CN1173523C - 协同式互连网路径容量测试方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明的互连网路径容量测试方法是先确定测试源点和目标点，在测试源点放置主控系统和流量发生器，它们位于同一个局域网，并通过局域网交换机彼此相连和与被测路径相连，在目标点放置响应系统，通过主控系统配置测量参数，主控系统根据确定的路径容量值自动计算出所需要的流量发生器数量、每个流量发生器产生的附加流大小以及测试流大小，主控系统按输入的流量发生器的IP地址顺序逐个与流量发生器进行握手，并与响应系统握手，当主控系统通知响应系统测试结束时，响应系统才将计数结果返回主控系统，主控系统计算并记录结果。本发明系统必须要有1台主控系统，1台响应系统和n台流量发生器，主控系统和流量发生器的PC机或工作站经以太网卡、以太网交换机与互连网相连。

Description

协同式互连网路径容量测试方法及系统

技术领域

本发明涉及一种互连网性能的测试方法及其系统，特别是互连网路径容量的测试方法及其系统。

背景技术

在网络工程中，互连网安装后的一个重要步骤就是测试网络的性能，而在互连网日常运营中也需要对其性能进行测量，甚至互连网用户也会极为关注网络质量。互连网有一项重要的端到端性能参数是路径容量，需要在额定强度流量下测试其丢包率特性。为此，互连网测试仪器要产生准确的大流量测试数据包，并能在此条件下测试出网络的有关参数^[1]。

现有的互连网测试仪器主要是由专用硬件和软件的实体构成的，具有测量精度较高、功能项专业的特点，但也有操作复杂、价格昂贵和体积较大的缺点。此外，这些测试仪器主要是用于测试网络互联设备如路由器、交换机等性能的，而不是特定于测试互连网整体性能而设计的。

由于这些测试仪器价格很高，而且测试往往需要多台仪器配合使用，且使用的机会较少，因而导致互连网测试的成本极为昂贵。实践中，往往因为测试成本过高，而采用少量抽样测试的方法，或根本不测试网络性能，从而导致了互连网质量的下降。

发明内容

本发明的目的就是为了解决上述问题，提出一种方法简单可靠、测试成本低的协同式互连网路径容量测试方法及系统。

本发明的技术解决方案：

一种协同式互连网路径容量测试方法，其特征在于：

1)、确定测试源点和目标点，选择需要测试的路径前一跳作为测试源点，在测试源点放置主控系统和流量发生器，它们位于同一个局域网，并通过局域网交换机彼此相连和与被测路径相连，选择测试路径的最后一跳为测试目标点，在该点放置响应系统，为主控系统、响应系统和流量发生器各分配IP地址；

2)、通过主控系统配置测量参数，这些参数包括选择测试指标、被测试的路径容量值或丢包率、流量发生器IP地址和流量施加点IP地址等；

3)、如果选择测试指标I，按3a)步骤顺序执行；如果选择测试指标II，按步骤4)顺序执行；

3a)、主控系统根据确定的路径容量值自动计算出所需要的流量发生器数量、每个流量发生器产生的附加流大小以及测试流大小，若总流量为C，计算的条件包括：

a.每个流量发生器产生的附加流范围是Yi＝1～75Mb/s，

b.有n台流量发生器，

c.主控系统和响应系统之间的测试流范围是X＝1～10Mb/s，

使得：C＝X+75*(n-1)+Yi；

3b)、主控系统按输入的流量发生器的IP地址顺序逐个与流量发生器进行握手，如果握手成功，流量发生器就按预定的额定强度开始向流量施加点产生附加流；否则，中止测试过程；

3c)、主控系统与响应系统握手，如果握手成功，响应系统就准备对测试流UDP包计数，否则测试终止；

3d)、主控系统向响应系统发送测试流UDP包X个，响应系统对测试包计数，当主控系统通知响应系统测试结束时，响应系统才将计数结果S＝X[1-p(λ)]个返回主控系统，即主控系统计算

$p\left(\mathrm{\λ}\right)=1-\frac{S}{X}$

并记录结果，其中p(λ)是随测试报文流强度λ变化的丢包率；

3e)、主控系统依次通知流量发生器终止发送附加流；

3f)、转步骤4c)；

4)、给定测试流量c等于最大流量强度C，执行步骤2)和步骤3)，

测试得到p(C)，如果p(C)＞p，继续步骤4a)；否则转步骤4b)；

4a)主控系统在路径容量为1～C之间执行二分检索算法，即：

①先设定一个路径容量高值high＝C和一个路径容量低值low＝1；

②计算该高值和低值的中间值c＝(low+high)/2；

③按步骤2)和步骤3)测试取该路径容量中间值时的丢包率

$p\left(c\right)=p\left(\frac{\mathrm{low}+\mathrm{high}}{2}\right)$

④如果p(c)值小于预定丢包率p，则low＝c+1，转到②；如果p(c)值大于预定丢包率p，则low＝c-1，转到②；如果所得测试p(c)值与预定丢包率p的值误差小于万分之一，则测试结束，返回确定丢包率p指标时，最大流量强度(容量)C＝(low+high)/2；

4b)如果p(C)＜p，主控系统在路径容量为C～2C之间执行二分检索算法，即：

①先设定一个路径容量高值high＝2C和一个路径容量低值low＝C；

②计算该高值和低值的中间值c＝(low+high)/2；

③按步骤2)和步骤3)测试取该路径容量中间值时的丢包率

$p\left(c\right)=p\left(\frac{\mathrm{low}+\mathrm{high}}{2}\right);$

④如果p(c)值小于预定丢包率p，则low＝c+1，转到②；如果p(c)值大于预定丢包率p，则low＝c-1，转到②；如果所得测试p(c)值与预定丢包率p的值误差小于万分之一，则测试结束，返回确定丢包率p指标时，最大流量强度(容量)C＝(low+high)/2；

4c)结束。

一种协同式互连网路径容量测试系统，其特征在于系统必须要有1台主控系统，1台响应系统和n台流量发生器，n＝0，1，...，其中PC机或工作站及其运行于其上的软件模块分别构成主控系统、响应系统和流量发生器，该主控系统和流量发生器位于同一个局域网，并通过局域网交换机彼此相连和与被测路径相连，在测试源点放置选择测试路径的最后一跳放置响应系统，在主控系统配置测试指标、被测试的路径容量值或丢包率、流量发生器IP地址和流量施加点IP地址等测量参数，主控系统如果选择测试指标I，则：(A)根据确定的路径容量值自动计算出所需要的流量发生器数量、每个流量发生器产生的附加流大小以及测试流大小，(B)主控系统按输入的流量发生器的IP地址顺序逐个与流量发生器进行握手，如果握手成功，流量发生器就按预定的额定强度开始向流量施加点产生附加流；否则，中止测试过程，(C)主控系统与响应系统握手，如果握手成功，响应系统就准备对测试流UDP包计数，否则测试终止，(D)主控系统向响应系统发送测试流UDP包X个，响应系统对测试包计数，当主控系统通知响应系统测试结束时，响应系统才将计数结果S＝X[1-p(λ)]个返回主控系统，即主控系统计算 $p\left(\mathrm{\λ}\right)=1-\frac{S}{X}$ 并记录结果，其中p(λ)是随测试报文流强度λ变化的丢包率，(E)主控系统依次通知流量发生器终止发送附加流；主控系统如果选择测试指标II，给定测试流量c等于最大流量强度C，则在主控系统配置测试指标、被测试的路径容量值或丢包率、流量发生器IP地址和流量施加点IP地址等测量参数，并执行步骤(A)-(E)，测试得到p(C)，如果p(C)＞p，主控系统在路径容量为1～C之间执行二分检索算法，如果p(C)＜p，主控系统在路径容量为C～2C之间执行二分检索算法；对PC机硬件要求，主频500MHz及以上的PIII CPU的PC机或相当的工作站，Windows操作系统或其他操作系统，其中要求装有主控系统和流量发生器的PC机或工作站位于同一个局域网内，它们经10/100Mb/s以太网卡通过100Mb/s以太网交换机与互连网相连。

本发明测量互连网路径容量的方法简单可靠，实现成本经济，基于使用普通PC机(个人计算机)的软硬件和通常网络硬件条件设计系统，算法通过协同多台PC功能，实现了原先昂贵网络测试仪器才能实现的测试功能。本发明系统便于实现互连网路径容量测量的自动化。

附图说明

图1是本发明系统的组成示意图。

具体实施方式

在本发明的互连网端到端性能监测方法描述之前，先给出常用术语的定义。

术语定义^[2]：

路径(Path)：可表示为形式为<h₀，l₁，h₁，...，l_n，h_n>的有向序列，其中n＞0，每个h_i是一个结点，每个l_i是一条h_i-1到h_i之间的链路，每个h₁...h_n-1是一个路由器。每个<l_i，h_i>二元组被称为一“跳”。h₀称为测试源点，h_n称为测试目标点。

路径容量(Path Capability)：为在互连网的一条路径中，链路带宽最小的那段链路的链路带宽被称为该路径的瓶颈带宽，也称为该路径的路径容量。该参数描述当前从h₀经<h₀，l₁，h₁，...，l_n，h_n>到达h_n可以利用的最大带宽。

丢包率(Packet Loss Rate)：从h_n接收到的发送测量包的数量与从h₀发送测量包数量之比的百分数。

主控系统：控制、协调协同式互连网路径容量测试系统各部件运行的系统。

响应系统：能与主控系统测试过程通信，并对测试包进行计数、统计和计算的系统。

流量发生器：能根据主控系统指令，适时地开始产生或停止产生适量的附加流量的系统。

流量施加点：在测试的路径上，靠近的h_n的某个IP地址。

测试流：用于获取测试指标I或测试指标II的、参与计数过程的测试包的序列。

附加流：用于获取测试指标I或测试指标II的、为路径施加(高强度)流量的测试包序列。

测试指标I：当经过某路径的测试流量强度(容量)C确定时，测试该路径的丢包率p(λ)。

测试指标II：当丢包率p指标确定时，测试出经过某路径的最大流量强度(容量)C。

本发明协同式互连网路径容量测试方法步骤如下：

1)、确定测试源点和目标点。选择需要测试的路径前一跳作为测试源点。在测试源点放置主控系统和流量发生器，它们位于同一个局域网，并通过局域网交换机彼此相连和与被测路径相连。选择测试路径的最后一跳为测试目标点，在该点放置响应系统。为主控系统、响应系统和流量发生器各分配IP地址。

2)、通过主控系统配置测量参数，这些参数包括选择测试指标、被测试的路径容量值或丢包率、流量发生器IP地址(可能多个)和流量施加点IP地址等。

3)、如果选择测试指标I，按3a)步骤顺序执行；如果选择测试指标II，按步骤5)顺序执行。

3a)、主控系统根据确定的路径容量值自动计算出所需要的流量发生器数量、每个流量发生器产生的附加流大小以及测试流大小。若总流量为C，计算的条件包括：

a.每个流量发生器产生的附加流范围是Yi＝1～75Mb/s。

b.有n台流量发生器。

c.主控系统和响应系统之间的测试流范围是X＝1～10Mb/s。

使得：C＝X+75*(n-1)+Yi

3b)、主控系统按输入的流量发生器的IP地址顺序逐个与流量发生器进行握手。如果握手成功，流量发生器就按预定的额定强度开始向流量施加点产生附加流；否则，中止测试过程。

3c)、主控系统与响应系统握手。如果握手成功，响应系统就准备对测试流UDP包计数，否则测试终止。

3d)、主控系统向响应系统发送测试流UDP包X个，响应系统对测试包计数。当主控系统通知响应系统测试结束时，响应系统才将计数结果S＝X[1-p(λ)]个返回主控系统。因此，主控系统计算

$\mathrm{p\&lambda;}=1-\frac{S}{X}$

并记录结果，其中p(λ)是随测试报文流强度λ变化的丢包率。

3e)、主控系统依次通知流量发生器终止发送附加流。

3f)、转步骤4c)。

4)、给定测试流量c等于最大流量强度C，执行步骤2)和步骤3)，测试得到p(C)。如果p(C)＞p，继续步骤4a)；否则转步骤4b)。

4a)、主控系统在路径容量为1～C之间执行二分检索算法，即：

①先设定一个路径容量高值high＝C和一个路径容量低值low＝1；

②计算该高值和低值的中间值c＝(low+high)/2；

③按步骤2)和步骤3)测试取该路径容量中间值时的丢包率

$p\left(c\right)=p\left(\frac{\mathrm{low}+\mathrm{high}}{2}\right);$

④如果p(c)值小于预定丢包率p，则low＝c+1，转到②；如果p(c)值大于预定丢包率p，则low＝c-1，转到②；如果所得测试p(c)值与预定丢包率p的值误差小于万分之一，则测试结束，返回确定丢包率p指标时，最大流量强度(容量)C＝(low+high)/2。

其程序如下：

　　integer low，high，c，j；

　　low＝1；

　　high＝C；

　　while low≤high do

　　{

　　      c＝(low+high)/2；

　　      执行步骤2)和步骤3)得到p(c)；

　　  case{

　　      if p(c)(p±0.0001)return j＝c；

　　      if p(c)＜p low＝c+1；

　　      if p(c)＞p high＝c-1；

　　        }

　　}

该算法返回时，j中的值即为满足丢包率p指标时所测得路径容量。

4b)、如果p(C)＜p，主控系统在路径容量为C～2C之间执行二分检索算法，即：

⑤先设定一个路径容量高值high＝2C和一个路径容量低值low＝C；

⑥计算该高值和低值的中间值c＝(low+high)/2；

⑦按步骤2)和步骤3)测试取该路径容量中间值时的丢包率

$p\left(c\right)=p\left(\frac{\mathrm{low}+\mathrm{high}}{2}\right);$

⑧如果p(c)值小于预定丢包率p，则low＝c+1，转到⑥；如果p(c)值大于预定丢包率p，则low＝c-1，转到⑥；如果所得测试p(c)值与预定丢包率p的值误差小于万分之一，则测试结束，返回确定丢包率p指标时，最大流量强度(容量)C＝(low+high)/2；

其程序如下：

　　integer low，high，c，j；

　　low＝C；high＝2C；

　　while low≤high do

　　{

　　      c＝(low+high)/2；

　　      执行步骤2)和步骤3)得到p(c)；

　　   case{

　　      if p(c)(p±0.0001)return j＝c；

　　      if p(c)＜p low＝c+1；

　　      if p(c)＞p high＝c-1；

　　        }

　　}

该算法返回时，j中的值即为满足丢包率p指标时所测得路径容量。

4c)、结束。

本发明协同式互连网路径容量测试系统配置如下：

根据上述测试方法，按图1所示配置能够实现互连网络端到端性能测试系统。系统必须要有1台主控系统，1台响应系统和n(n＝0，1，...)台流量发生器。其中PC机或工作站及其运行于其上的软件模块分别构成主控系统、响应系统和流量发生器。

根据测试的路径容量大小的不同，最大配置可由10台或更多台PC机或工作站构成，如测试622Mb/s的ATM构成的路径；最小配置可由2台PC机或工作站构成(无流量发生器)，如测试2Mb/s的E1构成的路径。

对PC机硬件要求，主频500MHz及以上的PIII CPU的PC机(或相当的工作站)，Windows操作系统(或其他操作系统)。

其中要求装有主控系统和流量发生器的PC机或工作站位于同一个局域网内，它们经10/100Mb/s以太网卡通过100Mb/s以太网交换机与互连网相连。

实施例

本实施例给出了用本发明方法及相应系统对一条由多个路由器构成路径的路径容量测试情况。该路径是建立在多段155Mb/s ATM链路和ATM交换机基础上的。

以路径位于机房一端为测试源点，位于北京的某网络中心机房内；目标点是该路径的另一端，位于兰州的某个机房内。在测试源点的放置主控系统1个和流量发生器2个，在测试目标点放置响应系统1个。主控系统的IP地址为IP_s，响应系统的IP地址为IP_d，流量发生器的IP地址为IP_s1、IP_s2。

通过主控系统配置测量参数。选择测试指标I，被测试的路径容量值为155Mb/s、流量发生器IP地址和流量施加点IP地址IP_e等。

主控系统根据确定的路径容量值155Mb/s自动计算出所需要的流量发生器数量为2、每个流量发生器产生的附加流大小位75Mb/s以及测试流大小5Mb/s。则

M＝X+75*(n-1)+Yi＝5+75*1+75＝155

主控系统分别与具有IP地址IP_s1和IP_s2的流量发生器逐个握手。如果握手成功，两个流量发生器就按75Mb/s的流量强度开始向流量施加点IP_e产生附加流；否则，中止测试过程。

主控系统与响应系统握手。如果握手成功，响应系统就准备对测试流UDP包计数，否则测试终止。

主控系统向响应系统发送测试流UDP包50,000个，响应系统对测试包计数。当主控系统通知响应系统测试结束时，响应系统才将计数结果49,985个返回主控系统。因此，主控系统计算

$p\left(\mathrm{\&lambda;}\right)=1-\frac{S}{X}=1-\frac{49985}{50000}=0.0003$

并记录结果。其中0.03％是随测试报文流强度为155Mb/s时的该路径丢包率。

主控系统依次通知流量发生器终止发送附加流。

结束返回。

如果此时测试指标II，需要为向主控系统赋一个期望的丢包率的值，如0.02％。测试方法执行步骤6)以后的算法，用二分法进行搜索，经常多次测试得到该条件下的路径容量，例如为154Mb/s。

                        参考文献

[1]S.Bradner and McQuaid，Benchmarking Methodology for NetworkInterconnect Devices，RFC 2544，March 1999

[2]V.Paxson，et al.，Framework for IP Performance Metrics，RFC2330，May 1998

Claims (2)

1、一种协同式互连网路径容量测试方法，其特征在于：

1)、确定测试源点和目标点，选择需要测试的路径前一跳作为测试源点，在测试源点放置主控系统和流量发生器，它们位于同一个局域网，并通过局域网交换机彼此相连和与被测路径相连，选择测试路径的最后一跳为测试目标点，在该点放置响应系统，为主控系统、响应系统和流量发生器各分配IP地址；

2)、通过主控系统配置测量参数，这些参数包括选择测试指标、被测试的路径容量值或丢包率、流量发生器IP地址和流量施加点IP地址等；

3)、如果选择测试指标I，按3a)步骤顺序执行；如果选择测试指标II，按步骤4)顺序执行；

3a)、主控系统根据确定的路径容量值自动计算出所需要的流量发生器数量、每个流量发生器产生的附加流大小以及测试流大小，若总流量为C，计算的条件包括：

a.每个流量发生器产生的附加流范围是Yi＝1～75Mb/s，

b.有n台流量发生器，

c.主控系统和响应系统之间的测试流范围是X＝1～10Mb/s，

使得：C＝X+75*(n-1)+Yi；

3b)、主控系统按输入的流量发生器的IP地址顺序逐个与流量发生器进行握手，如果握手成功，流量发生器就按预定的额定强度开始向流量施加点产生附加流；否则，中止测试过程；

3c)、主控系统与响应系统握手，如果握手成功，响应系统就准备对测试流UDP包计数，否则测试终止；

3d)、主控系统向响应系统发送测试流UDP包X个，响应系统对测试包计数，当主控系统通知响应系统测试结束时，响应系统才将计数结果S＝X[1-p(λ)]个返回主控系统，即主控系统计算

$p\left(\mathrm{\&lambda;}\right)=1-\frac{S}{X}$

并记录结果，其中p(λ)是随测试报文流强度λ变化的丢包率；

3e)、主控系统依次通知流量发生器终止发送附加流；

3f)、转步骤4c)；

4)、给定测试流量c等于最大流量强度C，执行步骤2)和步骤3)，测试得到p(C)，如果p(C)＞p，继续步骤4a)；否则转步骤4b)；

4a)主控系统在路径容量为1～C之间执行二分检索算法，即：

①先设定一个路径容量高值high＝C和一个路径容量低值low＝1；

②计算该高值和低值的中间值c＝(low+high)/2；

③按步骤2)和步骤3)测试取该路径容量中间值时的丢包率

$p\left(c\right)=p\left(\frac{\mathrm{low}+\mathrm{high}}{2}\right);$

④如果p(c)值小于预定丢包率p，则low＝c+1，转到②；如果p(c)值大于预定丢包率p，则low＝c-1，转到②；如果所得测试p(c)值与预定丢包率p的值误差小于万分之一，则测试结束，返回确定丢包率p指标时，最大流量强度(容量)C＝(low+high)/2；

4b)如果p(C)＜p，主控系统在路径容量为C～2C之间执行二分检索算法，即：

⑤先设定一个路径容量高值high＝2C和一个路径容量低值low＝C；

⑥计算该高值和低值的中间值c＝(low+high)/2；

⑦按步骤2)和步骤3)测试取该路径容量中间值时的丢包率

$p\left(c\right)=p\left(\frac{\mathrm{low}+\mathrm{high}}{2}\right);$

⑧如果p(c)值小于预定丢包率p，则low＝c+1，转到⑥；如果p(c)值大于预定丢包率p，则low＝c-1，转到⑥；如果所得测试p(c)值与预定丢包率p的值误差小于万分之一，则测试结束，返回确定丢包率p指标时，最大流量强度(容量)C＝(low+high)/2；

4c)结束。

2、一种协同式互连网路径容量测试系统，其特征在于系统必须要有1台主控系统，1台响应系统和n台流量发生器，n＝0，1，...，其中PC机或工作站及其运行于其上的软件模块分别构成主控系统、响应系统和流量发生器，该主控系统和流量发生器位于同一个局域网，并通过局域网交换机彼此相连和与被测路径相连，在测试源点放置选择测试路径的最后一跳放置响应系统，在主控系统配置测试指标、被测试的路径容量值或丢包率、流量发生器IP地址和流量施加点IP地址等测量参数，主控系统如果选择测试指标I，则：(A)根据确定的路径容量值自动计算出所需要的流量发生器数量、每个流量发生器产生的附加流大小以及测试流大小，(B)主控系统按输入的流量发生器的IP地址顺序逐个与流量发生器进行握手，如果握手成功，流量发生器就按预定的额定强度开始向流量施加点产生附加流；否则，中止测试过程，(C)主控系统与响应系统握手，如果握手成功，响应系统就准备对测试流UDP包计数，否则测试终止，(D)主控系统向响应系统发送测试流UDP包X个，响应系统对测试包计数，当主控系统通知响应系统测试结束时，响应系统才将计数结果S＝X[1-p(λ)]个返回主控系统，即主控系统计算 $p\left(\mathrm{\&lambda;}\right)=1-\frac{S}{X}$ 并记录结果，其中p(λ)是随测试报文流强度λ变化的丢包率，(E)主控系统依次通知流量发生器终止发送附加流；主控系统如果选择测试指标II，给定测试流量c等于最大流量强度C，则在主控系统配置测试指标、被测试的路径容量值或丢包率、流量发生器IP地址和流量施加点IP地址等测量参数，并执行步骤(A)-(E)，测试得到p(C)，如果p(C)＞p，主控系统在路径容量为1～C之间执行二分检索算法，如果p(C)＜p，主控系统在路径容量为C～2C之间执行二分检索算法；对PC机硬件要求，主频500MHz及以上的PIII CPU的PC机或相当的工作站，Windows操作系统或其他操作系统，其中要求装有主控系统和流量发生器的PC机或工作站位于同一个局域网内，它们经10/100Mb/s以太网卡通过100Mb/s以太网交换机与互连网相连。