IP网络端到端测试方法先容

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摘要

先容了IP网络端到端测试方法和步骤，详细说明了2~3层基准性能、收敛时间、4~7层QoE和网络分布式测试的具体实现，对网络测试QoE指标进行了描述，最后对IXIA在IP网络测试方面的特点和优势进行了总结。

1 引言

1.1 新业务对IP网络的基本要求

宽带网络近几年迅速发展，用户数量成倍增加。NGN，3G，IPTV，FMC，IMS等新技术、新业务的兴起，使IP网络上承载越来越多的业务成为发展趋势。通常大家将这些业务划分为数据、语音和视频三大类并称为三重播放（Triple Play）。这些业务对IP网络的基本要求包括：

（1）数据业务：非实时、突发性的业务，对时延、抖动要求低，但要求差错率低。

（2）语音业务：时延和时延抖动小、丢包率小。

（3）视频业务：高带宽、传输时延和时延抖动小。

另外不可忽视的是，网络游戏、P2P文件下载和流媒体、即时聊天和网络病毒及恶意攻击在吞食网络带宽、影响网络安全的同时也在影响正常业务的服务质量。所以，企业和运营商所建设IP网络的性能、安全性、各种业务的管理与控制和业务承载能力是要考虑的重点。

1.2通过整个IP承载网进行测试可以达到的目标

网络测试可以为上述要求提供可靠保证。首先，网络测试能够为被测网络提供一个客观的量化指标，帮助企业和运营商进行网络评估验收；其次，网络测试还能够提供未来网络规划和业务开展的依据。通过对整个IP承载网进行测试，可以达到下面的目标：

（1）明确网络建设和设计规模是否和前期规划一致，业务承载能力是否达到预期的目标。

（2）验证网络设计的合理性。

（3）明确各种业务运行在上述网络上是否有相应的服务质量。

（4）验证设备长时间运行业务运行的可靠性。

（5）某个网络设备出现故障，能够切换到备份设备上所需的时间。

（6）当某种业务出现问题时，快速判断可能的故障点。

为了实现上述目标，IP承载网测试主要考虑下面技术点和遵守下面的原则：

（1）网络2~3层基准性能测试：测试指标包括网络的转发能力、延时、丢包率、抖动和收敛时间等。

（2）网络4~7层业务承载能力测试：建设IP承载网的主要目的是可以在上面平稳地运行各种用户需要的业务（如HTTP，FTP，E-mail，Voice，Video等业务的支撑情况），这些业务是评估IP承载网性能的重要组成部分。IP承载网对业务测试的主要评价指标包括：

●HTTP：每条路由都有HTTP GET访问请求，系统能够处理并发连接数的数量，以及系统能够处理连接数的速率。

●FTP：每条路由上传和/或下载文件的最大有效吞吐量（Goodput）。

●E-mail (POP3，SMTP，IMAP)：主要评估网络和系统能够处理邮件的速率（每秒钟发送或接收邮件的数量、发送或接收附件的数量等）。

●Voice：每条路由上IP电话呼叫的语音质量（MOS）。

●Video：每条路由上VOD视频点播的视频质量（MDI，MOS_V）。

（3）用户接入点多，并且比较分散，需要同时进行多接入点的测试才能够评估整个网络的性能。

（4）不同时间网络的流量和业务类型也有所不同，需要在不同时间测试。

（5）网络中存在的P2P流量，网络聊天IRC业务，网络游戏E-Gaming或者某些特定业务需要进行有效地控制和管理。

（6）网络对异常流量、非法流量和攻击流量的防范能力。

通过上述测试，可以对网络的性能、安全性、业务管理控制能力和业务承载能力做到心中有数，但这也就要求测试仪表具有多种业务仿真的能力，能够同时实行2~7层复杂的测试，能够产生测试所需要的正常流量、业务、攻击和其他所需要的异常流量等。

因为大型企业网络和运营商网络的分布范围比较广，小到一个城市的不同位置，大到几个城市之间甚至全国、全球范围。所有网络测试和单机测试相比，具有更高的复杂度和灵活性，并且部分测试方法和测试重点也有些不同，对这样设备种类数量众多、分布地域广泛的网络需要在测试前进行完善的测试规划，以保证测试顺利、正确的完成。

2IP网络2~3层基准性能测试和收敛时间测试

测试IP网络2~3层端到端性能，主要测试包括网络中的交换机与路由器设备的转发性能和多厂家设备之间相互配合下的性能表现。考虑到实际测试网络分布于距离很远的不同位置，设备之间经过大量的传输设备，因此应该在不同的节点放置测试仪器进行端到端的性能测试。图1所示的是网络异地测试。

                              

图1  网络异地测试示意图

（1）网络的基准性能测试：基准性能测试可以根据RFC2544（最新标准已于2007年6月进行了更新）以及相关测试标准进行，验证网络的转发能力是否能够达到预期、网络时延、丢包率和抖动等指标。

（2）网络吞吐量测试：正常情况下，该项测试很少进行，因为IP网络在设计时，都会留有一定的带宽盈余，不会让网络带宽处于完全占用状态。所以测试网络的吞吐量就显得意义不大。这是和单机设备测试的一个非常重要的不同点。

（3）转发时延测试：转发时延的大小是评定网络基本性能的重要指标，在通常的单机设备测试中，进行转发时延测试所产生的流量速率是在设备最大吞吐量下进行的。但是在网络测试中，都不会采用和设备测试类似的流量速率标准，而是采用网络带宽40%~70％的流量速率即可。如果网络带宽70%都已经占用，那么整个网络的升级改造就要开始了。这是网络设计的一个原则，也是网络测试和单机测试在流量设置方面的不同地方。在进行异地时延测试时，一个重要问题是如何进行时钟同步，由时钟带来的误差是异地网络测试中单向时延测试结果不准确的主要来源，参与测量的多个测量点时钟同步程度的好坏直接影响测试结果的准确性和正确性。IXIA测试仪支撑NTP（Network Time Protocol网络时间协议）时钟同步、GPS时钟同步等方法，可以根据测试要求和测试条件选择合适的同步机制。需要说明的是，单向时延对时钟同步有很高的要求，而双向时延测试对时钟同步问题并不敏感。

（4）丢包测试：丢包是影响各种业务质量的杀手，所以网络测试要在预先设定的转发速率下保证系统不能有丢包，否则需要对整个网络的联络、路由走向进行检查，以确保整个网络的转发性能。网络的丢包测试从测试方法上和单机设备测试是不同的。

（5）混合帧长度测试：网络中存在多种业务，在2层数据帧（Frame）的概念上，表现出有各种不同长度数据帧同时在进行转发，所以测试混合帧长度对网络基准性能测试显得尤为重要。

（6）转发抖动测试：在IP的概念中，抖动是理想的数据包到达时间与实际到达时间的时间差，度量单位用时间（秒）来表示。抖动有多种业务，特别是语音和视频业务影响很大，所以网络的抖动性能指标是一个非常重要的测试项。

（7）长期稳定性测试：运营商IP承载网要达到99.999%的可靠性，长期稳定性测试是必不可少的测试项目，从测试角度看，测试仪表必须能够对长期（1天、1周或者一个月）测试运行的结果进行实时记录，并且最好有图形实时显示，这样可以对网络长期测试情况一目了然，也便于后期结果分析。

（8）特定时间性能测试：网络中的流量在不同时间也有很大差别，通常早上9~10点，下午2~3点，晚上8~9点流量对网络的压力最大，可以根据不同的测试目的和需要选择忙时或者闲时进行网络测试，以取得第一手的资料。

网络收敛时间（Convergence Time）是网络2~3层性能测试最为重要的指标之一，因为该指标可以反应网络出现故障后恢复所需要的时间。引起网络收敛的原因有很多，包括但不限于协议收敛、硬件故障、主备控制板异常切换、插拔业务板卡、光纤等。

在这里重点讨论一下收敛时间的计算方法。计算收敛时间的概念非常简单，其等于网络出现故障到恢复所需要的时间，但重要的的是如何计算确定开始出现故障的时间和故障恢复的时间。收敛有流量收敛和协议收敛两种类型。流量收敛有两种计算方法，简单的方法是：

收敛时间=(发送数据包数量–接收数据包数量)/发送数据包的速率

从上面计算公式上可以看到，该方法不能明确指出开始出现故障的时间和故障恢复的时间，只能是收敛时间的估算，所以相应的收敛时间也是不太准确的。

目前，应用最多的是采用“时间戳”的概念，这种计算方法需要测试仪表可以明确得到开始出现故障的时间和故障恢复时的时间。因而对测试仪表提出了更高的要求。计算方法是：测试仪表会对网络收敛前主链路收到的最后一个数据包进行计时，称为Last Timestamp，并且也会对收敛成功后从相应的备份链路上收到的第一个数据包进行计时，称为First Timestamp，First Timestamp减去Last Timestamp就是精确的网络收敛时间。图2所示的是流量进行收敛测试的例子。

图2  流量收敛时间测试示意图

对于协议收敛时间的测试，同样需要测试仪表能够记录协议从”Down”状态到”Up”状态的时间差，测试仪表必须支撑该功能才能进行协议收敛时间的测试。图3是协议收敛测试示意。

图3  协议收敛时间测试示意图

有时候根据测试的需要，还需要测试仪表产生2~3层数据流量的同时，仿真接入端的路由设备（接入路由器AR），其与相连接的网络设备建立邻居关系，并将产生的路由发布到网络中，实现控制层面和转发平面结合的测试。这种测试方法也经常用到，同时也对仪表提出了更高的要求。

3IP网络4~7层QoE测试

IP承载网主要是承载各种业务的，2~3层基准性能测试仅从“工程师”角度评定网络的各项性能指标，不能从“普通用户”体验或感知的角度评估网络对各种业务的承载能力。这种测试也就是4~7层的QoE用户体验质量测试。为了说明2~3层吞吐量（Throughput，RFC1242中的定义）和4~7层有效吞吐量（Goodput，RFC2647中的定义）的不同，用下面的例子做一说明。从图4可以看到，由于某种原因发送端最后的交互信息“ACK”没有被接收端收到，用2~3层的指标评价，有25%的丢包率；但是从用户的角度看，这次业务访问请求就没有成功，是100%的失败。所以IP网络的性能测试更重要的是进行4~7层有状态业务应用的QoE测试。

图4  2~3层吞吐量和4~7层有效吞吐量说明示意图

应用层业务通常分为数据、语音和视频三大类，包括的常见应用协议有HTTP，FTP，E-mail（POP3，SMTP，IMAP），TELNET，DNS，SIP，MGCP，VOD和IPTV等。IP承载网4~7层QoE测试主要对上述应用层协议进行性能测试，验证网络对各种业务的承载能力。

4~7层业务测试一般有两种测试方法，第一种是测试仪表仅仿真多种真实业务类型。这种测试方法比较简单，测试仪表仿真业务的客户端和服务器端，分别模拟HTTP访问，FTP下载，SMTP和POP3，语音或视频等真实应用。从测试步骤上来说，一般要先进行单一业务的测试，验证网络对单一业务的承载能力；然后进行混合业务的测试，同时启动QoS保证机制，验证多种业务之间是否会互相影响，从而评估承载网对业务的支撑能力和性能，验证各种业务在网络上的运行效果。

另外一种方式是测试仪表仿真多种真实业务类型的同时，还仿真路由设备（比如CE设备）和相连的交换路由设备建立邻居关系，多种真实业务运行在所产生的动态路由表上。这种测试方法从原理上来说比较简单，也更接近真实的网络应用环境。但是对测试仪表来说，就提出了更高的要求，需要测试仪表在实现路由协议仿真、产生大量动态路由的同时，还要产生4~7层有状态的业务流量运行在所产生的动态路由上，这就需要真正的2~7层一体化测试仪表才能实现该功能。IXIA是目前业界惟一支撑该特性的厂家，这一重要特性也被多个运营商采用进行IP承载网的性能测试。

在这里提到了真正的2~7层一体化测试仪表的概念，需要对其进行说明，以免和2~3层与4~7层功能的集成测试仪表概念所混淆。真正的2~7层一体化测试平台是要求测试仪表的一个端口在产生2~3层的流量（包括控制平面流量和数据平面流量）的同时，还可以产生具有真实应用（Data，Voice，Video）的4~7层应用层的流量。如果一个仪表的2~3层测试和4~7层测试功能是分开进行，2~3层功能和4~7层功能没有什么关联，那么即使这些功能是在一个硬件平台上实现，也不能称为真正的2~7层一体化测试仪表，只能是2~3层与4~7层功能集成测试仪表。

从图5可以看到，IXIA仪表的端口分别处在网络的不同地方，一端仿真路由器、产生动态路由和数据、语音、视频业务的服务器端（对于语音来说，是被叫端），另外一端仿真路由器、产生动态路由和数据、语音、视频业务的客户端（对于语音来说，是主叫端）。各种真实业务运行在动态路由上，验证IP网络对各种业务的承载能力，得到相应的QoE指标。主要支撑的特性包括：

图5  4~7层业务流量运行在动态路由之上的QoE测试

（1）应用层流量可以运行在IPv4和IPv6路由协议的仿真拓扑上。

（2）在同一个物理接口上同时仿真4~7层应用层流量以及2~3层无状态的数据流量。

（3）测试流量包括数据、语音、视频以及三重播放。测试配置可以快速简便的完成。

（4）可以设定应用层流量运行在所有仪表产生的动态路由上。

（5）可以实时查看2~3层和4~7层组合流量的各种统计信息。

4 IP网络多点分布式测试

分布广、需要测试接点多是测试IP承载网的一个难点，也是一个重点。比如某运营商网络，在全国每个省、市、区都有大范围的覆盖，要对该网络进行全网状的性能测试，就需要每个点都部署测试仪表。这种测试方法，从理论和技术上可以进行讨论，但是从实际操作上，却显得不够现实。因为对于这么大规模的网络，所有测试接点都部署硬件测试仪表，成本偏高，并且操作难度大。所以，IXIA对于大规模IP网络的全网状测试来说，推出了重要接点部署硬件和低速率接点采用App相结合的IxChariot应用层性能测试方案。

这种方法的特点是，在高速率和重要接点上，部署高接口速率的硬件仪表，因为IXIA可以保证该硬件仪表实现线速数据流产生和发送，保证了性能。在低速率和非重点接点上，部署高性能电脑，在该电脑上运行IXIA专有的应用层流量发生引擎。该流量引擎可以和IXIA硬件仪表进行通信，也可以和网络中其他的流量引擎进行通信；IxChariot单一控制终端可以支撑多达2万个接点的同时并发测试，实现了重要接点和非重要接点、测试硬件和App结合的全网状IP承载网全网性能测试。

在进行IP网络的性能测试中，同样必须要考虑是否提供了完善的设备级、链路级和网络级安全解决方案。这就需要测试仪表在模拟正常流量的同时，要能够产生多种攻击流量，比如拒绝服务攻击（DDoS）、蠕虫病毒、异常数据包等。验证网络的安全性能。

由于IP网络承载业务的多样性，比如P2P下载和视频，MSN，ICQ等IRC聊天业务，网络游戏业务目前在网络中广泛存在，从运营商的角度看，必须对相关业务进行适当的管理和控制以保证其他正常业务的顺利运行。这样就需要测试仪表同样能够仿真上述业务。这些都是IP网络测试要考虑到的地方。

5IXIA IP网络端到端测试方案特点和优势

美国IXIA企业是IP测试领域的领导者，在IP测试领域有多年的专业经验，可以提供网络部署验收、网络运营维护等不同阶段的测试方案，并经常参与和实施了多个大企业、运营商不同规模IP网络的端到端性能测试。IXIA IP网络端到端测试方案的主要特点和优势包括：

（1）一个平台能够实现完整的2~3层性能测试、4~7层QoE测试和多点分布式测试。

（2）可以采用“时间戳”方法实现非常准确的网络收敛时间测试和协议收敛时间测试。IxNetwork为准确计算收敛时间提供了保证。

（3）配合高速率重要业务接点和低速率非重要业务接点需要同时测试的常见测试需求，采用App加硬件结合的方法，实现全网状分布式的业务承载能力测试。IxChariot配合IXIA测试平台是满足这种测试需求的最佳工具。

（4）支撑在仿真数据、语音和视频业务的同时，还可以仿真路由设备产生动态路由，实现4~7层QoE的测试。IxLoad配合IxNetwork是支撑该特性测试的业界惟一工具。

（5）可以产生P2P，网络游戏，MSN，Yahoo Messenger，ICQ等网络聊天业务流量验证网络对这些业务的承载、管理和控制能力。IxChariot共可以仿真超过160种业务类型，另外可以通过IxProfile量身定制自己需要的业务类型。

（6）在产生上述流量的同时，还可以产生拒绝服务攻击、漏洞扫描和异常数据包等攻击流量和非法流量验证网络的安全性。

（7）长时间稳定性测试和测试时间调度功能，可以根据测试需要在预先设定的时间自动实行预先设定的测试项目。并可以对历史测试结果实时图形显示并保存，供后期分析和处理。

(8）真正的2~7层一体化测试平台，IXIA的硬件测试模块，每个端口都有一个独立的CPU，提供了测试端口同时产生控制层面的流量（比如路由协议的仿真）和转发层面的2~7层数据包和真实应用的基础；而统一的App设计架构既保证了2~3层和4~7层的功能可以单独使用又可以根据需要实现无缝融合。

6结束语

IXIA提供的端到端IP网络测试方案可以同时满足大型企业和运营商对2~3层基准性能测试，4~7层QoE测试，多点分布式测试等多种测试需求，可以根据网络部署、优化和运营维护的需要选择不同阶段的测试方案。