IP承载网络性能测试技术

摘要　对目前IP承载网性能测试技术和性能测试指标进行了简单介绍，着重分析了在基于设备网管的网络性能测试的缺点，并对基于端到端的对网络性能分析和分布式网络性能特点进行了说明。

1、IP承载网络现状

　　目前，IP技术逐步成为网络的主角，全网IP化已经成为一种趋势，IP承载网络作为NGN网络、业务专用网络、移动数据核心网络等多种网络的承载基础，其性能和对业务质量的保障受到越来越多的关注。

　　IP网络承载着多种业务，包括HTTP，MAIL，VOD，FTP，BT，IPTV，VoIP，PPStream等各种传统业务和新型业务。这些业务越来越多地对网络的承载性能提出更为苛刻的要求，例如VoIP语音通话业务，其对时延、时延抖动以及丢包要求较高，否则通话质量和话音的连续性非常差，业务的运营受到非常大的限制和挑战。另外，如目前IPTV业务正在如火如荼地开展中，用户的感知、图像的质量是用户和业务运营商最为关心的内容，而承载网络是保障这些的基础，承载的性能好坏，直接影响着IPTV业务的开展和运营商的经营状况。

　　因此，业务的发展不断给网络提出更多的挑战，业务流量的增加带来网络负荷加重，网络反应慢、链路带宽不足、扩容投资不断增长，网络规划和网络质量管理缺乏可靠的依据和手段；评测现有网络性能对新业务的支撑情况也属空白。总之，基于服务质量的增值运营难于开展，IP网络承载性能状况和对实时业务的支撑情况迫切需求在不影响业务运营的情况下进行测评、分析、管理。

2、承载网性能测试技术

　　承载网性能的测评从测试的范围来讲分三大类：一类是对网元设备的测评；另外一类是对网络端到端的性能测评；第三类是基于分布式的端到端全网性能的测试。这三类测试从单点测试到端到端线段式测试，直到分布式网络测试，测试范围逐渐增加，由点到线，再到面。目前，这三类方式主要是通过网管或设备自身管理接口、点到点的双端仪表或专用设备对测、多点到多点的专用系统和设备测试的方式完成。

　　测评的内容包括带宽、流量、时延、丢包和时延抖动几个主要指标。从链路有向性上讲，又分为单向性能指标和双向性能指标两类。

　　2.1　性能测评技术

　　（1）基于网元设备测评

　　网元设备的测评是通过网管系统对网络中的路由器或交换机的性能指标进行获取，从而实现对流量、带宽的获取，而不能实现对时延和丢包相关指标的获得。获取的信息是单个设备的流量和端口带宽占用的统计，或者是多个设备信息的罗列，而不能实现多个设备性能的关联分析和综合评估（见图1）。

图1　基于网元设备的性能测评关系示意图

　　对设备自身无法获得的指标，如时延和丢包等是通过手动的方式通过Ping的方式获取。这种方式获得的指标会受到诸多的限制，如路由器对Ping的不响应、对Ping的响应级别设置较低、不能区分单向链路的性能等，因此手工Ping的方式对性能指标的获取是不完善、不准确、不精确的。

　　对于常见的用户投诉访问某些网站比较慢以及用户带宽不足的问题，以网元设备测评方法进行评测就无法定位、分析和解决问题了。这是因为从用户端到某网站之间的时延和带宽都是一个端到端的网络段的性能的表现。不是单个设备性能的体现，单独去查询某一设备的性能，只能观察局部设备的流量和带宽情况，可能都正常，而用户的感知为什么差呢?用Ping的方式测试到达该站点的时延显示的数字的大小，能反映出用户到达并且返回的时间总和较大，而问题是哪个环节造成的呢?当然。还可以使用Tracert的方式，查看各个数据包所经路由器各段的时延，而这个结果存在两个重要的问题：路由器对Tracert的响应级别较低，响应时延较大，甚至不响应，从而影响测试结果；Tracert的结果是Rtt（Round trip time）值是回环时间，而不是单向的上行或下行的时延，因此不能区分是上行的问题还是下行的问题。因此，使用现有的网管和手工命令的手段无法解决两个关键问题：首先，造成用户的感知比较差的原因是网络的问题还是站点服务器的问题?其次，到底是上行链路出现问题，还是下行链路出现了问题?网络中那个设备造成这样的影响作用最大?总之，网元设备测试的方法无法解决现有网络运营中常见的问题。

　　（2）基于端到端测评

　　基于端到端的测评是从用户感知的角度出发，将测评的视角由点转向线，由单点网元设备评测转向由多个设备共同构成的端到端链路性能的综合分析评测。一般都需要专用的设备和专用的软件实现两端之间的测评，具体的形式如专用的仪表或专用的系统参见图2。测试的路径跨越了多个路由器，是直接从用户端到某一指定测试端的测试，即一对多的端到端的性能测试。测试内容包括时延、丢包、抖动、可用带宽等指标。和基于网元设备测试的方法相比，端到端的测试是跨越多个网元设备的性能综合体现，可以提供单向和双向的性能指标。从而定位不同链路性能对用户感知的影响。

图2　基于端到端的性能测试

　　在一对多的端到端测试中，端点之间有主从关系，相互之间不能替代，测试仪表端是主要端，而PC端通过软件的方式或专用硬件的方式作为配合端实现端到端之间的测试。但是在PC端之间不能进行端到端之间的测试。测试路径数目随着PC端数目的增加而增加。

　　（3）分布式端到端测评

　　分布式端到端测试是基于多点到多点之间的测试，点与点之间跨越的网元设备包括多个，在多个测试端之间形成一个完全覆盖所有链路的测试，对整个网络的性能进行全面的评估，具体参见图3。

图3　分布式端到端的网络性能测试结构示意图

　　分布式端到端的测试和一对多的端到端的测试一样比基于网元设备的测试更精确、更合理、指标更丰富。分布式方式中所有的端没有主从的区别，在任意两个端（End）之间都可以进行测试分析，相对一对多的端到端测试，它增加了边缘节点之间的测试，提供了多点对多点的网状覆盖测试范围，对所有覆盖链路均可进行测试。从任意一个节点看，它都可以单独充当一个点到多点的端到端的测试。如果分布式的节点数为N个，它所能测试有向的路径数有N×（N-1）条，其测试范围是点到多点端到端测试的N倍。

　　从测试的范围和测试的方式来讲，分布式端到端的测试是一种可扩展性强、覆盖范围广、更为完善的性能测试解决方案。

　　2.2　关键性能指标

　　网络性能指标包括物理性能、传输性能、路由性能等多个方面。它们共同形成了对服务质量的保证和作用。这里我们主要关心的是网络传输性能的指标，即时延、丢包、抖动、带宽利用率、拥塞概率等。

　　（1）时延包括数据包排队时延、传输时延、转发时延，是影响用户感知的重要指标；

　　（2）时延抖动是对时延变化的一种评价，它对实时业务的质量影响至关重要；

　　（3）丢包率反映了网络系统的容量的大小和误码情况；

　　（4）带宽利用率是网络流量对链路带宽的占用情况，它是衡量网络负荷情况的重要指标。

　　同时，链路性能指标的有向性是所有这些指标的关键属性，路由的非对称性和链路负荷的不一致性要求对链路性能指标的评测必须是有向的。

　　其他的一些指标都是依赖于或直接在这些指标基础之上产生的。但是，有一个非常重要的指标——网络健康度指标是以上指标的综合反映，它直接表征了网络的健康状况，是一个对网络性能评价的关键指标。

3、结束语

　　当前，网络性能评测主要以基于网元设备的网管能力作为手段，这主要是由于技术与实施成本上的限制，这种方案由于不能客观反映出用户的服务质量需求，其应用范围正在逐渐萎缩。随着技术进步和运维管理的规范化。基于端到端的性能评测技术将成为网络性能分析管理的新动向，为网络的运维、业务的开展、性能的评测、用户的投诉、网络的扩容、互联互通的评测提供重要的决策依据。结合网元设备的管理、网络业务流量分析以及路由监测分析，它们将共同构建下一代综合网络管理平台的基础框架。