高效測試寬帶接入網絡，保障寬帶提速
——思博倫寬帶接入網絡測試解決方案

趙雋琪王巖思博倫通信

思博倫技術專欄

高效測試寬帶接入網絡，保障寬帶提速
——思博倫寬帶接入網絡測試解決方案

趙雋琪王巖思博倫通信

編者按：2015年5月，國務院辦公廳發布“關于加快高速寬帶網絡建設推進網絡提速降費的指導意見”，中國寬帶網絡面臨著新一輪的提速和降價。由于前期多年網絡建設已經大有成就，所以此輪寬帶提速和降價起點比較高，面臨技術的更新換代，同時降低成本的壓力也比較大。思博倫通信趙雋琪和王巖的《高效測試寬帶接入網絡，保障寬帶提速》一文首先對寬帶接入性能測試面臨的調整進行了分析，然后對思博倫寬帶接入網絡測試解決方案進行了詳細研究和介紹。思博倫寬帶接入網絡測試解決方案10年來在運營商Eco-system中不斷發展、完善，已經被所有運營商幾乎所有的設備廠商采用。這些新的硬件、新的增強，能幫助整個生態鏈克服測試挑戰，保證網絡設備的服務質量，保障寬帶提速。

1　新一輪寬帶提速技術概述

2015年5月，國務院辦公廳發布“關于加快高速寬帶網絡建設推進網絡提速降費的指導意見”，中國寬帶網絡面臨著新一輪的提速和降價。由于前期多年網絡建設已經大有成就，所以此輪寬帶提速和降價起點比較高，面臨技術的更新換代，同時降低成本的壓力也比較大。此次寬帶提速在技術演進上有下列特點（見圖1）：

（1）局端設備大擴容：由于xGPON、G.Fast等新的接入線路技術的部署，OLT、DSLAM等設備的交換容量大幅提升，并促使局端設備的上聯端口進行速率升級，傳統的OLT上聯以千兆和10G為主，NGPON OLT的上聯接口以高密度10G為主，40和 100G上聯以太網接口，也已進入研發周期。由于OLT廠商多是業界領先的設備商，企業還有核心路由器、交換機等產品線，所以OLT上40和100G接口只是時間和市場問題。

（2）多種接入線路技術同時演進：接入線路正在進行一輪大的技術升級，這里包括PON從GPON到xGPON升級，xDSL線路通過G.Fast達到近千兆帶寬；無線接入上，移動通訊從3G逐漸進入4G建設周期，Wi-Fi接入在近兩年內，也會從802.11n逐步過渡到802.11ac。

（3）用戶端設備（MDU、SFU、HGU等）端口密度增加，交換容量從典型的2Gbit/s向10Gbit/s交換容量遞進，在終端市場機遇與挑戰并存。

圖1　寬帶接入網絡演進技術熱點

2　寬帶接入性能測試面臨的挑戰

性能是當前寬帶接入網絡最重要的關注點。要保證好的性能，需要良好的測試。局端設備廠商和終端設備廠商來說，面臨的測試挑戰不盡相同。

（1）局端設備

對于局端設備來說，多年來已經建立了成熟的測試床，并且開發了成熟的測試規范，目前面臨的挑戰主要是：

●當設備的端口密度和交換容量成倍增加時，在原有基礎上，如何建立有效的更大規模測試床，測試出大容量設備的可能故障點，提高測試方法的有效性，既能測試出大容量設備的性能和協議容量極限，又不降低測試的效率。

●建立新的以太網接口硬件和設備的測試能力，如高密度10、40和100G以太網。

●隨著互聯網的快速發展，寬帶接入設備上承載的應用類型變化較快，面臨的安全威脅也更大，所以需要局端設備根據現網的流量模型和安全狀況，進行有效的應用層和安全性測試，從用戶體驗和系統安全角度去評估系統。

●在增加測試床投資的同時，如何有效地控制測試成本。

（2）用戶端設備

寬帶提速對MDU、SFU、HGU（家庭網關）來說是一次量級的提升，設備廠商面臨的挑戰有：

●建立具備10Gbit/s能力的測試床。傳統的用戶端設備以10/100/1000Mbit/s為主。業界新的MDU交換容量正在達到和超過10Gbit/s，在上聯側完全超過1Gbit/s帶寬。

●Wi-Fi接入越來越普遍，需要在Wi-Fi接口上建立和固定接口以太網一致的測試系統。

●用戶端設備性能對應用層業務質量影響，對于局端設備來說更明顯。而且用戶端設備通常會開啟一些應用層模塊，如NAT、ALG等。在10Gbit/s級別交換容量上，需要進行有效的應用層測試。

●同樣存在如何控制測試成本的問題。

3　思博倫寬帶測試解決方案

思博倫通信寬帶網絡測試解決方案，從2006年起一直廣泛應用于包括中國電信、中國聯通、中國移動和廣電在內的整個寬帶接入網絡Eco-System的選型測試、研發測試和運維測試中，測試解決方案非常完善有效。解決方案包括SpirentTestcenter數據網絡測試儀產品，DLS線路仿真儀和Attero網絡損傷仿真儀。在硬件上提供從千兆到100G各種速率的以太網接口，軟件上支持L2～7測試功能。

3.1SpirentTestcenter機框和測試板卡

Spirent Testcenter提供SPT-N4U（2槽位）和SPTN11U（12槽位）兩種機框（見圖2），均可支持滿配高性能千兆到100G各類測試板卡。機框和板卡主要用于選型測試和實驗室研發測試。與寬帶接入網絡相關的主要測試板卡具體參見表1。

圖2　SpirentTestcenter N4U和N11U機框

本文重點介紹SpirentTestcenter10/1G雙速率測試卡，此系列測試卡支持4、8、12和16口型號，具有下列特性：

●每端口支持10和1G雙速率，用戶可根據需要把不同端口切換成10或1G模式。

表1　寬帶接入網絡主要測試板卡

●10G支持單模和多模SFP+光模塊和DAC。

●1G支持SFP光模塊和RJ45SFP模塊。

●支持L2～7測試。

此板卡每個端口可當作10或1G使用，在接入設備測試床中，可根據用戶需要自行設置，方便使用，降低測試床成本，性價比非常高，是寬帶接入設備測試最合適的測試板卡（見圖3）。

圖3　FX2-10G-S16 16端口10/1G雙速率測試卡

3.2Spirent Testcenter盒式機箱C1和C50

考慮到多種應用需求，如外場測試，需要儀表便于攜帶；終端設備測試，需要較少量的測試端口。SpirentTestcenter提供盒式型號C1和C50（見表2）。

3.3SpirentTestcenter測試功能

SpirentTestcenter支持下列和寬帶接入網絡相關的測試應用：

●單播/組播性能測試和QoS測試，支持RFC2544、RFC2889和RFC 3918等基準性能測試標準。其中，RFC2544支持上/下行鏈路不對稱的吞吐量、丟包率和時延測試，非常匹配寬帶接入網絡上/下行鏈路不對稱特點。

●接入協議測試（PPPoX、DHCP、IGMP/MLD、L2TP、VLAN、QinQ等），包括協議功能和協議容量測試。

●交換測試，包括生成樹協議STP、RSTP、PVST、RPVST、MSTP、鏈路聚合協議LACP等。

●路由和MPLS測試，如RIP、OSPF、ISIS、BGP、PIM-SM、PIMSSM、LDP、RSVP-TE、各種MPLS VPN等。在歐美運營商的應用中，有需求把OLT作為一個MPLS PE使用，所以路由和MPLSVPN相關協議仿真也是寬帶接入網絡局端設備的必要測試內容。

●L4～7應用層測試（防火墻測試、IDS/IPS測試、各種應用服務器測試、視頻質量測試等）。

●安全測試，從外網對設備帶內網關系統產生各種攻擊流量，驗證設備抗攻擊的能力。

3.4xDSL性能及一致性測試

xDSL產品的測試項目，都會涉及到線路噪聲模擬和環路模擬相關測試項目，思博倫通信作為業內最權威的xDSL線路仿真和噪聲發生系統生產商，其產品被國際、國內的主流終端、局端設備生產商所采用。

表2　盒式SpirentTestcenter C1和C50

如圖4所示，由于xDSL根據不同的國家和地區定義了不同的頻譜規劃，并且在線纜類型方面也存在差異，因此在xDSL測試中也根據國家和地區的不同，定義了不同的測試環路和線纜規格。

圖4　各地區頻譜規劃

xDSL測試通常遵循ITU-T/ETSI/BBF的相關測試標準，其中主要的xDSL測試噪聲文件和環路的定義都依據BBF（寬帶論壇）所發布的測試標準進行。測試標準包括TR-067/TR-100/TR-114、國標測試YD/T1996.2等。思博倫通信提供xDSL測試的完整測試系統，包含DLS-5800噪聲發生器和DLS-V2A/DLS-V2E/DLSA2PA/DLS-A2PE線路仿真系統，分別對應VDSL/ ADSL測試所對應的ETSI和ANSI環路規范要求。圖5是測試拓撲圖。

圖5　xDSL測試系統

隨著VDSL2的演進，通過使用300MHz甚至更高的頻譜，能夠在現有電話線接入方式不變的情況下，在500m接入距離內實現高達1Gbit/s的傳輸速率，這種新的調制技術就是G.fast標準。然而，更高的頻譜使用范圍也帶來新的噪聲干擾問題，如射頻噪聲、脈沖噪聲，原有xDSL技術對于30MHz以上頻譜的噪聲干擾并不會產生影響，而G.fast技術在30MHz以上頻段也會受到干擾，并導致數據傳輸性能的下降。因此，G.fast產品的噪聲測試較其他DSL技術來看顯得更為重要，如果在噪聲干擾下數據性能下降的程度與VDSL相近，則運營商無需更換原有VDSL系統，因此進行全面的噪聲及性能測試是決定G.fast產品是否能夠替代VDSL系統的關鍵。

思博倫通信提供的DLS-5900G.Fast噪聲測試系統，可以實現最高的300MHz頻率的噪聲注入，產品提供了4個噪聲通道，能夠獨立或者同時輸出所需加載的噪聲。DLS-5900隨機附帶噪聲編輯軟件，能夠允許用戶制作測試所需的射頻、脈沖噪聲、高斯白噪聲等噪聲類型。

思博倫通信DLS線路測試系統，由噪聲發生器和線路仿真儀兩部分組成，提供xDSL線路仿真，表3是系統的主要組成和功能。

3.5網絡損傷仿真解決方案

Attero是思博倫公司在損傷仿真領域最新的產品，支持雙向100%全線速流量下的現網損傷模型精確加載仿真（見圖6）?；赪indows平臺的客戶端軟件可以實時配置損傷模型參數而無需停止測試流量，能夠仿真丟包、延時、包抖動、包復制、包錯誤、帶寬限制等網絡損傷模型。在丟包和時延分布模型方面，Attero損傷仿真儀除了能夠支持泊松、高斯、伽馬、均勻分布模型外，還可以通過“自定義”方式，任意設置丟包序列，因此能夠在時延和丟包敏感業務的測試方面具有更深入的測試能力。在寬帶接入網絡測試中，Attero網絡損傷儀通過網絡仿真，可以輔助SpirentTestcenter對寬帶網絡在各種網絡條件下的應用質量和用戶體驗進行評估。Attero和SpirentTestCenter測試儀結合，獲取網絡質量模型，記錄的時間精度可達1ms，最長記錄一周的網絡質量變化情況可以將記錄的網絡質量模型文件，用于實驗室環境下進行“播放”從而實現現網質量的模擬和還原。

表3　DLS系統的主要組成和功能

圖6　Attero網絡損傷儀

Attero儀表具有廣泛的適用性，在實驗室環境下，可以模擬不同接口及網絡連接環境下的損傷特性，同時支持動態的損傷模型加載，以模擬一個網絡在不同時間下的質量動態變化特性。

損傷仿真儀提供兩種產品規格，分別對應于千兆測試環境的Attero和萬兆+千兆以太網測試環境的Attero-X，兩款測試儀表的功能比較參見表4。

4　寬帶接入典型測試場景

4.1性能和穩定性測試

性能和穩定性是寬帶網絡最基本的要求，主要體現在以下方面：

●吞吐量和丟包率所代表的轉發能力是網絡設備最基本的要求。

●時延、抖動、亂序：在互聯網和互聯網+時代，寬帶接入系統上承載的應用業務，業務質量對這些L2～3性能指標有較高要求。例如，股票交易、智能家電等應用對于時延要求高；而互聯網視頻、互聯網音樂、互聯網電話等，對抖動和亂序指標要求較高。

●流量和協議捆綁性能：在寬帶接入網絡中，用戶通常通過PPPoE、DHCP等手段接入網絡，設備會根據業務配置為流量打上不同的VLAN或者QinQ，進行VLAN1：1或者n：1轉換。流量都需要經過協議封裝和解封裝，組播流量需要跨VLAN、跨用戶復制。協議平面上的業務性能，是寬帶接入網絡關注內容之一。

●QoS：每個用戶的SLA是否可滿足；發生擁塞時，高優先級流量質量是否有保證。

●穩定性：大量用戶同時上線時，系統能否保持穩定，及時處理上線要求；大量PPPoE用戶在振蕩時，系統能否保持穩定。

（1）測試床疊加

寬帶接入網絡基本測試床拓撲參見圖7。為了評估一個寬帶接入系統在運營網絡中真實的性能和穩定性，在建立測試床時，我們認為應該給被測系統疊加超過現網正常運營負載的測試負載，讓被測系統的所有部件都能夠工作起來，才能在測試中發現系統潛在的問題。因此，SpirentTestcenter向被測系統至少應該疊加下列負載：

●根據不同終端的類型滿配PPPoE和IPoE接入用戶。

表4　Attero網絡損傷仿真儀主要型號和功能

圖7　寬帶接入網絡基本測試床拓撲

●PPPoE和IPoE接入協議上的綁定雙向單播業務流量。

●寬帶接入系統按照業務類型配置1：1或者N：1進行VLAN轉換或者VLAN匯聚，并按業務要求配置QinQ封裝，分別轉發到不同的邊緣設備。

●疊加組播業務，進行跨VLAN復制。

●測試中疊加復雜協議行為，如批量PPPoE和IPoE用戶的上/下線行為（振蕩），組播用戶頻道切換。

●對帶內網關疊加DDoS攻擊，觀察設備防護能力和穩定性。

●加載必要的DSL線路仿真和線路噪聲。

（2）流量發生和分析

SpirentTestcenter板卡測試端口密度高，少量的測試卡就可以完成一個1：32系統或者1：64系統的系統測試。特別是FX2-10G-Sy系列卡，每個端口都可作為1G或者10G用，測試床搭建非常靈活。一個端口下，SpirentTestcenter可產生RR、WRR、優先級和用戶自定義調度的流量，構造各種現網流量模型。

在統計上，SpirentTestcenter為每條測試流提供豐富的實時統計量，統計準確，且符合標準定義，能準確分析數據業務和實時業務的質量，簡化問題定位。

●收發包總數和速率，涵蓋L1層統計和以太網/ IP/L4層統計。

●支持MEF10/RFC3393/RFC4689抖動統計。

●支持MEF10/RFC4737高級順序性統計，提供實時的丟包、重復、亂序、順序和遲到統計。

●支持1s實時時延和抖動變化統計。

●支持時延分布和抖動分布統計。實時時延/抖動統計和時延/抖動分布統計，長時間測試中業務轉發是否一直穩定，能夠反映很多被最大/最小/平均統計量掩蓋的問題。

（3）性能和穩定性測試套件

為了公正有效地評估通信設備的性能，業界長期以來形成了一系列基準性能測試標準，應用于研發和比對測試。SpirentTestcenter上支持大量的基準性能測試自動化套件，自動執行標準化測試，并生成符合標準的測試報告。與寬帶接入網絡相關的套件包括：

●RFC2544吞吐量、丟包率、時延和背靠背緩沖能力基準性能測試。

●非對稱RFC2544測試套件，符合寬帶接入網絡上下行鏈路不對稱的特點。

●RFC5160IPv6基準性能測試。

●RFC2889二層交換設備基準性能測試。

●RFC3918組播基準性能測試。

●IPTV測試套件，測試組播頻道切換，直觀衡量IPTV用戶的體驗。

●接入穩定性測試套件，模擬接入協議（DHCP、PPPoX）振蕩模型，觀察接入系統在異常情況下的長期穩定性。

4.2Wi-Fi測試

萬物互聯時代Wi-Fi是主要的接入手段，甚至超過了Cable接入。用戶端設備基本都具備Wi-Fi接口，特別是SFU和HGU。過去由于缺乏具備和Cable以太網接口測試儀同等能力的Wi-Fi接口測試儀，無法對Wi-Fi通路上業務的傳輸性能、傳輸質量和各種應用的用戶體驗進行評估。SpirentTestcenterWi-Fi接口卡，是市場上第一款具備L2～7全測試能力的Wi-Fi測試儀表，所有在Cable以太網接口上完成的測試，都可以在Wi-Fi接口上完成。由于Wi-Fi接口相對鏈路質量和穩定性都較差，所以在Wi-Fi接口上，進行性能和應用質量測試更加有必要。SpirentTestcenterWi-Fi測試端口支持802.11a/b/g/n和802.11AC，一個端口可以仿真數百種不同制式的終端。Wi-Fi設備測試拓撲參見圖8。

圖8　Wi-Fi設備測試拓撲圖

4.3應用層真實業務模型測試

SFU、HGU等設備，通常包含了應用層的能力，單純的L2～3測試，無法觸發NAT表項處理，ALG等L4～7組件，而在現網中，這些組件都是使能的。在局端設備上，隊列門限設置是否合理，負載均衡算法是否合理，關鍵信令/TCP協議消息傳輸優化是否有效，需要應用層業務來驗證。因此，除了傳統的L2～3吞吐量、丟包率、時延等性能和協議測試外，還應該包括以下應用層測試功能：

●在開啟NAT情況下的性能指標，包括并發連接數、每秒新建連接數、有效帶寬等。

●ALG（應用層網關）性能，開啟NAT后，SIP、RTSP等協議需要開啟應用層網關，用于應用層協議的地址轉換。對ALG網關開啟以后，各種應用層業務的性能需要評估。

●視頻質量評估，互聯網時代，用戶對互聯網視頻的要求越來越高，需要從用戶體驗角度對傳輸視頻質量進行評估。目前，市場認可的評分標準主要是MDI標準和TVQM評分體系。結合Spirent Testcenter和Attero網絡損傷儀的組合測試方案，用Attero網絡損傷儀來仿真網絡中的時延、抖動、亂序的負面條件，觀察整個系統對應用的容錯和容損傷能力。

●真實應用層混合業務的傳輸性能。在現網中，由于應用的豐富和帶寬的增加，用戶的應用多樣化，用戶端設備承載的應用層混合業務，業務的比例隨時間的變化而變化。未經充分測試的用戶端設備，在承載多業務的時候，可能會出現不同的故障，這就需要對設備進行真實網絡中的混合業務模型測試。

SpirentTestcenterL4～7測試應用，可以進行真實的應用層業務的仿真。連接局端設備的測試端口，仿真VOD、VoIP核心網、文件服務器、BT網絡端、Web服務器等各種類型的服務器，連接用戶端的測試端口，則仿真各種應用客戶端，通過仿真客戶端和服務器之間的交互，產生有狀態的真實應用層業務，對設備的各種功能和性能進行評估。

SpirentTestcenterL4～7測試應用，集成RFC3511防火墻基準性能測試，作為最基本的應用層設備性能測試標準，評估指標包括：吞吐量/時延；最大并發TCP連接數，最大每秒新建/拆除TCP連接數，HTTP每秒事務處理數；應用業務有效帶寬；DDoS攻擊攔擊性能；非法流量處理能力；分片流量處理能力。

SpirentTestcenter支持豐富的應用層協議，并為每種業務提供針對性的統計指標：

●數據相關協議，包括HTTP、FTP、Telnet、DNS、郵件、文件系統訪問（CIFS、NFS）等。

●視頻相關協議，包括QuickTimeRTSP/RTP、Real Networks RTSP/RTP、MMS、組播VOD、直播、RTMP、HTTPABR等，支持多種視頻編碼格式。

●語音相關協議：SIP及各種語音編碼方式。

●用戶接入協議：PPPoE、DHCP、IPSEC、GRE、VLAN、QinQ。

●網絡攻擊。

通過高級抓包回放（SAPEE）功能，Spirent Testcenter可以支持任意基于TCP或者UDP的私有協議仿真，這其中包括很多私有定義，市場影響很廣的Internent應用，如BT、QQ、迅雷、MSN、Skype、電騾、微信、在線游戲等。

SpirentTestcenter能夠把各種應用層協議按比例混合，混合比例可隨時間變化，產生和現網流量模型一致的真實應用層流量模型，對寬帶接入設備進行真實性測試。大量實測表明，這種流量模型能測試出大量單一協議測試無法測出的問題，對SFU和HGU設備產生很大的壓力。圖9是一個混合流量模型測試示例。

圖9　應用層混合業務模型測試示例

5　寬帶接入典型測試場景

新一輪寬帶提速大潮中，設備廠家的測試新需求有多方面，包括測試床擴容、新的以太網測試端口和Wi-Fi測試端口引入、有效的L2～7測試方法學、克服測試投資和降資費的矛盾。SpirentTestcenter和DLS線路仿真儀，Attero網絡仿真儀組成的系統，提供了包括硬件、軟件、測試方法學在內的完整解決方案，能滿足上述所有測試需求。思博倫寬帶接入網絡測試解決方案10年來在運營商Eco-system中不斷發展、完善，已經被所有運營商幾乎所有的設備廠商采用。這些新的硬件、增強，能幫助整個生態鏈克服測試挑戰，保證網絡設備的服務質量，保障寬帶提速。