

IP路由器通常處于大型運營網(wǎng)絡(luò)的核心位置，其主要功能是業(yè)務(wù)流量的匯聚和轉(zhuǎn)發(fā)，并根據(jù)業(yè)務(wù)開展策略進行有效的流量調(diào)度和管理。

3.3.1網(wǎng)絡(luò)模型構(gòu)建

在現(xiàn)網(wǎng)實際部署中，路由器主要用于三種網(wǎng)絡(luò)場景：1）國家骨干網(wǎng)，主要是用于連接跨省干或大型的城域網(wǎng)絡(luò)，作為整個網(wǎng)絡(luò)的核心節(jié)點；2）省干或者城域網(wǎng)絡(luò)的出口節(jié)點，主要用于本省和城域網(wǎng)內(nèi)部業(yè)務(wù)匯聚；3）國際互聯(lián)互通或者國際關(guān)口局節(jié)點，用于和其他國內(nèi)和海外運營商聯(lián)的場景。

3.3.2業(yè)務(wù)模型構(gòu)建

根據(jù)IP路由器所處的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境和其承擔(dān)的功能角色，我們基本可以模擬出運營網(wǎng)絡(luò)中路由器所承載的業(yè)務(wù)類型及其策略需求。實驗室可以分三步構(gòu)建路由器的業(yè)務(wù)模型：

圖4　IP路由器網(wǎng)絡(luò)模型

（1）直連業(yè)務(wù)流仿真

測試儀表與被測路由器的部分端口采用背靠背連接方式，仿真經(jīng)過路由器的穿透流量。考慮測試涵蓋范圍的普適性，路由器的每種業(yè)務(wù)板卡至少用2塊跟測試儀表連接，用Backbone的方式跨板跨框打入測試流。流量由IPv4、MPLS、IPv6混合組成，混合比例為45%:30%:20%，使直連業(yè)務(wù)端口的總業(yè)務(wù)壓力為95%。這些流量由被測路由器按路由或標(biāo)簽正常轉(zhuǎn)發(fā)到另一端的測試儀端口，不在被測路由器內(nèi)部繞行。

（2）構(gòu)建蛇形流量

在蛇形流的三種構(gòu)建方式中，為了盡量保證業(yè)務(wù)策略的有效加載，建議采用虛擬路由器的方式。借助VRF和光纖回路，對路由器的每種物理端口類型，用測試儀表的一對物理端口產(chǎn)生的流量在被測設(shè)備的多個端口（跟測試儀直連的端口除外）之間逐個穿透，最終讓路由器上沒有跟儀表直連的所有端口都被加載雙向99%的測試流。流量采用80%：19%的IPv4/IPv6混合業(yè)務(wù)流。

（3）組播業(yè)務(wù)仿真

模擬組播源，用測試儀表的多個端口模擬組播源，發(fā)送占儀表端口容量20%的組播流量；每種端口類型使用4個組播源，共模擬400個IPv4+200個IPv6組播組。所有跟儀表直連的業(yè)務(wù)端口仿真組播用戶，同時接收所有的組播組；此時這些直連端口的接收方向負(fù)載超過100%，出現(xiàn)擁塞。

（4）QoS和業(yè)務(wù)策略仿真

在直連業(yè)務(wù)端口的入方向配置流分類和流標(biāo)記，在出方向配置8個QoS隊列及相應(yīng)調(diào)度的策略和丟包策略（WRR中各隊列的權(quán)重參數(shù)，和WRED的WRED最小閾值、最大閾值、丟包概率等參數(shù)可自由設(shè)置，以實現(xiàn)各隊列按優(yōu)先級差異丟包）。優(yōu)先保證MPLS和組播業(yè)務(wù)，在各直連端口可檢查各隊列的帶寬和時延保證是否符合預(yù)期。

加載訪問控制策略，按入方向各3600個ACL/物理端口，其中3000條匹配IPv4流量，600條匹配IPv6流量，在所有端口(包括業(yè)務(wù)端口和蛇形流端口)疊加訪問控制策略。接著加載安全策略，在被測試設(shè)備的所有端口啟用IPv4和IPv6的嚴(yán)格URPF功能。檢查此時各類業(yè)務(wù)流是否有丟包、時延、亂序。然后在所有端口(包括業(yè)務(wù)端口和蛇形流端口)上開啟流量采樣功能，使用v9版本，按照1000：1的采樣比，采集端口入方向的所有數(shù)據(jù)包（包括V4、MPLS、V6、組播入出接口 ），并通過管理口將采集信息傳送給采集分析服務(wù)器。最后隨機選取任意一個10GE的業(yè)務(wù)仿真端口進行端口雙向的線速鏡像，再選取一個100GE的端口進行入向10%的限速鏡像，通過抓包觀察鏡像結(jié)果，觀察業(yè)務(wù)仿真結(jié)果。

3.3.3路由模型構(gòu)建

運營網(wǎng)絡(luò)的IP路由器不僅承載了高負(fù)荷的流量轉(zhuǎn)發(fā)壓力，同時也承擔(dān)著大量的路由信息存儲和計算的壓力；通常路由器要同時負(fù)責(zé)域內(nèi)IGP和域間BGP路由信息的通告、計算和優(yōu)化。在進行路由器容量測試時，設(shè)備也應(yīng)該同時加載相應(yīng)的路由壓力。

（1）域內(nèi)路由

域內(nèi)路由仿真：當(dāng)前的主流域內(nèi)路由協(xié)議是ISIS，路由器需要實時維護全網(wǎng)的節(jié)點拓?fù)湫畔?。我們仿真最典型的層次化路由網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洌瑢⒛M拓?fù)浞趾诵?、匯接、邊緣三層構(gòu)建。核心層采用全full-mesh結(jié)構(gòu)，匯接、邊緣采用雙歸鏈路上聯(lián)結(jié)構(gòu)；拓?fù)渲械穆酚删W(wǎng)段先取節(jié)點互連鏈路所在子網(wǎng)，不夠的從邊緣層節(jié)點補充子網(wǎng)路由；最終根據(jù)節(jié)點數(shù)量、路由子網(wǎng)數(shù)量、各層節(jié)點比例生成一個層次化仿真拓?fù)?。考慮目前最大的IGP路由網(wǎng)絡(luò)和路由表的增長趨勢，我們用測試儀加載這樣的仿真信息：包含2000個IPv4路由節(jié)點、20000條IPv4路由條目，和500個IPv6路由節(jié)點、3000條ISISv6路由的大型拓?fù)?；同時借助子端口建立數(shù)百個直連路由鄰居以仿真路信息交換過程。

圖5　域內(nèi)路由仿真模型

（2）域間路由

測試儀同時向被測路由器建立多個EBGP和IBGP鄰居，并通告一張仿真Internet路由表。我們主要從路由前綴、子網(wǎng)掩碼和as path三個方面來仿真現(xiàn)網(wǎng)路由表，設(shè)置路由條目數(shù)、通告路由網(wǎng)段地址范圍、路由前綴長度分布比例、嵌套路由網(wǎng)段地址范圍、嵌套路由比例、AS Path取值范圍、AS Path長度取值范圍等相關(guān)參數(shù)；根據(jù)現(xiàn)網(wǎng)路由信息的分布規(guī)律設(shè)計算法，保證生成的路由表能完全涵蓋當(dāng)前Internet網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜度。

按照骨干網(wǎng)目前的運營環(huán)境，可以將測試儀劃分8個子接口，與被測路由器建立IBGP鄰居（開啟V4/V6的負(fù)載分擔(dān)），路由器配置為這些鄰居的路由反射器，所有鄰居在一個反射簇中。每個IBGP鄰居向被測路由器宣告4萬條IBGP子網(wǎng)路由；其中每個子接口導(dǎo)入的90%路由條目相同，10%路由條目不相同。另選一個儀表端口劃分成50個子端口，與被測路由器建立50個EBGP直連鄰居，每個鄰居導(dǎo)入8萬條EBGP子網(wǎng)路由，每個子接口也是大部分條目相同。同時以其導(dǎo)入的BGP路由條目為目的地址發(fā)送測試流，以使儀表導(dǎo)入的路由信息真正下載到路由器中，仿真路由查找和計算過程。

4　結(jié)束語

轉(zhuǎn)發(fā)容量測試是IP路由器設(shè)備引入的重要評估環(huán)節(jié)，是運營商直接判斷設(shè)備是否滿足應(yīng)用要求的第一依據(jù)。本文所探索的業(yè)務(wù)仿真測試方法，為當(dāng)前的大容量IP路由器提供了一種高可信的方案，提升測試的科學(xué)性與合理性。由于互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)變化較快、設(shè)備融合功能更新快，路由器容量測試后續(xù)應(yīng)重點關(guān)注各項需求變化，不斷地完善整體技術(shù)方案。此外，還可疊加上四層仿真流量（如TCP流量），模擬真實的流量(P2P流量、HTTP流量等)注入至被測設(shè)備，更能反映出路由器的能力。

參考文獻

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DOI:10.3969/j.issn.1006-6403.2016.01.014

收稿日期：（2015-12-08）