（通信与信息系统专业论文）一种面向ip网络路由器的测试系统.pdf

南京邮电学院硕士研究生毕业论文 摘要 摘要 随着网络技术的发展和应用，网络的复杂性，多样性和多变性与日俱增，在 网络安装、维护、管理和故障诊断的整个过程中都需要对网络设备进行全面和严 格的测试。利用测试系统，可以对网络设备及网络的状况进行详细的评定和检测。 论文提出了一种面向i p 网络路由器的测试系统的研究思路和实现方案。该 项目来自于实际生产线的需求，这就要求该测试系统具备强大的数据发送、接收 和处理能力，能对各种网络参数进行检测，易配置，易操作，用户界面友好。 论文考察了该测试系统的工作环境，整理出了详细需求，接着提出了先期设 计方案，定义了测试包包格式，设计了测试系统的操作流程。论文在简单介绍了 测试系统硬件平台和软件平台之后，将功能划分到软件和硬件之中，介绍了测试 系统硬件子系统的设计方案，设计了软件子系统及子模块的组成和框架。软件子 系统是该测试系统的重点，论文分析了软件子系统的功能，并将软件子系统划分 为多个子模块来细化，设计了各个子模块的结构。最后，论文设计开发并实现了 驱动子模块的一些功能。 南京邮电学院硕士研究生毕业论文 摘要 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n ta n dt h ea p p l i c a t i o no fn e t w o r kt e c h n o l o g y , t h e n e t w o r kb e c o m e sm o r ea n dm o r ec o m p l e x t h en e t w o r ke q u i p m e n ts h o u l d b ev e r i f i e d t h r o u g h o u t t h e p r o c e s s o f i n s t a l l a t i o n ，m a i n t e n a n c e ， m a n a g e m e n ta n dd i a g n o s i s ，w i t ht h et e s t i n ge q u i p m e n t ，w ec a nm a k e d e t a i l e de v a l u a t i o no fn e t w o r ke q u i p m e n t sa n dn e t w o r ke n v i r o n m e n t 。 t h i st h e s i sp r e s e n t sar e s e a r c hm e t h o da n di m p l e m e n t a t i o ns o l u t i o n o ft h et e s t i n ge q u i p m e n to r i e n t e dt or o u t e r f r o ma na n a l y s i so far e a l r e q u e s t ，w ec o m et ot h ec o n c l u s i o nt h a tat e s t i n ge q u i p m e n ts h o u l dh a v e s t r o n gf u n c t i o n so fs e n d i n g ，r e c e i v i n ga n dh a n d l i n gd a t a ，a n dc a ng a t h e r a l lk i n d so fn e t w o r kp a r a m e t e r s ，b ea p tt oc o n f i g u r ea n do p e r a t i o n ，h a v e f r i e n d l yu s e ri n t e r f a c e t h i st h e s i sf i r s ts t u d i e st h ew o r k i n ge n v i r o n m e n t so ft h e t e s t i n g e q u i p m e n t ，s u m su pt h ed e t a i l e dr e q u e s ta n dd e s i g n ，d e f i n e st h ef o r m a to f t h e t e s t i n gp a c k e t s ，a n dd e s i g n s t h e o p e r a t i o np r o c e s s t h e n a n i n t r o d u c t i o nt ot h ep l a t f o r mo fb o t hs o f t w a r ea n dh a r d w a r ei sg i v e n ，a f t e r w h i c h ，t h ef u n c t i o n so ft h ee q u i p m e n tw a sa n a l y z e df r o mt w ov i e m p o i n t s ， s o f t w a r ea n dh a r d w a r e a f t e rt h a t ，t h e d e s i g n s o l u t i o no fh a r d w a r e s u b - s y s t e mi si n t r o d u c e d ，f o l l o w e db yad e t a i l e dd e s i g no ft h es o f t w a r e s u b s y s t e mi m p l e m e n t e db yt h ea u t h o r t h et h e s i se m p h a s i z e so nt h e s o f t w a r es u b s y s t e mo ft h ee q u i p m e n t ，w h i c hi sp a r t i t i o n e di n t os e v e r a l s u b - m o d u l e sw i t ht h o r o u t hd e s i g ns c h e m e a tl a s t , t h ed r i v e rs u b m o d u l e i sd e s i g n e da n di m p l e m e n t e dp a r t l y n 南京邮电学院学位论文独创性声明 v 7 6 5 2 4 5 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的 地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包 含为获得南京邮电学院或其它教育机构的学位或证书而使用过的材 料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了 明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：壅! 墨立 日期：竺! ：! 竺， 南京邮电学院学位论文使用授权声明 南京邮电学院、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留 本人所送交学位论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其 他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一 致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布 ( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权 南京邮电学院研究生部办理。 研究生签名：超! 量也导师签名：趁日期：! 型6 南京邮电学院硕士研究生毕业论文 第一章州络测试概述 第一章网络测试概述 1 1 网络测试、i p 网络测试及测试技术 1 1 1 对网络测试的需求 随着i p 技术的应用和深入，i p 网络的建设、维护和故障诊断面临着巨大的 挑战：网络的规模越来越大、组成网络的设备越来越复杂、在网络中运行的软件 系统越来越庞大、网络承载的业务越来越多。 网络在迅猛发展，使用网络的用户也越来越多。随着用户对网络依赖程度的 增加，网络的正常运行变得越来越重要。网络瘫痪已成为数据通信领域的关键问 题，为确保网络正常运行，所有的故障必须快速有效地解决。而在网络安装、维 护、管理和故障诊断的整个过程中都贯穿着网络的测试问题。可以说，测试为网 络的健康运行带来了有效的解决办法。 网络测试是保证网络高性能、高可靠性和高可用率的基本手段，它在i p 网络 建设和发展中的重要意义正得到日益广泛的认可。 1 1 2 网络测试 网络是一个很复杂的系统，通常人们把网络分为不同的层次予以简化。在网 络测试中，我们可以把网络分为3 个不同的层次：设备层、系统层和应用层，因此 网络测试正是针对这3 个层次来进行的。 网络设备测试主要包括功能测试、性能测试、一致性和互通性测试等几个方 面。网络系统测试包括物理连通性、基本功能和一致性的测试、网络系统的规划 验证测试、性能测试、流量测试和模型化等。网络应用测试是测试网络系统支持 各种应用的能力。完整的网络测试包含完成上述3 个层次的所有测试。 网络测试主要包括测试方法、测试工具和测试经验等3 个方面的内容。无论 是测试方法的设计、测试工具的发明和运用还是测试经验的积累，都有很高的 技术要求，其中测试方法是核心。网络测试的方法和手段因测试的目的而有所不 南京邮电学院硕士研究生毕业论文第章啊缀测试概述 同。典型的网络设备测试的方法有2 种：第一种方法是使用网络测试系统单独对 产品进行测试：第二种方法是将设备放在具体的网络环境中，通过分析该产品在 网络中的行为对其进行测试，这种网络环境多数是用仿真的方式实现的。测试工 具主要有线缆测试仪、协议分析仪和网络智能分析仪等。实际的网络在设备、拓 扑、管理维护等各方面千差万别，可能出现的问题也是五花j k l 7 的，测试人员除了 要掌握必须的网络知识外，还需要有丰富的系统集成和现场测试的经验。 网络系统的建设一般经历规划、设计、部署、运行和升级五个阶段。网络测 试应贯穿其中的每个阶段。由于技术或者经济的原因，实际网络测试的应用和理 论上还有较大的差距。无论从经济的角度还是从时间的角度来看，用户都很难自 己来完成所有的测试。用户在选购设备时可以参照由设备提供商提供的第三方 测试机构对其设备的测试报告，依据测试报告和自身的需求选择设备。在网络设 计施工完成之后，应该由施工单位以外的测试机构对网络进行网络系统测试，以 检验工程质量。最后在试运行阶段对网络承载业务和应用的能力进行测试，即进 行网络的应用测试。但是，我国网络测试起点较低。虽然已经成立了多家开展网 络测试的机构，但至今还没有形成相对比较权威的网络测试机构，我国的网络测 试技术和市场都有待发展。 1 1 3i p 网络的测试技术 i p 网络测试和上述所有的网络测试一样，包括对网络设备层、系统层和应 用层的测试。与其它网络测试不同的是： ( 1 ) i p 网络中的设备与电信网中的设备在性能、安全性和稳定性方面有较大 的区别，它们原先更多的是用于计算机互联的设备： ( 2 ) i p 网络是i p 网络测试的目标，它的网络层协议采用i p 协议，i p 协议并不 保证网络数据的可靠性，它采用“尽力而为”的方式转发数据包： ( 3 ) i p 网络以传输数据业务为主，业务高很高的突发性，i p 网络几乎可以承 载任何业务，因此网络应用层的测试比较复杂。 2 南京邮电学院硕士研究生毕业论文第一常网络测试概述 1 1 3 1 f p 网络设备测试 我们就以太网交换机的测试为例说明具体的网络设备测试。 首先要分析交换机的物理特性，即对诸如外观( 包括颜色、重量、尺寸和包装 等) 、端口配置、扩展能力等用户可以直接了解的设备信息的测试，主要的测试 方法是目测。这些参数和交换机本身的功能和性能没有关系，但是对用户来说则 很重要，将直接影响用户对设备的评价。一款颜色：搭配不和谐、尺寸很大的交换 机，显然不会成为用户优先选择的目标。 进一步的测试需要一台带有收发端1 3 的测试仪。测试仪与被测交换机有多种 连接方法。( 后面有比较详细的讨论) 在测试仪与被测设备连接完成以后，在开始测试之前，还要首先配置被测的 交换机，包括对软件和硬件的配置。特别是配置交换机支持的协议并予以激活。 首先是对交换机进行功能测试，目的是检测设备是否能够完成交换机这类设 备所应具备的功能，如帧的转发、过滤、流量控制、v l a n 、生成树协议等。 接着进行性能测试，目的是了解交换机完成各项功能时的性能情况。交换机 性能测试的参数包括吞吐量、时延、帧丢失率、处理背靠背数掘帧的能力、地址 缓冲容量、地址学习速率等。r f c l 2 4 2 和r f c 2 2 8 5 分别定义了网络互联设备和l a n 交换设备测试的基准术语，r f c 2 5 4 4 和r f c 2 8 8 9 则分别定义了网络互联设备和 l a n 交换设备测试的基准方法。这几个r f c 是测试网络设备时参考的标准。关于 这次测试参数，后面会进行比较详细的解释和说明。 完成上述测试之后，需要进行一致性和互通性测试，以验证交换机是否符合 各项规范的要求，包括协议的一致性，确保交换机和其他的网络设备进行互联时 不会出现问题。 对交换机设备的测试最终应提供一份完整的测试报告，测试报告对在这次测 试中的测试对象、测试工具、测试环境、测试内容、测试结果等进行详细论述。 测试报告中包括对各测试项目的测试结果，应以数字、图形、列表等方式记录下 来。完整、客观的设备测试报告是购买设备的重要参考。 南京邮电学院硕士研究生毕业论文第一章网络渊试概述 1 1 3 2 1 p 网络系统测试 i p 网络系统测试的第一步是了解所测网络的状况，包括网络所属单位的情 况、网络设备情况、网络主要应用、使用该网络的人员情况、网络中存在的问题 等等。对网络状况的调查可以明确测试的对象、目的、要求等，为制定详细的测 试方案做好准备，对网络设备的调查可以为所测网络建立详细的网络文档。网络 文档的内容包括网络拓扑结构图，路由器和交换机的生产厂家、型号、内部参数 配置，服务器和工作站的生产厂家、型号、内存、硬盘、网卡的序列号和m a c 地 址、i p 地址、防火墙和操作系统参数配置等。 了解了网络基本状况后，就可以根据测试要求拟定详细的测试方案。 物理连通性、基本功能和一致性的测试是最基本的网络系统测试内容，其中 主要是线缆测试，用以查明所测线缆及布线是否符合设计要求和国际标准。如果 线缆的安装不符合各类标准，就应该绘出具体的各种类型电缆管脚的连接图。 模拟和仿真是规划验证测试的两个基本手段。模拟即用软件的方法建立虚拟 的网络系统及其运行模型，通过设置配置参数模拟实际环境下的网络运行，并给 出对该网络的评价。仿真则是建立真实的试验环境来模拟实际的网络运行。模 拟和仿真对大型网络的规划设计很有意义，它可以在网络实际建设之前了解网络 的特性，或者发现规划设计中的缺陷，大大降低网络建设的风险。但是模拟和仿 真本身需要许多资金和时间，因此在网络建设中各单位会参照具体情况来决定是 否要做这项测试。 性能测试可以分为被动测试和主动测试。被动测试就是用仪表监测网络中的 数据，通过分析采集到的数据判断网络性能状况。被动测试在不影响网络正常工 作的情况下测试。主动测试通过向网络中发送特定的数据包来分析网络系统的性 能。不论是被动测试还是主动测试，都需从网络中采集数据。一个i p 网络系统 可以分为物理层、数据链路层、网络层和应用层。i p 网络系统的性能测试应该 分别针对物理层、数据链路层和网络层进行。如以太网，物理层的测试包括碰撞 分析、错误统计和是否有随机能量、无格式的帧和信号回波等，数据链路层的测 试包括流量分析、错误帧( f c s 错误帧、长帧、短帧和延迟碰撞) 统计等，网络层 的测试包括响应时间测试、网络层协议分析、i p 路由分析等。 流量测试和模型化的工作有利于提高整个网络的运行效率，其中涉及到运 4 南京邮电学院硕二l 研究生毕业论文 第一章刚络测试概述 用一些很深的数学工具和丰富的网络经验，许多关键技术还有待研究。 1 1 3 3 1 p 网络应用测试 完成i p 网络设备测试和系统测试之后就可以在网络上加载各种应用，各种 网络应用的性能水平与网络的类型、网络本身的性能有直接关系。i p 网络应用 测试是i p 网络测试中最高层次的测试内容，主要测试i p 网络对应用的支持水平， 如网络应用的性能和服务质量的测试等。另外，i p 网络应用测试和网络应用本 身直接相关，对于不同的网络应用，有不同的测试内容和测试方法。在部署v o l p 时，需要测试网络中的交换机和路由器设备能否有效地支持语音流量和语音 q o s 等，在测试用于视频传输的网络时，需要测试视频传输在i p 网络中的性能以 及网络用户是否能够得到满意的视频质量等。 1 2 测试理论、测试方法和相关组织 1 2 1b m w g i e t f ( i n t e r n e te n g i n e e r i n gt a s kf o r c e ) 在网络技术领域的地位不言而 喻。同样在网络测试领域，也起着极为重要的作用。 在i e t f 罩有一个称为b m w g ( b e n c h m a r k i n gm e t h o d o l o g yw o r k i n gg r o u p ) 的工作组，这个工作组的主要任务是制定一系列测量各种互联网络技术性能的建 议：今后，工作组会更进一步对在这些技术上搭建的系统与业务提出建议。 每一个提出的建议中都描述了所涉及的设备、系统或业务的类型：讨论与这 个类型相关的性能特性；清晰地确定了对这些特性加以描述的指标：规定了对这 些指标进行收集的测试方法：最后提出了对测试结果进行报告的要求。 该工作组当前的任务提供一个论坛，这个论坛将致力于推动互联网络的测试 技术进步。 从这个工作组制定的r f c 及草案中。可以看出他们的一个工作思路，一般先 针对被测对象制定一套术语，随后采用这套术语对被凋对象定义测试的方法与手 段。 这个工作组最先制定了r f c l 2 4 2 ，在这个r f c 中对网络互联设备性能基准制 南京邮电学院硕士研究生毕业论文第一章州络测试概述 定了一套术语，所以这个r f c 的内容基本上是对一些名词技术上的解释。在与之 配套的r f c2 5 4 4 中制定了对网络互联设备基准的测试方法。r f c2 5 4 4 的前 身是r f c 1 9 4 4 。 r f c 2 5 4 4 中讨论并定义了一组可以用来反映互联网络性能特性的测试， 此外还描述了报告测试结果的具体格式。 这篇r f c 的内容具有相当的普遍性，在此以前制定的r f c 多是进行名词述语 的解释，而这篇建议涉及到具体测试方法。这篇建议不是针对任何一种具体的网 络设备与拓朴结构，而是将所有被测的网络设备统称为互联网络设备( n e t w o r k i n t e r c o n n e c t d e v i c e ) ，只关心设备的输入与输出，不关心其内部如何处 理。而且，文中对测试的描述相当系统，从被测设备与测试系统的设置，一直到 测试结果的记录，都提出了一般性的要求。在此以后制定的各种设备、接口的测 试建议，都参考了这个建议。 这篇建议之所以重要还因为以下几个原因： ( 1 ) 在这篇建议里对设备性能的指标与测试方法做出了明确的定义。 在r f c2 5 4 4 的第2 6 节明确提出了网络性能的几个指标：时延、吞吐量、 丢包率、背靠背，并详细描述了测试的配置及测试的过程。这几个指标是当前设 备测试必不可少的测试项目。除此之外，文中还提到了另外两个指标，因为测试 它们操作上有一定的困难，所以现在实际测试中不常用到。 ( 2 ) 这篇建议对测试中涉及的一些参数进行了统一的要求。 比如在这篇建议的第9 节，中对测试中选用的以太网、令牌环网、f d d i 网 帧长做出了具体的规定，测试中如果选用的帧长度不统一，数据就不具有可比性， 对此做出规定就避免了这种情况的发生。 ( 3 ) 这篇建议还对测试中应考虑到的问题进行了探讨。 比如流量的组合、流量的发送方向等。由于测试中所涉及的情况多种多样， 在一篇建议中不可能全部覆盖，但文中提出的有价值的观点无疑可以开拓读者的 眼界，启发读者的思路。 这个工作组针对具体的设备的术语制定了相应的r f c ，与之相配的测试方法 也分别提出了草案，其中已经成为r f c 的是r f c 2 8 8 9 。 r f c 2 8 8 9 中提出了对局域网交换机的测试方法。可以说是对r f c2 5 4 4 6 南京邮电学院硕士研究生毕业论文 第一章网络测试概述 的一个具体化的应用，除此之外，还针对局域网交换机的特性，提出了专门的测 试项，比如对于广播包的时延与前转速度的测试。 r f c2 8 8 9 中所涉及的名词术语，在r f c2 2 8 5 中有具体的解释。 虽然b m w g 工作组的成绩十分的卓越，可是在当前新的设备不断涌现的今天， 标准制定的速度显然是跟不上的。 但是，b m w g 工作组所制定的r f c 可以说是集取了编写者们实际工作中宝贵 的经验，有巨大的启发性。 1 2 2 测试参数 r f c l 2 4 2 里，对一系列的i p 网络测试的参数进行了定义，解释和说明。下 面作一简单介绍： 吞吐量：按照r f c l 2 4 2 的定义，吞吐量是指网络互联设备在没有丢帧的情 况下发送和接收帧的最大速率。该测试拓扑为一对一通信。 帧丢失率：按照r f c l 2 4 2 ，该测试决定网络互联设备在持续负载状态下应 该转发，但由于缺乏资源而无法转发的帧的百分比。帧丢失率可 以反映网络互联设备在过载时的性能状况，这对于指示在广播风 暴等不正常状态下网络互联设备的运行情况非常有用。 延迟：该项指标能够决定数据包通过网络互联设备的时间。对于存储转发 模式，延迟的计算方法为被测设备从收到帧的第一位达到输入端 口开始到发出帧的最后一位达到输出端口的时间间隔。 背靠背：指从空闲状态发起，在一段不长的时间内出现的数据流。数据流 中的帧是固定长度的，而且帧以最靠近的方式出现，以至于帧之 间的间隔是最小的可允许的间隔。 恒定负荷：在一个固定时间段上出现的固定长度的帧。 1 2 。3 测试方法学 我们称被测试的设各为d u t ( d e v i c e su n d e rt e s t ，被测设备) 。实现上述 一系列测试的理想方法是使用一台同时拥有发送端口和接受端口的测试仪。把测 试仪的发送端连接到d u t 的接受端，把d u t 的发送端连接到测试仪的接受端，如 南京邮电学院硕士研究生毕业论文第一章剐络测试概述 同图1 - 1 所示。在现实世界中，一个d u t 可能被用来连接不同的网络类型，例如 将本地以太网连接到主干f d d i 环。这样就要求图卜l 中测试仪能支持这两种网 络类型。 图1 - 1 测试仪与d u t 连接图( 方式1 ) d u t 一r e c e i v e r 图1 - 2 测试仪与d u t 连接图( 方式2 ) 图1 - 3 测试仪与d u t 连接图( 方式3 ) 既然测试仪既能发送测试流量，也能在流量在被d u t 发出之后，接受测试流 8 南京邮电学院硕士研究生毕业论文 第一章网络测试概述 量，那么测试仪就可以比较容易地判断是否所有发出的包都被接收了，所接收的 包是否是正确的包。同样的功能也可以用一个使用分离的发送设备和接受设备的 系统来实现( 图卜2 ) ，此时，发送设备和接受设备必须被计算机所控制，这样 才能模拟单个的测试仪器。而所需要作的工作有时候是无法完成的，这样就有可 能无法精确实现其中的某些测试功能( 如吞吐量) 。 两个相同的d u t 也可能需要其他类型的测试连接方式，如图卜3 。在很多情 况下，这种连接方式更加准确地仿真了真实世界。例如，将两个l a n 连接到一个 w a n 链路或者高速主干网。 1 3 本论文测试系统项目的介绍 本论文将要探讨的项目来自于深圳市中兴通信股份有限公司( 以下简称中兴 通信) 南京研究所一个实际的开发项目。中兴通讯是一家从事通信设备制造的公 司、中国综合性的电信设备及服务提供商，拥有无线产品、网络产品、终端产品 ( 手机) 三大产品系列，并逐步涉足国际电信运营业务。中兴通信的网络产品主 要包括数据、光传输、交换、接入、视讯、电源、监控等。该项目来自于网络产 品中数据产品线的需求。路由器生产线用测试系统( 以下简称为测试仪) 主要用 于测试公司全系列路由器产品的生产性的功能和性能指标，同时兼顾路由器产品 开发调试过程中的错误定位，性能测试。 由项目背景可以看出，本项目所要开发的测试仪主要用于设备测试层次，而 为了兼顾开发调试，也用于系统测试。在性能测试中，出于测试仪主动发送数据 包，属于主动测试。同时测试仪的发送端和接受端在一个设备上，连接方式可以 是方式1 ，也可以是方式3 ，同时可以用两台测试仪来按照方式2 来连接进行其 中一些测试。 1 4 论文结构简单介绍 测试仪的开发是一个比较复杂的课题，需要一系列合理安排的过程来逐步细 化，逐步勾勒出系统的内容。本文描述了测试仪系统开发的各个步骤的主要内容： 从需求的收集和整理，最初方案的确定到合理划分软件和硬件系统，设计软件子 系统和硬件子系统，子系统方案设计确定，子系统方案详细设计，驱动部分编码 南京邮电学院硕士研究生毕业论文第一章网络测试概述 实现，驱动部分后期测试。 我参与了系统的方案设计，设计了测试仪系统详细流程，各个子系统的功能 细化及实现方案的确定，驱动程序的开发和实现等任务。前面几项内容的结果主 要集中在第二章，第三章和第四章。第五章将具体说明一下我负责丌发的驱动程 序方面的内容。 论文具体的安排是这样的：本论文第二章介绍了测试仪整体方案设计，其中 主要介绍测试仪工作环境，工作过程，设计目标，设计原则和测试包格式的设计 方案。第三章介绍了测试仪开发环境中的硬件结构的内容，内容既包括g e r 的结 构和设计，测试仪改造之后的硬件结构，也包括了f p g a 的设计内容。第四章主 要对测试仪软件结构和设计情况进行了说明，其中内容包括测试仪软件的运行环 境，各个子系统的方案介绍。第五章介绍驱动程序开发及论文总结和展望。 l o 南京邮电学院硕士研究生毕业论文 第二章测试仪整体方案设计 第二章测试仪整体方案设计 2 1 测试仪工作环境 测试仪的工作环境，如图2 - 1 所示。作为控制台用的计算机通过以太网与测 试仪通讯，完成测试仪工作状态的获取、工作方式的设置等。在测试过程中，一 个控制台可以控制多个测试仪，一个测试仪也可以被多个控制台所控制，但测试 仪的一个端口只能被一个控制台所控制。 在测试软件被启动后，控制台需要首先获得网络上测试仪的数目以及各个测 试仪的i p 地址。这个信息的获取在当前的版本中由人工完成。当控制台与目标 测试仪建立连接后，就可以获得该测试仪在网络中的唯一编号( 机架号) 、该测 试仪有哪些接口类型、各个接口有几个端口、以及各个端口的占用隋况。根据这 些信息，用户就可以选择想要并且能够使用的端口，这样就可以在控制台与测试 端口间建立一个连接。 测试仪控制台a 最i 试仪控制台b 图2 1 测试仪典型应用环境 当测试仪接收到控制台传送来的操作命令( 端口配置、发送请求、包捕获命 南京邮电学院硕一仁研究生毕业论文第二章测试仪整体方案设计 令等) 后，根据操作命令选择端口，启动端口上的数据包收发、数据包捕获等操 作。 在测试仪的墒口与被测设备连接后，各个端口在c p u 的控制下进入工作状 态，在此之前( 称之为空闲状态) ，测试仪忽略接口上接收的数据包。进入工作 状态后，完成数据包的接收与发送、端口流量统计、端口建链、测试包发送与接 收校验、数据包捕获等操作。 测试仪应该及时将端口状态( 物理u p 、物理d o w n 、协议u p 、协议d o w n 等) 的变化通知控制台，以便用户及时发现可能出现的异常情况。 需要说明的有几点： 测试仪软件，不仅包括驻留在测试仪设备上的测试仪前台软件也包 括驻留在控制台上的后台软件。这是因为测试仪由g e r 改造而成，g e r 上面运行的v x w o r k s 操作系统虽然适合运行驱动及管理程序，但是用 户界面更适合在w i n d o w s 操作系统之上运行。两者之间通过网络( 一 般是以太网为基础的内联网) 连接。 一个控制台可以控制多个测试仪，一个测试仪可以被多个控制台控制。 所以两者( 控制台和测试仪) 的关系是m ：n 的( m ，n = 1 ) 。除i p 地 址可以作为区分的标志外，每个测试仪都有不同的编号。对控制台的 区分工作是在被控制方的测试仪方实现的。对测试仪方的区分是在控 制方的控制台实现的。 虽然每个测试仪都可以被多个控制台控制，但是每个测试仅的每个单 板( 一个测试仪最多可以配置8 个单板) 只能被一个确定的控制台所 控制。这是因为有些信息是单板之间共用的。 每个测试仪可以配置最多8 个单板，8 个单板可以相同，也可以不同。 每个单板包括多个端口。其中每个端口都可以和被测设备湍口进行连 接。 测试仪和被测试系统都有“配鼹台”通过串口和本身相连，在这里称 为配置台是为了和控制台相区分。测试仪配置台的作用主要是配置测 试仪和以太网相连侧的i p 端口地址、配置测试端口的i p 地址，被测 设备的配置台的作用是配置被测设备的被测端口的i p 地址及其他端口 南京邮电学院硕士研究生毕业论文第二章测试仪整体方案设计 属性。 2 2 测试仪详细设计目标 路由器生产线用测试仪( 以下简称为测试仪) 主要用于测试中兴通信全系列 路由器产品的生产性的功能和性能指标，同时兼顾路由器产品开发调试过程中的 错误定位，性能测试。 采用普通计算机作为控制台，通过以太网与测试仪进行通讯； 在控制台上运行的测试软件采用图形化界面，完成用户配置信息的编码 并向用户提供各种统计信息； 控制台能够对测试仪的各个端口进行独立的控制，包括数据包的捕获、 端口流量的启动、停止和重新配置： 测试仪通过以太网接收来自控制台的用户配置信息，完成各个端口的配 置； 测试仪收集各个端口的统计信息，并通过以太网传送给控制台； 测试仪能够完成p o s 4 8 、p o s 3 、千兆以太网、百兆以太网和e 1 等接口类 型； 测试仪能够在各个端口实现线速收发、并支持用户可调节的端口流量； 测试仪能够对各个端口实现吞吐量测试； 测试仪各个端口能够完成与被测设备的建链过程； 测试仪各个端口上流动的测试数据包采用i p v 4 协议； 测试仪各个端口能够支持可变包长i p v 4 包的发送、接收、校验和流量 统计； 在测试仪的发送侧，在发送数据包中插入流识别号( s t r e a mi d ) 、时戳 标志( t i m e s t a m p ) 、数据包序列号( s e q u e n c en u m b e r ) 和数据包测试 净荷的c r c 3 2 校验值： 在测试仪的发送侧，能够支持连续发送、按一定的时间发送( 以秒为单 位) 以及按突发方式发送： 在测试仪的发送侧，每个端口能够最多支持4 个数据流； 在测试仪的接收侧，能够完成各个端口、各个流的数据包的统计： 南京邮电学院硕卜研究生毕业论文第二章测试仪整体方案设计 在测试仪的接收侧， 净荷的c r c 3 2 校验； 在测试仪的接收侧， 型的数据包： 2 3 测试仪设计原则 能够完成接收数据包的i p v 4 头校验、数据包测试 能够捕获少量特定错误类型的数据包、特定协议类 以生产测试需求为出发，并兼顾开发调试过程中的错误定位，性能测试： 不管接口扳是哪种接口类型，f p g a 与c p u 的接口( 包括配置信息的格式、 状态信息的读取格式和方式等) 尽量采用统一的格式( 哪怕一种配置信 息对另外一种接口存在冗余信息) ： f p g a 的设计能够尽量考虑以后的升级： f p g a 的设计在各种接口类型中能够尽量进行复用，如果可能的话能够采 用团队开发的模式： 2 4 测试仪先期方案确定 2 4 1 测试仪系统由现有g e r 改造而来 g e r 是通用高性能路由器( g e n e r a le x c e l l e n tr o u t e r ) 的简称，中兴通信的 z x r i og e r 通用高性能路由器的市场定位主要针对城域网、金融网、政府网、军 网，填充z x r i o 产品线提供接入和边缘层的产品空白，可覆盖c i s c 0 7 5 x x 系列以 下的大部分路由器组网应用，提供各类业务和协议实现平台，给用户提供满足其 不断变化需求的安全、可控、可管理的高性能宽带网络解决最佳选择。 如果要从头开始建立测试仪设备系统，需要大量的硬件设计和软件开发工 作。而g e r 作为一款接入层和边缘层路由器，具备强大的数据发送、接收和处理 能力，g e r 上已有的操作系统和系统支持软件已经相当完善和稳定，g e r 接口板 逻辑控制部分使用了f p g a ( f i e l dp r o g r a m a b l eg a t ea r r a y ，现场可编程门 阵列) 来实现，可以通过改变f p g a 的方式来达到测试仪的相应要求比较容易。所 以把中兴通信自己的路由器产品g e r 改造为测试仪是最佳的选择方案。后面将对 g e r 作更加详细的介绍。 1 4 南京邮电学院硕士研究生毕业论文第二章测试仪整体方案设计 2 4 2 划分为客户机，且臣务器模式 测试仪作为一种测试系统，一方面需要发送、接收和处理数据包，另一方面 也需要接受操作人员的测试命令，接受操作指令和参数，并将测试结果以友好的 方式显示出来。g e r 本身具备发送、接收和处理数据包的功能，但是g e r 上运行 的操作系统v x w o r k s 作为一种实时操作系统，只提供字符形式的界面，没有完善 的图形支持能力，无法提供友好的人机界面。基于此种考虑，我们确定选用客户 机服务器模式，用驻留在p c 机上w i n d o w s 操作系统之上客户机接收用户的指令 和参数，用驻留在g e r 的v x w o r k s 之上的服务器处理与数据包相关的业务，客户 机和服务器通过以太网相互通信。 2 4 3 选择客户机上的开发平台d e l p h i 要开发p c 机w i n d o w s 上的图形界面，我们这里选用了d e l p h i 开发环境。之 所以选择d e l p h i ，是因为d e l p h i 强大的图形开发能力。 2 4 4 原有g e r 上的操作系统软件不变 原g e r 上的操作系统选用的是w i n dr i v e rs y s t e m 公司的v x w o r k s 操作系统。 v x w o r k s 是专门为实时嵌入式系统设计开发的操作系统内核，为程序员提供了高 效的实时多任务调度、中断管理，实时的系统资源以及实时的任务闰通信。 v x w o r k s 实时操作系统完全满足测试仪对操作系统的需求。 2 4 5 对控制台的改造方式选择f p g a 改造方式 由于原板子采用f p g a 实现对板子的控制，更换f p g a 逻辑就可以实现新的功 能，而且更加灵活方便，这样也可以保持各个板子的驱动程序的一致性。 2 4 6 确定在原路由器软件之上增加模块的方法 原g e r 上的程序可以分为两部分：系统和项目。系统部分负责对硬件的驱动， 时钟管理，进程管理，内存管理消息管理等。项目包括路由器业务相关的程序。 南京邮电学院硕士研究生毕业论文第二章测试仪整体方案设计 我们的测试仪改造项目可以使用原g e r 的系统部分再开发测试仪相关的程序来 完成整个项目。 2 5 测试仪测试包格式设计 2 5 1 测试包的格式 e t h e r n e th e a d e r h d l ch e a d e r + i ph e a d e r t e s tp a y l o a d f i x e df i l l ( i fe x i s t e n c e ) s t r e a mi d 7 ：0 s t r e a mi d1 1 5 ：8 s t r e a mi d 2 3 ：1 6 s t r e a mi d 【3 1 ：2 4 s e g u e n c en u m b e r1 7 ：0 j s e g u e n c en u m b e r 【1 5 ：8 j s e g u e n c en u m b e r 2 3 ：1 6 j s e g u e n c en u m b e r 【3 1 ：2 4 t i m e s t a m p 7 ：0 j t j m e s t a m p 1 5 ：8 t i m e s t a m p 2 3 ：1 6 t i m e s t a m p 3 1 ：2 4 r e s e r v e d 7 ：0 j r e s e r v e d 1 5 ：8 j r e s e r v e d 2 3 ：1 6 r e s e r v e d 3 1 ：2 4 c r co ft e s ts e g m e n t 7 ：0 c r co ft e s ts e g m e n tl 1 5 ：8j c r co ft e s ts e g m e n t 2 3 ：1 6 j c r co ft e s ts e g m e n t 3 1 ：2 4 j 形瑚筋够缪船弘弘勿舅转鲻矗蚴 黟墩谚：万翻澎髟礅 芎# 醯鱼j 杉必确彭纺妊艇彰酪磁筋酶扔j 图2 2 测试包的数据格式 在测试过程中测试包采用的数据格式如图2 - 2 所示。 6 南京邮电学院硕士研究生毕业论文第二章测试仪整体方案设计 图中的“测试包包头”的长度可由c p u 根据不同的应用环境进行设萱。它在 h d l c 应用和以太网中有不同的格式。如图2 - 3 ，图2 4 所示。实际上，“测试包 包头”并不局限于这两种格式，c p u 应根据实际应用环境进行设置。 o71 52 33 l h d l ca d d r e s s c o n t r o l h d l cp r o t o c o lt y p e h d r v e rt o st o t a ll e n g t h l e n f r a g m e n t i d e n t i f i c a t i o n f l g o f f s e t t t lp r o t o c olh e a d e rc h e c k s u m s o u r c ei pa d d r e s s d e s ti n a ti o ni pa d d r e s s o f i t i o n s ( i fe x i s t e n c e ) 图2 3h d l c 应用中测试包包头的格式 一个测试包主要包括三个部分：测试包包头、测试包测试字段和尾部填充。 测试包包头和测试净荷可以由用户为每个流单独配置，最大的可配置空间为 1 2 8 个字节。其中，测试包包头的组成可以分为两种应用情况：以太网应用和h d l c 应用。在以太网应用的情况下，它由m a ch e a d e r + i p v 4h e a d e r 组成。在h d l c 应用的情况下，它由h d l ch e a d e r + i p v 4h e a d e r 组成。测试包包头的长度( 以 4 个字节为单位) 由软件通过配置寄存器通知f p g a 。根据图中的描述，测试仪能 够实现的最小测试包包长为4 0 字节( 指i p v 4 包，不包括m a ch e a d e r 和h d l c h e a d e r ) 。 测试包测试字段中的固定填充字段也可以由用户为每个流单独配置，它的配 置空间为4 个字节( 3 2 位) 。 下面针对图2 2 、图2 3 、图2 4 中的各个字段进行详细的描述。 南京邮电学院硕士研究生毕业论文 第二章测试仪整体方案设计 07 1 52 33 1 d e s t i n a t i o nm a ca d d r e s s d e s t i n a t i o nm a cs o u r c em a c a d d r e s sa d d r e s s s o u r c em a ca d d r e s s h d r l e n g t h t y p e v e rt o s l e n t o t a ll e n g t h i d e n t i f i c a t i o n f r a g m e n t f l g t t lp r o t o c o l o f b e t h e a d e rc h e c k s u ms o u r c ei pa d d r e s s d e s t i n a t i o n s o u r c ei pa d d r e s s i pa d d r e s s d e s t i n a t i o no p t i o n ( i fe x is t e i pa d d r e s so ri pp a y l o a d o p t i o n s ( i fe x i s t e n c e ) 图2 4 以太网应用中测试包包头的格式 2 5 2 测试包的包头 c h d l ca d d r e s s c o n t r o l ：h d l c 的地址控制域，占用两个字节： h d l cp r o t o c o l ：h d l c 帧的协议域，占用两个字节。它指明了h d l c 帧净荷 的协议类型。在p p p 协议中，如果该字段的值是o x 0 0 2 1 ，则指明包是一个 i p 包： d e s t i n a t i o nm a ca d d r e s s ：占用6 个字节，指明了以太网帧的目的地址； s o u r c em a ca d d r e s s ：占用6 个字节，指明了以太网帧的源地址： l