IP網(wǎng)絡(luò)性能測試綜述

戚曉晶 胡曉宇

（91550部隊(duì)，遼寧 大連 116023）

引言

性能測試是IP網(wǎng)絡(luò)建設(shè)和維護(hù)過程中的重要環(huán)節(jié)，通過測試能獲得網(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)測手段。網(wǎng)絡(luò)測試主要包括網(wǎng)絡(luò)性能測試和網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用測試等方面。在IP網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行中最令人關(guān)心的是網(wǎng)絡(luò)性能測試。

1 IP網(wǎng)絡(luò)性能衡量指標(biāo)

根據(jù)中國通信標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會已完成的《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)主要包括時延、丟包率、抖動、誤差率、帶寬、吞吐量等。

1.1 時延

網(wǎng)絡(luò)時延是指數(shù)據(jù)分組在網(wǎng)絡(luò)中傳輸?shù)难舆t時間，包括單向時延和往返時延。單向時延指穿過一個或多個網(wǎng)絡(luò)段，傳送IP包所經(jīng)歷的時間。往返時延指從網(wǎng)絡(luò)的一端發(fā)送一個消息到另一端，然后該消息再返回到發(fā)送端所需要的時間。網(wǎng)絡(luò)時延主要由鏈路傳輸時延、節(jié)點(diǎn)處理時延與排隊(duì)時延造成。

1.2 丟包率

丟包率指在一定的時段網(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)確地說是與每段路由的網(wǎng)絡(luò)擁塞程度有關(guān)。無擁塞時路徑丟包率為0%，輕度擁塞時丟包率為1%-4%，嚴(yán)重?fù)砣麜r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

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

1.4 誤差率

誤差率是指同一個包兩次接收或分組的次序顛倒等而引起的錯誤與總的分組發(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。對于測量而言，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)定時間、空間及網(wǎng)絡(luò)路徑的前提下，傳輸數(shù)據(jù)時實(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)性能測試手段

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

2.1 軟件測試。首先，操作系統(tǒng)自帶一些測試命令可以實(shí)現(xiàn)時延、丟包率等簡單參數(shù)的測試，如ping，命令。其次，有些免費(fèi)通用的小型測試軟件可供下載使用，如丟包率測試軟件ATKKPING。用戶也可以自行開發(fā)一些測試軟件，但是需要第三方的檢測和相關(guān)部門的認(rèn)證。網(wǎng)絡(luò)性能測試軟件逐步發(fā)展為由監(jiān)測服務(wù)器、被測實(shí)體和被測網(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)對網(wǎng)絡(luò)和設(shè)備的性能監(jiān)測和管理。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)測網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行性能，及時發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)上可能存在的問題，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 硬件測試。硬件測試也就是利用專門的儀器進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)性能測試，如Fluke網(wǎng)絡(luò)公司生產(chǎn)的MetroScope協(xié)議分析儀，國內(nèi)也有一些公司能生產(chǎn)網(wǎng)絡(luò)測試儀器，不過知名度和使用率上都不如國外大公司的產(chǎn)品。這些專門的儀器可以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)單個或者多個性能的測試，如測試其吞吐量、延時、丟包率、抖動等參數(shù)。一般測試儀器功能強(qiáng)大，且接口豐富，便于大型測試和配合軟件測試。

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

3 IP網(wǎng)絡(luò)性能測試方法

網(wǎng)絡(luò)性能測試按是否向網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部注入探測包，分為主動測試和被動測試。主動測試是通過向網(wǎng)絡(luò)注入探測包，判斷應(yīng)用從網(wǎng)絡(luò)獲得服務(wù)的能力。被動測試是用儀表監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)，通過分析采集到的數(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)行的測試。在實(shí)際應(yīng)用中一般采用主動測試技術(shù)。另外，網(wǎng)絡(luò)測試按照測試所處的位置可分為單點(diǎn)測量與多點(diǎn)測量，按照測試層面的不同分為應(yīng)用層測試和網(wǎng)絡(luò)層測試等。

3.1 時延測試。時延的測試步驟是：選擇源和目的IP地址并以此生成一個測試分組；目的主機(jī)處接收并響應(yīng)測試分組；在源主機(jī)處，記下開始時間戳，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相應(yīng)的響應(yīng)分組到源端；如果響應(yīng)分組在一個合理的時期內(nèi)到達(dá)，在接收測試分組時盡快記下一個結(jié)束時間戳，通過這兩個時間戳的相減就可以計(jì)算出環(huán)路時延值；如果分組不能在一個合理的時期內(nèi)到達(dá)，則認(rèn)為單向時延值不確定。

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

3.3 吞吐量測試

吞吐量測試是檢測每秒鐘傳輸數(shù)據(jù)的字節(jié)數(shù)和數(shù)據(jù)包數(shù)。典型的吞吐量測試是從一個網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，以指定的速率和時間間隔向另外一個網(wǎng)絡(luò)設(shè)備發(fā)送流量，接收設(shè)備統(tǒng)計(jì)在此時間間隔內(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/時間，測試通過改變幀長度，重復(fù)以上測試得到不同速率下的測試結(jié)果。吞吐量測試是一個雙端的測試，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)測試設(shè)備發(fā)送流量，遠(yuǎn)端測試設(shè)備接收并測量結(jié)果。由于采取主動測量的方法，會在網(wǎng)絡(luò)中引入較多的測量流量，將對網(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)吞吐量測試時通常都采用比較小的時問間隔，多次采樣測試，并繪制成吞吐量的歷史趨勢圖。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，最好在不同時間分別進(jìn)行測試，只有這樣才能對網(wǎng)絡(luò)吞吐量進(jìn)行全面認(rèn)識。

3.4 網(wǎng)絡(luò)帶寬測試

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

結(jié)束語

本文對IP網(wǎng)絡(luò)性能測試的重點(diǎn)指標(biāo)進(jìn)行了介紹，探討了時延、吞吐量等關(guān)鍵指標(biāo)的測試機(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，有許多測試 工作要做，如網(wǎng)絡(luò)安全性測試、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備穩(wěn)定性測試、網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用測試等，測試指標(biāo)的確定也是一個逐步完善的過程，而測試技術(shù)也在不斷發(fā)展，測試體系的建立更是一個系統(tǒng)工程，需要更多的技術(shù)人員投入研究，以實(shí)現(xiàn)對網(wǎng)絡(luò)的定量評估、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。

[1]林芳，馮玉珉.IP 網(wǎng)絡(luò)分組時延的測量[J].通信前沿.2005(3).

[2]趙鋒.IP 網(wǎng)絡(luò)測試技術(shù)[J].電信網(wǎng)技術(shù).2009(1).

[3]謝希仁,鳴,張興元.計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)[M].電子工業(yè)出版社,2003.

[4]楊義先,鈕心忻,李名選.網(wǎng)絡(luò)信息安全與保密[M].北京人民郵電出版社,2001.