浅谈MSTP的工程测试

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0  前言
  多业务传送节点设备（MSTP）的进一步应用对MSTP的以太网传输性能提出了更高的要求，例如，运营商对于租用以太网链路的大客户，有不同的服务水平协议（SLA）。在业务开通前，根据什么来确定SLA的性能指标，如何证明向客户提供的以太网链路符合对应的SLA的规定，对于采用MSTP技术提供的IP实时业务（如 VoIP、实时图像业务），如何保证其以太网链路的带宽、时延、丢包率以及抖动等均符合相关要求；当业务发生故障时，如何迅速进行故障定位，如何判断故障是出在传输链路还是在上层业务网络。所有这些因素使得对MSTP的测试要求越来越全面，越来越严格。在以往对MSTP的工程验收测试中，由于受测试设备及环境限制，往往是很粗略的定性分析，采用的方法也很普通，主要测评以太网链路的通断情况，延时是否过大等，但对一些传输性能有严格要求的应用，就需要对以太网链路的性能进行定量的测试。
  MSTP的测试内容，一般包括基本功能测试、传输性能测试和带宽分配及管理能力3个方面。基本功能验证主要包括以太网最大、最小帧长测试，异常包测试，流量控制功能验证，以太网帧格式验证，端口速率及工作模式自协商功能验证等；带宽分配及管理能力主要包括带宽可分配功能验证、带宽分配粒度验证、多径传送能力、带宽动态分配能力（LACS）等；传输性能主要包括吞吐量、丢帧率、传输时延、时延抖动、背对背缓存能力等。
  1  MSTP以太网业务端到端的传输特性
  在ITU-T、IEEE的相关建议中，定义了一些以太网业务传输性能的参数。ITU-T草案Y.17ethoam中定义的以太网性能参数主要有帧丢失、帧时延、帧时延变化、帧吞吐量等；IEEE建议RFC1242、RFC2544中定义的以太网性能指标主要有吞吐量、时延、丢帧率以及背靠背等。部标YD/T 1238-2002、YD/T 1276-2003以及YD/T 5119-2005中，规定的以太网传输性能主要有吞吐量、丢包率、时延、差分时延等。
  从上述几个建议及规范可以看出，以太网的传输特性主要包括吞吐量、时延、时延抖动、丢帧率等内容，虽然这些参数还待进一步完善和补充，但已经能基本反应以太网的传输性能，在工程测试中也主要考虑这几个方面的性能指标。
  1.1 吞吐量
  吞吐量是指从源到目的地的端到端无误码或无帧丢失情况下实际可传输数据的最大带宽。由于MSTP设备可以配置带宽，虽然端口速率为10M/100M或GE，但传输的带宽根据配置情况，可能小于或等于端口速率，因此，测试吞吐量的前提就是在给定的速率下。测试的结果一般用成功传送的最大帧数与理论上达到给定速率所需传送帧数的百分比来表示，等于或超过100%为合格。如果超过100%，可以增加给定的速率，再进行测试，一般分辨率可设置为0.1%。
  由于MSTP设备的以太网板卡的收发端口都有一定大小的缓存，当测试时间较短时，虽然接收帧的速率已经超过了发送帧的速率，但由于缓存作用，不会出现丢包的现象，因此，吞吐量测试的时间对测试结果的准确性有一定的影响。测试时间越长，测试结果的准确度越高，但时间过长，往往影响整个测试的进度，因此，必须找到一个较合适的时长。YD/T 1276-2003中规定的测试时长为10 s。
  采用不同的帧长测试，吞吐量的测试值也会不同。采用较短的帧测试，可以更有效地反应系统的性能。收发处理单元需对帧进行物理定位、串并转换、MAC帧定位、FCS校验、队列处理、策略处理等，帧长越小，单位时间收发处理单元处理帧数越多，所需队列缓存越多，对收发处理单元的性能要求越高，对于较长的帧，主要和帧缓存大小有关。根据IEEE 802.3 的规定，以太网最小帧长为64 Byte，最大帧长为1 518 Byte。一般采用7种典型的字节（64、128、256、512、1 024、1 280和1 518 Byte）来进行测试。
  1.2  丢帧率
  丢帧率（更准确的说是过载丢帧率），就是在过载情况下，导致不能正确转发的帧占所发送帧的百分比。
  有人认为已测试过系统吞吐量就没必要再测试丢帧率，这种观点对也不对。当吞吐量为端口线速时，因为无法再增加带宽，故丢帧率为0，可以不进行丢帧率测试，当吞吐量小于端口速率时，测试流量可以大于吞吐量，这时可进行丢帧率测试，用来反应系统在超负荷情况下的转发能力。通常系统超负荷的程度不同，其所对应的转发能力也不同，有时过大的负荷可能使系统拒绝服务，出现“假死”的状态。例如对于50 Mbit/s的链路，在50 Mbit/s时，丢帧率应该为0，随着测试速率从50 Mbit/s逐步增加到端口线速（100 Mbit/s），丢包率也逐步增加，通过速率在50 Mbit/s以上，方能满足性能。丢帧率越低，表明系统的抗冲击性越好。
  丢帧率测试一般是在吞吐量测试后进行。流量以吞吐量为起点，逐步增加到100%或端口线速，一般按吞吐量的10%递增，同样，也必须采用7个典型字节进行测试，测试时间为10 s。
  在YD/T 5119-2005中，规定了过载丢包率小于0.01%。从上述定义来看，规范中过载丢包率定义不明确，前提应该是在某一过载速率下，另外，丢包率的取值还有待进一步讨论,比如50 Mbit/s的带宽，用100 Mbit/s流量进行测试，丢包率在50%也是符合要求的。
  1.3  时延
  时延是评价网络性能的重要参数，对于一些实时性业务，如IP电话、会议电视等，过大的时延有时会导致业务无法正常开通。
  时延按帧转发方式分为存储转发（S&F）和比特转发2种方式，目前MSTP上均采用存储转发方式。对于存储转发方式，时延是指输入帧最后一位到达输入端口到该帧第一位出现在输出端口的时间间隔。一个端到端的时延主要由串行时延、传播时延和处理时延3个部分组成。在低带宽时，串行时延对端到端时延的影响最大。
  a） 串行时延是指一个帧或信元在它能被处理之前完全被一个收端节点接收所需要的时间。比如MAC帧必须等CRC全部接收后才能被处理。
  MAC帧最小为64 Byte，采用100 Mbit/s以太网链路传输时，串行时延为51.2 ?滋s；MAC帧最长为1 518 Byte，采用100 Mbit/s以太网链路传输时，串行时延为1.214 4 ms。可见，串行时延和传输速率成反比，速率越高，接收一个完整帧的时间越短，同时，串行时延也和帧长有关，帧越长，时延越大。
  b） 传播时延是指信号在传输介质中从发端到收端所需的时间，它和传输距离以及传输介质有关。例如光在单模光纤中的传播速度大约为200 000 km/s（即0.005 ms/km），因此传播时延等于光缆长度×0.005 ms/km。光纤越长，传播时延越长。
  c） 处理时延是指信号经过光-电-光设备时，从入设备到出设备所需时间，对于MSTP设备，处理时延包括SDH的处理时延以及以太网的处理时延。根据YD/T 974-1998，SDH的处理时延对于VC12级别，应小于125 ?滋s，对于VC4级别，应小于50 ?滋s。以太网的处理时延根据以太网板CPU的处理能力不同而不同。
  因此，一个端到端的时延应该是串行时延、传播时延以及处理时延之和。随着传输速度的提高，串行时延变得不那么重要了，时延主要表现在传播时延以及处理时延上。可以看出，时延和带宽、距离都有关系，不同的网络结构会有不同的时延。在YD/T 5119-2005，规定了时延小于等于100 ?滋s，这个数值还需要进一步讨论修正。
  前面已经说过，时延包括处理时延，因此，在进行时延测试的时候，系统或设备的负荷情况也是一个值得考虑的问题，系统或设备的负荷不同，测得的时延也不同。一般情况下，只测试负荷为吞吐量90%情况下的时延，即在非拥塞情况下的时延。另外，由于MSTP封装以太网可以采用虚级联，VC通过不同的路径，在收端重组，也需要一定的时延，因此，建议配置VC的时候，尽量安排在同一路径，以减少时延。测试时需采用7种典型的字节长度来进行测试，测试时间为10 s。
  1.4  时延抖动
  时延抖动对语音质量的影响非常大。一般在VoIP网关处采用缓存排队的办法平滑数据包抖动。但如果网络本身的抖动较大，则网关必须采用大的缓存，这将直接造成更大的时延，从而使总的时延超过150 ms的门限值。这意味着网络本身的抖动必须非常小。特别是在VoIP中RTP数据包太早或太晚到达缓存，都将会被丢弃。所以数据包抖动本身对语音的影响与丢包率的影响是相同的。因此，掌握系统的时延抖动指标对于业务的开通、故障的定位是十分必要的。
  时延抖动被定义为最大时延与最小时延的差，可以根据时延的测试结果来算出时延抖动。
  2  MSTP以太网传输性能的测试方法
  2.1  定性的测试方法
  在数据网络中常用PING命令来测试网络。使用PING命令可以得到包的往返时间（RTT），以及时延、丢包数量，同时也可以用不同的包长进行测试。但需要注意的是，PING 是通过高层ICMP协议，通过对端设备的响应来获得时延，精度较差；更重要的是真正反映端到端的时延必须在一定的背景流量下，而PING只是产生单个数据包，无法产生背景业务量，因而必须用仪表测试各种背景流量（包括满负荷带宽）下的时延。同时，使用PING进行测试还受到计算机处理能力的影响，所以采用PING只能是定性的测试，用来判断链路是否通达，是否有异常的时延以及比较严重的丢包情况，不能对上层业务提供网络性能数据。
  2.2  定量的测试方法
  要得到准确的、可重复验证的数据必须用专业仪表进行测试。YD/T 1276-2003中也规定了MSTP的测试内容和测试方法，但这些规定主要是对实验室条件下设备的功能验证，侧重于详细验证设备的各项性能指标，特别是协议的实现方式。它规定的测试方法也并不是很适合MSTP设备在现场测试、业务开通以及故障定位时的测试。对于MSTP的工程测试方法，按仪表数量以及测试地点可分为3种情况。
  2.2.1  端到端测试（两台仪表）
  由于传统的数据通信（三层以上）信号的发送和返回通道不对称，因此端到端的测试在数据通信中应用非常多。测试时，需要两台独立的测试仪表，并由不同的操作人员在两端进行测试。这两台测试仪表可设置成主从方式，分别位于两端的以太网接口，近端测试仪的目标地址为远端测试仪的端口地址，反之亦然。采用这种方法，可以不管被测网络的功能，可以测试端到端的吞吐量、丢包率、时延等。测试时延时，需要两台仪表时间同步，一般是采用GPS同步或NTP同步，这在实际中很难达到，因为GPS需要接收天线，而NTP 准确度又受时钟源和下游设备之间带宽以及传输介质的影响。为了解决这一问题，同时也避免两地测试带来的不便，可采用端口环回方式。
  2.2.2  单端口环回测试（一台仪表）
  对于MSTP以太网业务的时延测试，由于发送和返回的传输路径和处理设备完全是对称的，只需在远端进行环回即可测试。在单端口环回方式中，测试仪连接到被测设备的近端口，在远端口进行收发环回。这种方式可用于不带二层交换的MSTP以太网接口。单端口的环回一般通过物理自环（自制10/100M的短接网线或1000M光口收发自环）、波长环回（以太网直接承载在DWDM）和SDH设备内环（部分厂家支持）来实现。
  2.2.3  双端口环回测试（一台仪表）
  在端口到端口环回方式中，测试仪表连接到两个近端端口，在远端进行端口到端口环回，用网线将两个端口互联。这种方式可以同时测试二路以太网传输通道，若测试带二层交换的MSTP以太网接口，则可通过设置不同VLAN方式进行测试。
  在工程验收测试中，常用双端口环回测试方式，这时，链路的时延是测试值的一半。
  3  MSTP以太网传输性能的指标
  MSTP以太网传输性能主要包括吞吐量、丢帧率、时延和时延抖动。吞吐量的指标很好规定，符合要求即可。在YD/T 5119-2005中虽然规定了丢帧率、时延的指标，但笔者认为其在定义以及取值上存在不同的理解，应该进一步修正明确。
  ITU-T Y.1541给出了IP公共网络性能的相应要求（如表1所示）。
  表1　IP公共网络性能要求
  网络性能参数 业务等级

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