縱橫千兆天地

2019-11-03 10:25:02

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供稿：網友

　　—10款全千兆三層交換機橫向評測·測試方法

　　評測工程師朱曄李韜宋博強陳琪

　　千兆交換機進入企業已經是兩三年前的事情了，但是其普及趨勢卻剛剛開始。原先被網絡管理人員“供養”在核心機房的設備，正在走向樓層配線間甚至走向桌面。

　　三層交換技術到今天已經相當成熟，同時，三層交換機也從來沒有停止過發展，日趨變化的應用環境和用戶需求導致了三層全千兆交換機的出現，并且還在主導著更新的三層交換機的發展方向。

　　沒有幾年的時間，以太網的傳輸速度從10Mbps逐步擴展到100Mbps、1Gbps、10Gbps，網絡設備的價格也隨著規模經濟而迅速下降。三層交換機所面臨的應用環境的急劇變化，使得它有了更深層次的技術變革。

　　計算機世界評測實驗室組織本次全千兆三層交換機的評測，是希望有更多的網絡廠家加入到這個方興未艾的市場中來，也希望讓讀者了解千兆三層交換機的技術發展現狀，幫助用戶選擇產品。

　　安奈特、友訊、神州數碼、港灣、惠普網絡、聯想網絡、邁普、美國網件、PLANET、銳捷網絡（原實達網絡）(以公司名稱英文首字母為序)等10家廠商的產品參加了此次評測，我們非常感謝這些在網絡市場拼爭而且充滿自信的代表們。通過我們設計的一組測試流程和指標，希望您能很快選擇出適應您需要的產品，并且能夠幫助您在心中形成一個評價全千兆三層交換機的技術標尺。

　　三層交換機的工作原理

　　簡單地說，可以處理網絡第三層數據轉發的交換機就是三層交換機。其產生的最初需求是：為了減小廣播風暴的危害，必須把大型局域網按功能或地域等因素劃分成多個小局域網（子網，VLAN），這樣必然導致不同子網間的大量互訪。單純使用二層交換機無法實現網間的互訪，而單純使用路由器則由于端口數量有限，路由速度較慢，限制了網絡的規模和訪問速度,所以在這種情況下，使用將二層交換技術和路由技術有機結合的三層交換機就最為適合。三層交換機接口類型簡單，擁有很強二層包處理能力，價格又比相同速率的路由器低得多，非常適用于大規模局域網絡。

　　從硬件上看，第二層交換機的接口模塊都是通過高速背板/總線（速率可高達幾十Gbps）交換數據的，在第三層交換機中，與路由器有關的第三層路由硬件模塊也插接在高速背板/總線上，這種方式使得路由模塊可以與需要路由的其他模塊間高速地交換數據，從而突破了傳統的外接路由器接口速率的限制。

　　經典的網絡教材是這樣描述三層交換的(如圖1所示):假設兩個使用ip協議的主機通過三層交換機進行通信，主機A在開始發送時，已知目的IP地址，但尚不知道在局域網上發送所需要的MAC地址，因此要用地址解析（ARP）來確定目的MAC地址。主機A把自己的IP地址與目的IP地址比較，從其軟件中配置的子網掩碼提取出網絡地址來確定目的主機是否與自己在同一子網內。若目的主機B與主機A在同一子網內，主機A廣播一個ARP請求，主機B返回其MAC地址，主機A得到目的主機B的MAC地址后將這一地址記錄下來，并用此MAC地址封包轉發數據，二層交換模塊查找MAC地址表確定將數據包發向目的端口。若兩個主機不在同一子網內，如發送主機A要與目的主機C通信，發送主機A要向“缺省網關”發出ARP包，而“缺省網關”的IP地址已經在系統軟件中設置。這個IP地址實際上對應三層交換機的三層交換模塊。當發送主機A對“缺省網關”的IP地址廣播出一個ARP請求時，若三層交換模塊在以往的通信過程中已得到目的主機C的MAC地址，則向發送主機A回復C的MAC地址；否則三層交換模塊根據路由信息向目的主機發送一個ARP請求，目的主機C得到此ARP請示后向三層交換模塊回復其MAC地址，三層交換模塊保存此地址并回復給發送主機A。此后，再進行A與C之間數據包轉發時，將用最終的目的主機的MAC地址封裝，數據轉發過程全部交給二層交換處理，信息得以高速交換，即所謂的一次選路，多次交換。

　　測試方法

　　在本次測試中，我們使用了思博倫通信公司（Spirent Communications）的硬件測試平臺SmartBits 6000C，其安裝了四塊SmartBits TeraMetrics XD LAN－3325A測試模塊（可提供16個全雙工的千兆銅纜或光纖接口）以及相關的混合流量測試軟件SmartFlow 3.00、路由測試軟件TeraRouting Tester 3.10。在搭建實驗網絡環境時，我們使用了D-Link DGS-3308交換機。

　　測試時，我們參考了中華人民共和國通信行業標準YD/T 1251.2-2003、YD/T 1156-2001、YD/T 1171-2001、YD/T1145-2001和RFC 2544等技術文件。

　　在這次交換機橫向評測中，我們分別對交換機的二、三層性能和路由功能進行了測試。測試時，為了充分考察交換機的性能，在所有測試項目中，我們根據被測交換機支持的最大端口數，模擬全網狀拓撲結構（每端口都向其他端口發送數據，并且接受其他端口的數據），并選用了64字節、512字節、1518字節三種長度的幀，進行分組測試。

　　數據轉發性能測試

　　● 二層性能測試

　　目前，二層交換技術已經成熟。二層交換技術可以識別數據幀中的MAC地址信息，根據MAC地址進行轉發，并將這些MAC地址與對應的端口記錄在自己內部的一個MAC地址表中。

　　在二層測試中，我們重點考查了吞吐量、幀丟失和延遲三項指標。我們把被測交換機的所有端口劃到同一個VLAN內（相當于沒有VLAN），去除所有路由協議，即保持一個純二層環境。在吞吐量測試時，考慮到測試時長對吞吐量的影響，我們統一采用300秒，這也是參照了中華人民共和國通信行業交換機測試標準的。考慮到被測設備因時鐘抖動造成的丟包或光電轉換產生的損失，我們允許十萬分之一丟包率（即保證被測設備必須正常轉發的99.999%以上的數據）。可以說這樣的吞吐量測試環境是比較嚴酷的，但令人欣慰的是，參測的這10款交換機在允許范圍內，各幀長的吞吐量測試結果均達到了100％（即線速轉發）。對于幀丟失和延遲測試，我們依據吞吐量測試結果選擇了在10％輕度負載和最大負載（即100％負載）兩種情況下進行，同時我們還對各幀長的每組數據流進行了跟蹤統計，計算了它們的延遲分布和平均延遲標準偏差值，測試時長我們選取了30秒。為了加強測試的準確性，以上所有測試我們至少進行了三遍，然后計算平均值。

　　● 三層性能測試

　　在三層測試時，我們主要考核了交換機在內部VLAN間的數據交換性能。我們把被測交換機每個端口配置成一個獨立的VLAN，為之分配一個獨立的IP網段；把流量發生器的各個端口的IP配置成與之連接端口VLAN在同一網段，并在發送數據流之前，設置了ARP解析。延遲和幀丟失測試條件與二層性能測試相同。

圖2 ６端口全網狀拓撲示意圖

　　路由功能/性能測試

　　對于三層交換機的三層功能測試其實就是指它的路由功能和性能測試。在信息產業部頒行的《千兆位交換機測試規范》中，路由功能和性能測試也同樣參照YD/T 1156-2001《路由器測試規范—高端路由器》。

　　現在的因特網是一個連接著數以億計的網絡設備的互聯網絡，它由很多被稱為自治系統（Autonomous System）或者路由域（Routing Domain）的區塊組成。每一個自治系統又由很多主機和路由器構成，它通常是一個組織的內部網絡。這種組織可以是一個ISP、企業、政府機構或者教育科研院所等。

　　包交換機制使連接在網絡上的計算機能夠方便地交換信息。當數據從因特網的某地發出時，決定它在網絡中傳送路徑的設備就是路由器。我們本次測試的三層以太網交換機，簡單說來就是具有交換機性能和路由器功能的以太網設備。路由也就是在網絡中確定路徑的過程，即找到數據源網絡和目的網絡之間的最優路徑。路由協議就是動態地實現這一功能的約定規范。這些協議被設計出來時，人們希望它們能適應變化的網絡拓撲結構，智能地為網絡數據找到目的地，即便一部分網絡出現故障，甚至宕機亦然。

　　考慮到目前定位于企業核心或者匯聚層的千兆三層交換機主要用于企業內部的互連，我們選取了RIP和OSPF兩種路由協議進行。測試設備在千兆的1%負載、64字節小包背景流量的情況下，驗證路由協議的有效性，及其在出現路由抖動和路由需要重新收斂的情況下的性能。之所以選擇1%的負載流量，是考慮到路由測試更多的是考察被測設備的功能有效性，對于轉發性能來說，讀者可以參考性能測試數據。

　　我們在測試中模擬網絡的異常情況，考驗被測設備的應對能力。

　　● 路由穩定性測試

　　路由穩定性測試是最簡單的路由功能驗證測試，也可以同時進行路由表的深度和在路由情況下的吞吐量測試。測試流程如圖3。

　　● 路由抖動測試

　　路由抖動測試是測試被測路由器在路由信息或者網絡連接狀態意外中斷或者在撤銷狀態下的反應。比如我們在測試RIP時，模擬了路由信息的撤銷；在測試OSPF時，模擬了路由器的宕機。這項測試通過模擬不同層次的網絡故障給被測設備制造麻煩，這是我們測試路由的收斂或者恢復的第一步，也同時可以驗證被測設備對網絡變化的響應速度。

圖4是路由抖動的測試流程。

　　● 路由恢復測試

　　這是為了測試路由器從振蕩的路由信息中恢復的能力，是分析路由器性能的關鍵指標。我們用圖5所示的流程模擬路由器在路由振蕩下的工作能力，步驟7是我們撤銷了外部的路由信息，而步驟9我們又重新發布了路由信息給被測路由器。不是所有的三層交換機都能通過這樣的測試，這和管理員的配置方法以及所采用的交換機版本直接相關。一般來說，更新的版本可以提供更穩定的性能和更多的功能。

圖5是路由抖動－恢復的測試流程。

　　● 路由收斂測試

　　在這項測試中，我們使用了三個測試端口。由兩個端口向被測設備同時發送路由信息，當被測設備學習到路由信息，并形成自己的路由表時，我們開始由測試端口1向被測設備發送驗證數據流，因為測試端口2和測試端口3模擬都是連接在同一個外部網絡上，它們所發送的路由信息的目的網絡都是一樣的，只是在路由的權值上不一樣。您也可以把路由權值理解為跳數，權值低表明通過此端口的數據可以通過一個較短的路徑到達目的網絡，而權值高則相反。按照動態路由協議內部的算法，被測設備應該可以判斷出最短路徑，并且選擇路由。圖6是路由收斂測試流程。

　　根據預期結果，驗證數據流應該在第一階段通過測試端口2。我們在步驟7將測試端口2所模擬的路由器的路由信息撤銷，被測背景將首先判斷路由發生變化，它將根據從周邊路由器所能得到的信息重新計算出到達目的網絡的路徑。完成計算后，驗證數據流從測試端口3所模擬的路由器流向被測網絡。

　　從發現網絡路由變化，到重新計算以找到新的“下一跳”的過程，我們稱之為路由收斂。同樣，這個過程所經歷的時間就是我們常說的“路由收斂時間”，這是考量路由器工作能力的重要指標。當然，您還需要考察被測設備在您的使用環境中的實際情況，比如說在多少的路由信息或者要求負載下的收斂性能。

　　我們在本次橫向評測中測試了所有10臺設備在RIP、OSPF協議工作情況下的路由收斂。

摘自計算機世界報

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