CN105099828B - 一种高性能网络测试仪的实现方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高性能网络测试仪及其实现方法，采用FPGA+PowerPC+ARM的构架。网络测试仪由RJ45接口、变压器、物理接口PHY、光接口SFP、FPGA、PowerPC、ARM和显示控制装置组成。FPGA完成测试流量的产生和接收，以及对数据进行第一、二层报文的解析、控制及统计等工作，PowerPC实现第三层及以上网络协议的解析，ARM实现与计算机的通信，以实现对整个设备的显示和控制。本发明兼顾3种处理器的优点，具有灵活性高，成本低，支持多种接口以及扩展性强等优点。
Description
技术领域
本发明涉及高速网络性能测试技术领域，具体是一种基于FPGA+PowerPC+ARM的网络测试仪。
背景技术
在网络基础设施大量建设的情况下，随之而来的是庞大的网络测试需求。无论是在网络通信设备研发，还是在网络建设、日常维护和故障排除等应用场合下，广大工程技术人员都离不开各类网络测试仪器的支持和帮助。在数据通信网络中，网络性能测试系统可用于检测网络设备的具体性能指标，如吞吐量、延迟、丢包率、背靠背等，是准确地评价在不同网络负载下网络设备的性能的一种重要手段。
目前，国内外的网络测试仪对测试流量的产生、接收和统计的实现有硬件和软件二种方法。单纯用软件来实现网络性能测试，速率较低且实时性差，无法满足目前高速网络的性能测试要求。在高速网络条件下，只有采用硬件方法才能达RFC2544规定的性能测试要求。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高性能网络测试仪及其实现方法，不仅能精确测量网络设备的各项性能指标，还能实现网络上层协议的解析。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种高性能网络测试仪，采用FPGA+PowerPC+ARM的架构，由外部以太网物理层接口PHY，电接口RJ45，光模块SFP接口，FPGA，PowerPC，ARM和显示控制装置组成。
所述电测试端口通过RJ45接口连接网络变压器，变压器与PHY相连，PHY通过千兆位媒质独立接口GMII与FPGA相连。
所述光测试端口连接SFP，SFP通过并串行与串并行转换器SERDES连接FPGA，以上两个接口完成被测设备网口与测试仪的通信。
所述FPGA通过千兆位媒质独立接口GMII分别连接PowerPC和ARM。
所述ARM通过千兆位媒质独立接口GMII分别连接FPGA与PC机，并与显示控制装置相连接。
本发明的工作流程为：用户通过PC机设置测试流量的属性，PC机将测试信息发送给ARM，ARM接收测试信息并将其转换成双方约定的，具有一定格式的数据类型转发给FPGA，FPGA发送单元实现数据流量的生产和发送，并选择数据传输方式发送给测试端口,测试端口接收FPGA发出的测试流量；
FPGA接收单元接收来自测试端口的测试流量，实现数据流量接收统计，同时将数据流量中的协议帧送往PowerPC，在PowerPC中进行网络上层协议的解析。最后，FPGA的结果统计及PowerPC的解析结果由ARM上传PC，由PC中上层软件分析处理从而得到测试结果，结果显示于PC和显示控制装置上。
数据流量生成和发送过程为：
（1） FPGA接口电路收到ARM发出的测试信息，读取payload及流配置信息；
（2） FPGA发送单元按照流配置信息生成各种类型包括UDP、TCP、ICMP等，各种模式包括突发流和均匀流的高速数据流量，形成初步的流数据包；
（3）在初步的流数据包中写入报文头，生成完整的流数据包；
（4）根据可变配置改变流数据包的部分数据，从而生成测试流量；同时，在数据流量中插入时间戳，用以实现IEEE1588协议的高精度时间同步和网络时延的测量；
(5) 根据配置信息选择数据发送通道为电口或光口，发送测试流量并进行流统计。
数据流量接收统计过程为：
（1） FPGA接收单元接收来自测试端口的测试流量；
（2）测试流量经过端口计数统计，进行帧数目计数和字节数目计数；
（3）协议帧过滤，判别正在处理的帧是IP数据帧还是协议帧，IP数据帧传往下一处理电路，协议帧传送给PowerPC，进行网络协议解析；
（4） IP数据帧帧头剥离，剥离后的数据由IP数据包组成；
（5）进行选项识别处理，甄别IP数据包和Ping；
（6）对数据包进行错误包统计和路由错误统计；
（7）从路由错误统计处理出来的数据包一路提取数据流，从中提出时间戳，提取出来的时间戳采用IEEE1588协议标准进行延迟统计；一路进行Ping包统计，统计Ping包的包数目，总延迟和当前延迟。
（8）将两路统计结果发送给ARM。
FPGA将筛选出来的协议帧通过GMII发送给PowerPC，PowerPC接收后对协议帧进行解析，识别出该数据协议类型、版本以及源地址等，并将分析结果发送给ARM。
本发明网络测试仪的测试端口有电接口和光接口：
（1）电口通道，包括RJ45接口、变压器和PHY，FPGA与PHY通过千兆位介质独立接口GMII连接。GMII采用8位接口数据，工作时钟125 MHz，传输速率可达1000Mb/s，同时兼容MII所规定的10/100Mb/s工作方式。测试流量经过PHY编码并通过变压器发送到RJ45接口，完成数据传送。
（2）光口通道，由光模块SFP构成，SFP通过串行器/解串器（SERDES）与FPGA通信。在发送端，多路低速并行信号被转换成高速串行信号，经过传输媒体(光缆或铜线)，最后在接收端高速串行信号重新转换成低速并行信号，完成数据传送。
本发明与现有技术相比，其显著优点为：
（1）本发明可以支持多种接口，包括3路10/100/1000M自适应RJ45电接口，3路1000M SFP接口，10G 电接口以及光接口；
（2）本发明可编辑2～4层报文头以及payload；
（3）本发明支持IPv4，IPv6的解析；
（4）本发明支持RFC2544测试，包括吞吐率、丢包率、时延、背靠背的自动测试；
（5）本发明可以通过利用后台加载下载程序，即通过ARM与计算机的通信，在计算机上设计多种不同功能的FPGA以及PowerPC程序，通过加载不同功能的程序实现不同的测试功能，可以在不增加硬件成本的前提下任意增加本设计的测试功能，使本设计更具有价格优势，以及更容易兼容新的网络协议，使本设计的使用寿命可以得到大大的延长。
附图说明
图1是网络测试仪的总体结构。
图2是网络测试仪测试流程图。
图3是FPGA发送数据流程图。
图4是FPGA接收数据流程图。
图5是PowerPC外围电路连接图。
图6是ARM外围电路连接图。
图7是收发通路结构图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明确，以下参照附图对本发明进一步详细说明。
本发明是基于FPGA的网络测试仪，本测试仪由RJ45接口，光接口SFP，物理接口PHY，FPGA，PowerPC，ARM，显示控制装置组成，结构如图1所示。整个测试系统由三部分组成：PC，网络测试仪，测试端口。网络测试仪完成测试的基本功能，包括以测试流量的产生，发送和接收，测试统计量的测量，网络协议的解析等，PC通过软件完成对测试仪的控制，并负责与用户的交互，包括测试流量的属性，测试结果的分析和显示等。本测试仪支持的测试端口包括3路10/100/1000M自适应RJ45接口，3路1000MSFP接口（850nm,1310nm,1550nm)，10G电接口以及光接口。本装置支持多台独立设备的堆叠，当有多台测试仪参与测试时，各测试仪同PC使用1000M Hub集线器进行连接，由PC机完成测试仪间的协调工作。
本装置的测试流程如图2所示，用户通过PC机设置测试流量的属性，如流模式、带宽、包的变化信息等，PC机将测试信息发送给ARM，ARM接收测试信息并将其转换成双方约定的，具有一定格式的数据类型转发给FPGA，FPGA发送单元接收后读取发送数据流量的配置信息，并按配置信息生成各种类型，各种模式，各种包长的测试流量，并选择经光口或电口通道发送给测试端口，测试端口转发FPGA发出的测试流量，FPGA接收单元接收来自测试端口的测试流量，并从测试流量中统计各种性能指标，完成RFC2544测试的各种指标的统计，同时，接收被滤除数据帧后送往PowerPC，在PowerPC中进行网络上层协议的解析，最后，将FPGA统计的测试结果以及PowerPC解析的测试结果经ARM转发给PC和显示装置，在PC中上层软件分析处理测试结果从而得到吞吐量，丢包率，时延，背靠背等性能指标以及IP地址，网络协议及其版本等结果，测量结果显示于PC和显示控制装置上。
下面结合附图详细介绍FPGA的工作流程。
FPGA发送单元流程如图3所示，FPGA接口电路接收到ARM发出的测试信息后，从中读取payload以及流配置信息，流配置信息包括固定配置和可变配置，按照流配置信息生成各种类型包括UDP、TCP、ICMP等，各种模式包括突发流和均匀流的高速数据流量，形成初步的流数据包，在初步的流数据包中写入报文头，从而生成完整的流数据包，根据可变配置改变流数据包的部分数据，生成测试流量。
同时，为了实现IEEE1588协议的高精度时间同步和网络时延的测量，在数据流量中插入时间戳。根据配置信息选择数据发送通道为电口或光口并将数据流量发送出去。最后，进行流统计和端口统计，并将流统计数据和端口统计数据发送给PC。
FPGA接收数据流程如图4所示，FPGA通过电接口或光接口接收来自测试端口的测试流量，首先，测试流量经过端口计数统计，进行帧数目计数和字节数目计数，同时数据无改变地输入到下一级电路，进行协议帧过滤，在此完成的是判别正在处理的帧是IP数据帧还是协议帧，此时帧将分成两路，一路是IP数据帧，传送至FPGA内下一帧头剥离模块，另一路协议帧则由接口电路传送给PowerPC，进行网络协议解析。
传送至帧头剥离电路的这一路数据在FPGA中根据RFC2544标准中的吞吐量，时延，丢包率，背靠背等测试指标对测试流量进行分析。分析过程如下： IP数据帧经帧头剥离，剥离后的数据有IP数据包组成，对该包进行进行选项识别处理，甄别IP数据包和ping包。同时，对数据包进行错误包统计和路由错误统计；从路由错误统计处理出来的数据包一路提取数据流，再从数据流中提出时间戳，提取出来的时间戳采用IEEE1588协议标准进行延迟统计；另一路进行Ping包统计，统计Ping包的包数目，总延迟和当前延迟。最后将所有统计结果包括PowerPC解析的结果送往ARM，ARM通过千兆位介质独立接口GMII将结果转发给PC。其中PowerPC的解析过程在说明如下。
如图5所示，PowerPC通过千兆位介质独立接口GMII与FPGA通信，FPGA将筛选出来的协议帧通过GMII发送给PowerPC，PowerPC接收后对协议帧进行解析，识别出该数据协议类型、版本以及IP地址等，如本装置可支持IPV4和IPV6的解析。
微处理器ARM连接显示控制和PC机，与计算机通信，实现对FPGA发送指令和接收分析结果、显示，以实现计算机对测试仪的控制。ARM外围电路连接如图6所示，该处理器通过千兆位介质独立接口GMII与FPGA，PC通信，并与显示控制装置相连接。
本装置的测试数据收发通道，包括电口通道和光口通道，主要负责FPGA与测试端口的通信。如图7所示。
电口通道，包括RJ45接口、变压器和PHY，FPGA与PHY通过千兆位介质独立接口GMII连接。GMII采用8位接口数据，工作时钟125 MHz，传输速率可达1000Mb/s，同时兼容MII所规定的10/100Mb/s工作方式。本测试仪发送测试流量时，数据流量经过PHY编码并通过变压器发送到RJ45接口，完成数据发送过程，接收过程则由测试端口沿着该通路逆向传送数据。
光口通道，由光模块SFP构成，SFP通过串行器/解串器（SERDES）与FPGA通信。在发送端，多路低速并行信号被转换成高速串行信号，经过传输媒体(光缆或铜线)，最后在接收端高速串行信号重新转换成低速并行信号，完成数据传送。这种通信技术可以提升信号的传输速度，并且降低通信成本。
Claims (6)
1.一种高性能网络测试仪的实现方法，其特征在于：高性能网络测试仪包括外部以太网物理层接口PHY、电接口RJ45、变压器、光模块SFP接口、FPGA、PowerPC、ARM和显示控制装置；
电测试端口通过RJ45接口连接变压器，变压器与PHY相连，PHY通过千兆位媒质独立接口GMII与FPGA相连；光测试端口连接SFP，SFP通过并串行与串并行转换器SERDES连接FPGA；所述FPGA通过千兆位媒质独立接口GMII分别连接PowerPC和ARM；所述ARM通过千兆位媒质独立接口GMII分别连接FPGA、PC机，并与显示控制装置相连接；
用户通过PC机设置测试流量的属性，PC机将测试信息发送给ARM，ARM接收测试信息并将其转换成双方约定的、具有一定格式的数据类型转发给FPGA，FPGA发送单元实现数据流量的生成和发送，并选择数据传输方式发送给测试端口，测试端口接收FPGA发出的测试流量；
FPGA接收单元接收来自测试端口的测试流量，实现数据流量接收统计，同时将数据流量中的协议帧送往PowerPC，在PowerPC中进行网络上层协议的解析；最后，FPGA的结果统计及PowerPC的解析结果由ARM上传PC，由PC中上层软件分析处理从而得到测试结果，结果显示于PC和显示控制装置上。
2.根据权利要求1所述的高性能网络测试仪的实现方法，其特征在于：所述数据流量生成和发送的方法如下：
(1)FPGA接口电路收到ARM发出的测试信息，读取payload及流配置信息；
(2)FPGA发送单元按照流配置信息生成各种类型包括UDP、TCP、ICMP、各种模式包括突发流和均匀流的高速数据流量，形成初步的流数据包；
(3)在初步的流数据包中写入报文头，生成完整的流数据包；
(4)根据可变配置改变流数据包的部分数据，从而生成测试流量；同时，在数据流量中插入时间戳，用以实现IEEE1588协议的高精度时间同步和网络时延的测量；
(5)根据配置信息选择数据发送通道为电口或光口，发送测试流量并进行流统计。
3.根据权利要求1所述的高性能网络测试仪的实现方法，其特征在于：所述数据流量接收统计的方法如下：
(1)FPGA接收单元接收来自测试端口的测试流量；
(2)测试流量经过端口计数统计，进行帧数目计数和字节数目计数；
(3)协议帧过滤，判别正在处理的帧是IP数据帧还是协议帧，IP数据帧传往下一处理电路，协议帧传送给PowerPC，进行网络协议解析；
(4)IP数据帧帧头剥离，剥离后的数据由IP数据包组成；
(5)进行选项识别处理，甄别IP数据包和Ping包；
(6)对数据包进行错误包统计和路由错误统计；
(7)从路由错误统计处理出来的数据包一路提取数据流，从中提出时间戳，提取出来的时间戳采用IEEE1588协议标准进行延迟统计；一路进行Ping包统计，统计Ping包的包数目，总延迟和当前延迟；
(8)将两路统计结果发送给ARM。
4.根据权利要求1所述的高性能网络测试仪的实现方法，其特征在于：所述上层协议解析的方法为：
FPGA将筛选出来的协议帧通过GMII发送给PowerPC，PowerPC接收后对协议帧进行解析，识别出该数据协议类型、版本以及源地址，并将分析结果发送给ARM。
5.根据权利要求1所述的高性能网络测试仪的实现方法，其特征在于：所述数据传输的方式包括：
(1)电口通道，包括RJ45接口、变压器和PHY，FPGA与PHY通过千兆位介质独立接口GMII连接；GMII采用8位接口数据，工作时钟125MHz，传输速率达1000Mb/s，同时兼容MII所规定的10/100Mb/s工作方式；测试流量经过PHY编码并通过变压器发送到RJ45接口，完成数据传送；
(2)光口通道，由光模块SFP构成，SFP通过串行器/解串器SERDES与FPGA通信；在发送端，多路低速并行信号被转换成高速串行信号，经过传输媒体，最后在接收端高速串行信号重新转换成低速并行信号，完成数据传送。
6.根据权利要求5所述的高性能网络测试仪的实现方法，其特征在于：所述传输媒体为光缆或铜线。
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