网络测试第三层网络测试

第三层网络测试《网络测试》课程山东农业大学信息学院计算机系1.第三层测试的必要性2.第三层网络技术概述3.决定第三层网络性能的主要技术指标4.第三层网络性能测试相关RFC文档5.第三层网络性能测试基本方法内容提要任务：将分组（或包）从源主机传送到目的主机解决方法：主机寻址方案：通过分组头部中的源地址和目的主机地址来识别相互通信的计算机，解决不同类型网络之间的主机寻址问题。路由选择功能：确保分组沿着最佳路径从一个网络转发到另一个网络。异构网络互连：提供对异构网络互连的支持，包括硬件接口和通信协议。1.1OSI三层功能概述核心设备：路由器路由器可以支持各种异构网络的互连，实现不同网络主机之间的通信。路由器根据数据分组中的目的网络地址为经过路由器的每个包寻址一条到达下一跳节点的最佳传输路径。1.1OSI三层功能概述三层功能的重要性：关系到整个通信子网的运行控制。网络层提供的包转发和路由处理功能关系到从源主机到目标主机的数据可达问题，直接影响到整个网络的通信质量。路由器是整个网络互连环境中最关键的设备，是整个网络的交通枢纽。如果第三层设备在处理包时出现了问题，不仅会引入传输问题和传输延迟，还会导致包将被丢弃。1.2三层测试的必要性1.第三层测试的必要性2.第三层网络技术概述3.决定第三层网络性能的主要技术指标4.第三层网络性能测试相关RFC文档5.第三层网络性能测试基本方法内容提要注意：封装和拆封过程中的二层和三层地址的对应关系2.1IP协议1.主机1通过ARP协议获得默认网关（即路由器A的E0的MAC地址）。2.主机1将分组封装成以太网帧发送给路由器A的E0端口。2.1IP协议主机1给主机5发送数据3.E0端口分离出IP分组，通过将IP分组中的目标网络号与路由表进行匹配，路由器A将分组从E1端口送出。

发送前首先将该IP分组重新按以太网帧的形式进行封装。2.1IP协议主机1给主机5发送数据4.路由器B收到该以太网帧后，通过帧的拆封，得到IP分组，查找自己的路由表，将该分组从令牌环网T0发送至主机5。

路由器B以T0口的MAC地址为源地址进行802.5令牌环网帧的封装。2.1IP协议主机1给主机5发送数据具有多个输入端口和多个输出端口的专用计算机路由选择部分（控制层面）、分组转发部分（数据转发层面）2.2路由器的组成1.路由选择部分

核心构件：路由选择处理机

运行系统软件或路由选择协议

定期地交换网络的拓扑结构信息

依照拓扑结构动态更新和维护路由表2.2路由器的组成2.数据包转发部分

功能：主要是根据控制层面生成的转发表（FIB）转发IP数据包。

注意：转发表是根据路由表生成的，其表项和路由表项有直接对应关系，但转发表的格式和路由表的格式不同，它更适合实现快速查找。2.2路由器的组成2.数据包转发部分（1）交换结构作用：根据转发表对来自某个输入端口的数据包进行处理，并使之从一个合适的输出端口转发，以完成输入端口和输出端口之间的互连功能。常用的3种交换结构：总线型交换、共享存储型交换和交叉开关型交换2.2路由器的组成2.数据包转发部分（2）输入端口

是物理链路的连接点，也是数据包的接收点。

端口通常由线卡提供，一块线卡一般支持4、8或16个

端口。每个输入端口都有三个模块，它们分别是对应

于物理层、数据链路层和网络层的模块。

分组的处理：

•如果是路由交换信息——》路由选择处理机

•如果是数据——》查找转发表

•一个分组未处理完，又到了新的分组，则在输入队列中排队。2.2路由器的组成2.数据包转发部分（3）输出端口 从交换结构接收数据包，然后将它们发送到路由器的线路接口卡上。 当交换结构传送的数据包的速率超过输出链路的发送速率时，来不及发送的数据包就暂时存放在队列中。2.2路由器的组成

决定路由器处理数据包的能力的因素：

输入端口的处理速率查找转发表的速率数据包交换的速率输出端口的处理速率

主要影响：排队？延时？队列的可用存储空间？丢弃数据包？

衡量路由器性能的重要参数是路由器每秒能够处理的数据包数。路由器的处理能力及影响第一代单总线单CPU结构路由器第二代单总线主从CPU结构路由器第三代单总线对称多CPU结构路由器第四代多总线多CPU结构路由器第五代共享存储型结构路由器第六代交叉开关／交换式体系结构路由器第七代多级交换路由器2.3路由器的体系结构

路由器必须完成两个基本功能：路由处理和数据包转发处理路由处理：收集网络拓扑信息并动态形成路由表（RIB）数据转发层面：根据转发表（FIB）转发IP数据包

RIB与FIB关系：RIB——》FIB，供转发数据包时的快速查找2.4路由器工作原理主要流程：

线路输入：IP分组从不同线路到达路由器的线卡接口，线路输入处理部分对它进行信号恢复、译码和CRC校验，放进输入FIFO队列

数据存储：将数据送入数据存储器

数据包头部分析：取出分组进行分析，主要是三层目的IP地址

数据包头部修改：在进入输出队列前，要修改分组头部，包括TTL值减1、更新IP头部校验和、替换二层MAC地址等，——》交给输出FIFO队列

线路输出2.4路由器工作原理1.按性能档次分高、中、低端路由器

通常按照背板交换能力划分，如>40Gbps为高端路由器25Gbps～40Gbps之间中端路由器<25Gbps为低端路由器2.5路由器类型2.从结构上分为模块化路由器和非模块化路由器模块就是路由器的背板可以再加一些扩展功能的卡，当路由器某一部分故障，不影响其他部分正常工作，模块化能让路由器有更大的灵活性，让用户能根据实际需求采购模块。

非模块就是不能扩展那些卡。模块化结构：中、高端路由器非模块化结构：低端路由器

2.5路由器类型3.按所处网络位置划分通常把路由器划分为边界路由器和中间节点路由器边界路由器：用于连接不同网络或自治系统中间节点路由器：用于连接同一自治系统中的不同网段4.从性能上分为线速路由器和非线速路由器

线速路由器：完全可以按照传输介质带宽进行分组转发，传输过程没有间断和延时。

2.5路由器类型5.从应用划分为通用路由器与专用路由器。6.从功能上划分，可将路由器分为骨干级路由器、 企业级路由器和接入级路由器。2.5路由器类型1.第三层测试的必要性2.第三层网络技术概述3.决定第三层网络性能的主要技术指标4.第三层网络性能测试相关RFC文档5.第三层网络性能测试基本方法内容提要包转发是指将包从路由器输入端口转发到输出端口的过程。

关注的是路由器基于数据包的数据转发能力。

主要考察数据包的转发是否准确、有无丢包、转发延迟多大等。3.1数据传输层面相关的指标

吞吐量

延迟

丢包率

背对背

时延抖动

背板能力

系统恢复

系统重启3.1数据传输层面相关的指标

定义：指在没有丢包的情况下，路由设备能够转发的最大速率。

两层含义：保证待转发的每一个包都能够从输入端口准确地转发到适当的输出端口。被测设备在不丢包的前提下，单位时间内能够转发的最大包数量。

吞吐量的衡量单位：每秒转发的数据包的数量。

高速路由器的包转发能力至少应在20包/秒以上。吞吐量整机吞吐量：

指设备整机的包转发能力。端口吞吐量：

指路由器在某端口上的包转发能力。

通常采用两个相同速率端口进行测试。一般端口吞吐量与端口所占的位置及端口间的关系相关。

例如，同一插卡上端口间测试的吞吐量与不同插卡上端口间的吞吐量值不同。整机吞吐量通常小于路由器所有端口吞吐量之和。整机的背板或交换网络是制约整机吞吐量的瓶颈。吞吐量

定义：指分组的最后一位比特进入路由器到第一位比特离开路由器的时间间隔。

注意：该时间间隔是存储转发方式工作的路由器的处理时间。产生原因：转发数据包时完成的一系列操作，如计算路由、地址解析等需要一定时间。数据包等候处理时需要排队。

时延对网络性能影响较大，对高速路由器，在最差情况下，要求对小于1518字节的IP包时延均都小于1ms。延迟丢包率

定义：丢包率是指路由器在不同负荷下，由于资源缺少而不能被网络设备转发的数据包在应该转发的数据包中所占的比例。丢包率通常用作衡量路由器在超负荷工作时的性能。丢包率与吞吐量：在吞吐量的范围内丢包率为0，超过吞吐量就会引起丢包。不同负荷指从吞吐量到线速。怎么PING网络丢包率！输入ping。如果出现requesttimeout就说明网络有问题，最后会出现结果显示丢包率。用Ping测量丢包的最佳方法是向一个IP地址发送大量的Ping命令，然后检查没有应答的那些Ping命令。如：快速地发出了50次Ping命令，（Ping–n50）检查没有没有应答的次数，并把没有应答的次数作为丢包。没有应答的次数超过5%可能就值得担心了。0%

Packet

Loss真实的故事-IPTV业务（无丟包）采用思博伦通信

Anue模拟丟包0.5

%

Packet

Loss真实的故事-IPTV业务（0.5%丟包）采用思博伦通信

Anue模拟丟包5

%

Packet

Loss真实的故事-IPTV业务（5%丟包）采用思博伦通信

Anue模拟丟包含义：指的是在一段较短的时间内，以合法的最小帧间隙在传输媒介上连续发送固定长度的包不引起丢包时的包数量。被测试设备在某个速率下能转发的最长的连续包数目。该指标用于测试路由器缓存能力。如果路由器具备线速能力（即对于吞吐量=100%线速的路由器来说），该指标为无限大，则测试没有意义。背对背含义：指时延的变化。

例如，语音本是连续的信号，在将分组数据从主机A发送到主机B的过程中，由于分组传输路径不同，每个路径的长短和数据流量各不相同，造成了分组到达接收端的时间有所不同，这样在接收端回放的语音变得时断时连。数据业务对时延抖动不敏感，所以该指标通常不作为衡量高速路由器的重要指标。对时延抖动敏感的业务，如语音、视频，该指标才有测试的必要性。时延抖动背板能力背板：背板指输入与输出端口间的物理通路。背板能力决定了路由器的吞吐量。背板能力是路由器的内部实现，传统路由器采用共享背板，但是应用于高性能路由器时不可避免的会遇到拥塞问题，其次也很难设计出高速的共享总线，所以现有的高速路由器一般采用可交换式背板的设计。但是背板能力只能在设计中体现，一般无法测试。定义：路由设备从超载行为状况下恢复到正常转发状态的行为特征，主要表现为系统恢复速度的快慢。从丢包——》不丢包路由设备必须具有高可用性，在出现软件崩溃或负荷超载等非致命问题的情况下，系统应该能够自动实现系统恢复，并且系统恢复时间应尽量短。系统恢复系统重启时，路由器不能正常工作，会引起数据包的丢失。这段设备不可用的时间长短对于评估设备的性能优劣相当重要。系统重启时间越小，即因电源开关或系统重置而产生的等待时间就越小，网络的丢包也就越少，由此产生的网络不可用时间也就越短。系统重启控制层面侧重考虑的问题因网络类型的差异会有所不同。对于小型网络：重点考虑路由协议类型的选择。对于大型网络：还应该考查路由表项大小是否满足、路由表项更新速度如何、路由更新时对数据通道上的处理有无影响等。主要指标：路由震荡 路由表容量 路由收敛时间等3.2传输控制层面相关的指标1.第三层测试的必要性2.第三层网络技术概述3.决定第三层网络性能的主要技术指标4.第三层网络性能测试相关RFC文档5.第三层网络性能测试基本方法内容提要RFC1242、RFC2544、RFC2285、

RFC2889、RFC2328、RFC3222等RFC1242概述为网络互连设备的基准测试定义了基本术语和概念。

背靠背、恒定负载、数据链路帧大小、丢帧（包）率、帧间空隙、延迟、重启行为、吞吐量等。4第三层网络测试相关RFC文档RFC2544概述

通常被称为网络测试的“圣经”

对网络二层到七层性能的衡量都有着重要指导作用最主要内容是6个基准测试吞吐量（Throughput） 丢包率（PacketLossRate） 延迟（Latency） 背对背（Back-to-back） 系统恢复（Systemrecovery） 重启（Reset）4第三层网络测试相关RFC文档1.第三层测试的必要性2.第三层网络技术概述3.决定第三层网络性能的主要技术指标4.第三层网络性能测试相关RFC文档5.第三层网络性能测试基本方法内容提要第三层测试技术指标以包为关注对象，但由于每个包都必须经过第二层封装才能传输，即每个包都存在一个与之对应的帧，因此，在第三层测试中仍以帧为对象定义每条测试流量。5第三层网络性能测试基本方法目的：确保被测设备能够在稳定的工作状态下直接转发每个IP测试数据包。以学习IP地址与MAC地址映射关系为目的。下图为被测设备第三层地址学习示意图。5.1测试设置中的地址学习参与端口测试对象端口吞吐量一对同种类型端口，各种类型端口都要进行一次同种类型端口直接的测试端口和线卡的能力整机吞吐量全部或者多种类型的端口背板或者交换网络的能力测试目的：找到在没有丢包的情况下路由器能够转发的最大速率。判定唯一标准：零丟包两个方面的性能：整机吞吐量、端口吞吐量5.2吞吐量的测试方法具体测试过程：

步进

二分搜索法

混合步进：假设每次测试时速率的变化量为Δv，如果在某个速率v下的包能够正确转发，但在速率v+Δv时包出现丢失，则v就是吞吐量。二分法：设置初始帧速率、最小速率和最大速率。如果测试时出现丢帧，则下一轮测试的速率为当前速率与最小速率间的中值；否则下一轮测试的速率为当前速率与最大速率间的中值。5.2吞吐量的测试方法注意：吞吐量随帧大小的不同而改变。测试条件：

帧尺寸：RFC2544对以太网测试帧大小的建议为64,128,256,512,1024,1280,1518字节时长：每次持续60秒以上5.2吞吐量的测试方法帧长(bytes)以太网(fps)16Mb令牌环(fps)FDDI(fps)6414880246911524391288445137938561625645287326456205122349378023585768158625471590310241197192111996128096115429630151881213028138各种网络下，帧长与最大理论速率的关系5.2吞吐量的测试方法帧长度(bytes)理论最大速率(fps)吞吐量(fps)64148801300012884458200256452845005122349234910241197119712809589581518812812测试结果：5.2吞吐量的测试方法10Mbps端口的DUT吞吐量测试目的：确定DUT在不同的负载和帧长度条件下的丢包率。该参数可以反映过载情况下网络设备的性能，有助于表明一个设备在面对广播风暴等网络异常情况下的行为。实际的测试方法是以一定速率向DUT发送一定数目的包，并对DUT转发的包的数量进行统计。丢包率=((发送包数量X-接收包数量Y)*100)/发送包数量X5.3丢包率的测试方法

测试流量测试负载流

X量:X测试流量

转发负载流

Y量:Y被测试设备丢失流量Z根据作用的不同，帧可以划分为多种类型，如数据帧、学习帧、路由更新帧等，网络设备应当采取合适的丢弃策略，尽量保证关键帧和重要帧的顺利传输。例如若丢失了某个关键的路由信息帧，就有可能导致大量数据不能交换，从而引起更大的丢失率。由于丢包率测试主要考虑待测设备在超负荷运转情况下的异常行为，包括包的丢失、重发、乱序和错发等。在接收时不能简单统计收到帧的个数，必须加以识别。这需要对帧进行编号，接收时可以通过对帧编号的查对来判断各种不同的异常情况。重发和乱序不算作丢失，但在接收帧总数里不能重复统计收到的重复帧。5.3丢包率的测试方法在测试丢包率时，为了达到反映测试设备在超负荷情况下的实际运行情况，同时真实反映设备丢包率的情况，可采用三种方式：一对一端口发送和接收：反映单端口的丢包情况，两端口可以随机选取，重复测量10次计算平均值即可。部分网状多对一（一对多）端口测试：通过发送端口（例如用3个）以一定速率向待测设备的某个接收端口发送数据；或者一个发送端口以一定速率随机发向多个接收端口。这种情况下，需要测量更多次数来反映平均性能。多对多全网状测试：多个结点（例如4个）形成一个连通图，即任意端口要发送报文到其余各端口，任意端口要收到其余各端口发向自身的报文。5.3丢包率的测试方法两种不同的测试过程：如果事先已经测试得到吞吐量，测试时将吞吐量设为最低负载，然后逐渐增加负载，观察在不同负载下丢包的情况。吞吐量未知的情况下5.3丢包率的测试方法吞吐量未知的情况下001100110011传输比

100%0011001100110011001100传输比

90%010011001100首先，以测试帧长相应的最大传输速率(100%)来发送一定数量的帧，然后测试在DUT上的丢包率。将传输速率下降至90%、再测试传送帧信息。以后将传送比10%一次次下降、直到出现两个连续的测试没有出现丢包为止。5.3丢包率的测试方法测试结果横坐标：帧速率，即特定帧长下的理论最大帧速率的百分比纵坐标：丢包率5.3丢包率的测试方法是基准测试的重点和难点。测试目的：确定数据包经过DUT传输所需要的时间反映DUT执行转发操作的速度以及转发队列的处理情况。延迟越小，说明路由器处理数据包的速度越快。5.4延迟的测试方法存储转发设备和位转发设备中延迟的定义不同。对于采用存储转发方式的设备，延迟的计算方法为：延迟=输出帧的第一位出现在输出端口的时刻–输入帧的最后一位到达输入端口的时刻对于位转发设备：延迟=输出帧的第一位出现在输出端口的时刻–输入帧的第一位到达输入端口的时刻。在实际情况下，设备被看成一种存储转发设备，设备的延迟仍然从输入的最后一位开始计算，到输出的第一位结束，即使这个计算结果是负的。这样计算的目的就是要将设备作为一个整体来看待，而不考虑设备的内部结构。5.4延迟的测试方法延迟测试必须要测得以下两个参数：输入帧的最后一位到达输入端口的时刻。输出帧的第一位出现在输出端口的时刻。测试困难：在一个测试流中，每个帧的开始标志和结束标志都是相同的。可用的方法：整个报文的延迟是和报文中任意位的延迟是相等的，引入了标记帧方法，通过在整个报文中特定位置加入特殊标记（Tag）来测试。5.4延迟的测试方法将测试转化为：记录网络设备接收带有标记的帧的时间和发送带有标记的帧的时间。5.4延迟的测试方法对带有标记的帧的要求：不能在传输过程中丢失。转发的时候网络设备应该已经工作在稳定状态，即标记帧设置在测试流的中间。具体的测试过程：首先，为了确保在不丢包的情况下进行测试，要确定DUT在各个帧长下的吞吐量。然后，针对每一个特定的帧长，以已经确定好的不超过吞吐量的发送速率发送该帧的数据流。该发送过程应该维持至少120秒。在数据流发送60秒之后，在其中的某一个帧中打上标记，并记录下该帧被完全发送的时间戳A(timestampA)。测试设备的接收端必须能够识别该标记信息，并记录下该标记帧经由测试设备转发后到达接收端口的时间戳B(timestampB)。延迟由时间戳B减去时间戳A来获得。5.4延迟的测试方法存在如下局限：在测试流量中，将中间一个标记帧的延迟测试结果作为整个测试的结果；没有考虑双向链路延迟可能不同；必须要在没有丟包的条件下进行测试，因此必须先测试吞吐量；单次测量结果的偏差可能较大，需要对20次以上的结果进行平均。5.4延迟的测试方法改进：给每个测试帧都打上特有的签名字段好处有：即使在有丟包的条件下延迟测量也能进行；不必按照RFC2544进行20次的测试，仅需进行较少次测试，通过求平均就可以得到测试结果 在一轮测试中可以同时完成延迟和吞吐量的测试； 通过统计计算可获得除延迟之外新的延迟测量指标，如平均延迟、最大延迟、最小延迟、延迟分布等扩展延迟参数。5.4延迟的测试方法测试目的：通过向被测设备发送具有合法最小帧间隙的突发数据包，确定被测设备在不丢包的情况下能够处理的最大数据包数目，从而考察路由器接口对于突发数据的缓存能力。背对背测试与吞吐量测试的区别：吞吐量测试重在转发引擎的转发能力（单位：包