基于RaspberryPi的網(wǎng)絡(luò)損傷仿真儀設(shè)計(jì)

張瀟男 張軒

關(guān)鍵詞：樹莓派;便攜;廉價(jià);網(wǎng)絡(luò)模擬;性能

0 引言

網(wǎng)絡(luò)損傷儀可模擬高延時(shí)、丟包、亂序及重包等異常網(wǎng)絡(luò)場景，在網(wǎng)絡(luò)工程中使用頗為廣泛。目前業(yè)界比較知名的網(wǎng)絡(luò)損傷儀仿真設(shè)備主要有福祿克的HoloWAN 和思博倫的Attero-x 等設(shè)備，此類設(shè)備價(jià)格較為昂貴并且體積較大，不便于攜帶。Raspberry Pi 開發(fā)板具有體積小、價(jià)格低等優(yōu)點(diǎn)，在工程中較為實(shí)用，但因?yàn)樗鼉r(jià)格低、體積小也注定了硬件性能是絕不能與昂貴的高端網(wǎng)絡(luò)損傷仿真儀相提并論。通過闡述Raspberry Pi 網(wǎng)絡(luò)損傷儀的制作過程并對(duì)其吞吐量、時(shí)延、抖動(dòng)和丟包率的準(zhǔn)確度進(jìn)行測試分析，從而了解其實(shí)際性能，為其在網(wǎng)絡(luò)試驗(yàn)中的應(yīng)用提供參考依據(jù)。

1基于樹莓派的網(wǎng)絡(luò)損傷儀

1.1 Raspberry Pi

Raspberry Pi 是一款基于ARM 平臺(tái)的單板計(jì)算機(jī)，兼容Linux發(fā)行版操作系統(tǒng)。Linux內(nèi)存開銷低，可在沒有內(nèi)置永久存儲(chǔ)的Raspberry Pi上運(yùn)行功能齊全的OS，而且Linux 通常是免費(fèi)的。Raspberry Pi硬件主體類似筆記本電腦中的主板，沒有外殼且體積要比常見的各種主板小的多，只有信用卡大小。但Raspberry Pi作為可編程的小型計(jì)算機(jī)，可以將其制作成網(wǎng)絡(luò)損傷儀。

1.2 TC&netem

Netem 是Linux2.6 及以上內(nèi)核版本提供的網(wǎng)絡(luò)模擬功能模塊，可以模擬復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)情況，例如丟包、延時(shí)、亂序和重包。而TC（Traffic Control）是Linux系統(tǒng)中用來控制Netem 的工具，所以想要完成網(wǎng)絡(luò)環(huán)境模擬二者缺一不可。

1.3 Aspberry Pi的主要硬件配置

截止目前樹莓派已經(jīng)發(fā)展了4代產(chǎn)品，本文使用樹莓派第3代設(shè)備進(jìn)行設(shè)計(jì)與測試。第3代設(shè)備分為2種型號(hào)：A型和B型，它們唯一的區(qū)別是在B 型上增加了以太網(wǎng)端口和額外的USB端口。本次選擇的設(shè)備為第3 代樹莓派的3 ModelB+（Raspberry Pi 3 B+型），詳細(xì)配置如表1所示。

1.4 Aspberry Pi的軟件配置

本次模擬器采用樹莓派自制系統(tǒng)Raspbian 10 buster（Raspbian OS），Raspbian OS 基于Debain 開發(fā)，Linux Kernel 版本為Armv7l Linux 4.19.75-v7+，系統(tǒng)版本直接包含TC&netem模塊。若不采用Raspbian OS系統(tǒng)，也可在樹莓派官網(wǎng)下載適用于Raspberry Pi 的Debain、ubantu 等基于Linux 內(nèi)核開發(fā)的系統(tǒng)進(jìn)行使用，若內(nèi)核版本在2.6 以下，也可手動(dòng)安裝TC&netem軟件。

2 網(wǎng)絡(luò)損傷仿真儀

2.1網(wǎng)絡(luò)損傷仿真儀的組成

網(wǎng)絡(luò)損傷仿真儀主要由Aspberry Pi 主機(jī)、TF 存儲(chǔ)卡（燒錄系統(tǒng)使用）、顯示屏與USB外置網(wǎng)卡組成。網(wǎng)絡(luò)損傷仿真儀至少需要2個(gè)網(wǎng)絡(luò)端口來完成2 個(gè)設(shè)備間的連接，類似于一條隧道的入口兩端，網(wǎng)絡(luò)仿真儀連接示意圖如圖1所示。

由于Aspberry Pi 僅帶一個(gè)RJ45 網(wǎng)口，所以需要增配一個(gè)外置USB 網(wǎng)卡作為補(bǔ)充。本次增加百兆TP-LINK UG310免驅(qū)外置USB3.0 網(wǎng)卡作為另一個(gè)RJ45 網(wǎng)口，設(shè)備組成如圖2 所示。

2.2 配置操作

在樹莓派官方網(wǎng)站中下載Aspberry Pi 的Raspbian OS 系統(tǒng)，并使用Win32 Disk Imager 軟件將系統(tǒng)燒錄在TF 存儲(chǔ)卡中，完成燒錄后此存儲(chǔ)卡就成為樹莓派的外存儲(chǔ)器，類似PC的硬盤。

要使網(wǎng)絡(luò)損傷仿真儀串接測試網(wǎng)元不更改測試網(wǎng)元的任何配置，就需要讓組成圖中的ETH0 與ETH1 口完成二層數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)。在Raspbian OS操作系統(tǒng)中，網(wǎng)絡(luò)接口卡是三層轉(zhuǎn)發(fā)，若要實(shí)現(xiàn)樹莓派實(shí)現(xiàn)二層數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)就需要使用虛擬網(wǎng)橋的方式來完成。

裝網(wǎng)橋擴(kuò)展包：

apt-get install bridge-utils

安裝完成后創(chuàng)建虛擬網(wǎng)橋“bridge _L2”：

sudo brctl addbr bridge _L2

在bridge _L2中加入eth0 eth1端口：

sudo brctl addif bridge _L2 eth0

sudo brctl addif bridge _L2 eth1

啟動(dòng)網(wǎng)橋“bridge _L2”：

ifconfig bridge _L2 up

虛擬網(wǎng)橋配置確認(rèn)：

sudo brctl show

出現(xiàn)“bridge _L2”后表示橋接成功。網(wǎng)絡(luò)損傷仿真儀配置完成。

3性能測試

3.1 測試環(huán)境

性能測試使用SPIRENT SPT N4U（4.58.7606）測試儀對(duì)Aspberry Pi進(jìn)行包括吞吐量、時(shí)延、抖動(dòng)和丟包率的測試，測試連接方式如圖3 所示。

3.2 性能測試

吞吐量測試時(shí)分別設(shè)置測試儀器采用64 Byte，128 Byte，256 Byte，512 Byte，1 024 Byte，1 518 Byte大小的數(shù)據(jù)報(bào)文進(jìn)行雙向吞吐量測試，測試結(jié)果如表2所示。

延時(shí)測試時(shí)測試儀器采用任意字節(jié)數(shù)據(jù)包，雙向2 Mbit測試，Raspbian設(shè)置

sudo tc qdisc add dev eth0 root netem delay 100 ms

sudo tc qdisc add dev eth0 root netem delay 100 ms

命令將ETH0 與ETH1 網(wǎng)卡分別設(shè)置100 ms模擬雙向時(shí)延，無抖動(dòng)，如表3 所示。

抖動(dòng)測試時(shí)測試儀器采用任意字節(jié)數(shù)據(jù)包，雙向2 Mbit進(jìn)行測試，Raspbian設(shè)置

sudo tc qdisc add dev eth0 root netem delay 100 ms 10ms

sudo tc qdisc add dev eth0 root netem delay 100 ms 10ms

命令將ETH0 與ETH1 網(wǎng)卡分別設(shè)置100 ms模擬雙向時(shí)延10 ms抖動(dòng)，無抖動(dòng)，如表4 所示。

丟包率測試時(shí)測試儀器采用任意字節(jié)數(shù)據(jù)包，雙向2 Mbit進(jìn)行測試，Raspbian設(shè)置

sudo tc qdisc add dev eth0 root netem loss 10%

sudo tc qdisc add dev eth1 root netem loss 10%

命令將ETH0 網(wǎng)卡設(shè)置丟包率10%，模擬丟包，丟包率測試記錄如表5所示。

3.3測試結(jié)論

通過測試結(jié)果可知，基于Aspberry Pi的網(wǎng)絡(luò)損傷仿真儀器的轉(zhuǎn)發(fā)性能受硬件限制，傳輸大包最高只能達(dá)到90 Mbit/s，在模擬延時(shí)與抖動(dòng)的精度方面可很好地控制在微秒量級(jí)，丟包率測試的精度也可控制在5‰以內(nèi)。對(duì)于仿真一些低帶寬、高延時(shí)有丟包的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境時(shí)，可精確模擬出理想的網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)。

4 結(jié)束語

通過設(shè)計(jì)并測試基于Aspberry Pi 的網(wǎng)絡(luò)損傷仿真儀，可了解到這個(gè)既便宜又便捷的小開發(fā)板中蘊(yùn)含著巨大的能力。從功能性能上看此網(wǎng)絡(luò)損傷仿真儀完全可仿真諸如衛(wèi)通、E1線路等低帶寬環(huán)境下的延時(shí)與抖動(dòng)、丟包。工程人員可隨身攜帶該設(shè)備，進(jìn)行一些簡單的語音、視頻等實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)的測試。