Hypermetrics-CM板卡在网络拥塞性能测试中的应用

　　1 引言

　　网络的高速发展和，使人们的信息处理能力也与日俱增，数据中心在各行各业就成了重要的部署和应用部门。数据中心的集中式应用，虽然使数据的存储与共享得到了很大便利，业务系统的应用也增强，并且整合了其与网络安全管理、数据容灾与备份等。但在实际解决问题的过程中，有一个致命的问题必须面对——拥塞控制。由于用户的访问带有极大的随机性，使得某一条链路或某一路服务会产生拥塞，其结果就是应用变慢和失败。

　　2 数据中心及拥塞机制分析

　　业务应用的汇聚与集中，是我们都熟知的数据中心的典型特征应用，它利用高性能的交换机/路由器构建数据转发与交换，以及接入网络，连接起终端用户和业务应用系统。在数据中心部署的过程实施中中，应用系统处理能力可以预期且加以增强，数据通信及交换系统也可以通过扩充来获得更多的带宽，但是，尽管这样仍然无法有效解决因多路用户访问而造成的网络拥塞，这种拥塞有很大的随机性：一些用户可能通过交换机文件，另外一些用户也可能通过同样的端口进行数据计算。

　　当发生拥塞时，用户的直接感受便是业务应用或资源访问变慢、失败；从传输层TCP/UDP来看则是报文延时、重传甚至丢失；而在MAC链路层，数据包因为拥塞就会被缓存、排队，也可能因为队列满而被丢弃。因此，拥塞的不可避免，要求交换机有较高的缓存管理能力及及时的处理能力，这样才能将产生拥塞时的风险和损失化。

　　3 交换机/路由器拥塞分析

　　交换机/路由器端口间的链路通常都能达到线速，常规的L2/L3测试已经覆盖了这些项目，但如果访问是多对一的情况，如12个GE端口的入口流量流向1个10GE出端口，出口会发生拥塞，在L2/L3的测试表现上，出口带宽还是在10G的速率上；但在应用层的表现上，应用层业务的有效带宽肯定会明显降低。当DUT因为拥塞发生丢包时，应用层业务如TCP就会存在等待、延时及重传等相关的数据保护措施，这些重传及等待不仅造成有效带宽降低，产生了大量的无效带宽，而且使得L2/L3的转发能力降低，浪费了链路的带宽。而且，拥塞越严重，有效带宽降低越明显。

　　目前的交换机/路由器设备基本上都采用存储转发方式，报文进入设备后，从一个芯片的缓存转发到其它芯片上的缓存，再从缓存中进入转发队列，并从目的地端口上转发出去；缓存的分配包括配置到端口的缓存及公共缓存。设备缓存的大小及队列调度能力会体现在对于拥塞的处理能力上。这种能力不仅仅表现在拥塞的处理上，而且报文在缓存中的排队效率也会影响应用层的性能。增加缓存可以暂时减小拥塞时的处理压力，但这样做会增加硬件成本。另外，过多的缓存会增加报文转发的时延，从而也会影响应用层的性能。缓存及漏斗的粒度控制也会对不同帧长度的报文转发存在不同的影响。

　　防止拥塞的方法一般有以下几种：

　　（1）传输层采用重传策略、乱序缓存策略、确认策略、流控制策略和确定超时策略。

　　（2）网络层采用子网内部的虚电路与数据报策略、分组排队和服务策略、分组丢弃策略、路由算法和分组生存管理。

　　（3）数据链路层采用重传策略、乱序缓存策略、确认策略和流控制策略。

　　4 拥塞处理能力评估

　　传统的评估测试设备的拥塞处理能力及队列调度能力的方法包括RFC2544的Back-to-Back，RFC2889的 Congestion Control Test，但这些传统的L2/L3测试手段首先只局部地测试设备的几个端口，另外测试结果也只是一个量值，无法将其跟真实的业务表现关联起来，而且难以与同类产品进行比较。

　　用户体验是数据中心在实际应用中，为看重的部分，也就是用户的真实感受为上的原则。因此，改正测试方法，还是直接采用真实的业务进行测试，尽量接近用户行为和体验，让测试变得更加真实，是测试的未来发展方向。通过真实的FTP/Http L4~L7层业务，根据测试的终有效带宽就可以得出设备在真实应用中的转发性能情况，所见即所得。事实上，目前在数据中心的验收或选型测试中，对于拥塞性能或缓存性能的测试比较流行的方法是：通过部署大量的服务器连接交换机/路由器设备，并在服务间运行真实的业务，如FTP或Iperf软件，来测量终的有效带宽。

　　5  测试及结语

　　通过构建大量的服务器连接DUT（交换机/路由器），并在拓扑造成DUT发生拥塞，这是一种真实的L4~L7应用测试模型和测试方法。但对于设备厂商来说，这却成了一个不太可能实现的任务，在实验室中摆开几十台服务器，不仅费事儿，而且没法移动和复制，这样就加大了投资成本。

　　Hypermetrics-CM板卡就提供一个很好的测试方案：首先CM卡能够产生真实的应用层业务，CM卡上的端口既可以模拟成大量的服务器，供真实的PC客户端访问，也可以模拟大量的客户端去访问真实的服务器，且应用层协议栈的实现与真实的业务一致；其次，CM卡能产生GE线速的应用层流量，满足了测试中的高带宽要求；再者，多达12个端口的高密度CM卡则能够同时模拟12台Client/Server，解决了测试中的需要大规模部署问题。