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100G、40、25、10网络测试解决方案

一.100G概述

随着CDN等视频直播业务和P2P业务的快速发展,带宽的要求越来越高。当前5G业务势头正盛,其基于400G的主干网络通信业务也在积极部署之中。但当前在很多的业务场景中,100G系统的部署仍旧是主要选择。本文介绍国内领先的100G测试解决方案。

IEEE标准定义了一系列40G和100G物理接口,表1是各种接口的介质和距离极限。

表1 各种接口的介质和距离极限

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一条40G/100G链路通过复用多条通道(Lane)来实现,通常分为若干个25G通道或者10G通道。发送端通常把40G/100G的流分成4个或者10G 并行通道,在接收端把并行通道的码流再重组成40G/100G 流。 与传统的以太网物理接口一样,40G/100G接口也分为PCS,PMA和PMD子层。PCS子层把编码数据分发到多个逻辑的通道上,这些逻辑通道就称为虚通道(Virtual Lane)。 标准没有对逻辑通道如何静态映射到物理通道上做规定,一个或者多个虚通道可以被承载到一个物理通道上,可能存在通道交换。

虽然40G/100G以太网仍然是更“快”的以太网,但是在很多方面改变了传统以太网特性,对测试提出了挑战。

1.1L2~L3层

对于高层应用来说,40G/100G接口要求设备中的组件要在更短的时间内完成工作。比如,一台路由器需要对进来的数据包剥离低层协议头,排队,进行路由表查询,然后转发到相应的出口队列。在这个过程中,还要完成分类、监管、优先级调度、整形等工作。另外,路由器还要完成路由信息更新,组播路由树的创建,MPLS 标签信息交换,统计,告警,日志,防火墙和安全功能等。一台具有100G接口的路由器,需要以10倍于当前速度的能力完成上述功能。而且在上述功能中,理想情况下不能出现丢包、过大的抖动、乱序等性能问题。

测试40G/100G系统,首先要验证线速情况下的的转发性能, 其次需要验证负载下的功能、性能、扩展性、进行数据和协议平面的集成测试。 另外,需要从用户体验角度对系统承载的真实业务的质量进行评估。

1.2物理层

物理层的测试最关键的问题是消除误码。在不同的子层,有不同的测试重点。

· Physical Medium Dependent (PMD)

PMD层的测试需要一些硬件测试工具,如示波器。

· Physical Medium Attachment (PMA)

PMA层的测试,需要测试仪表发送各种bit Pattern,如伪随机码序列(PRBS), 经过系统后检测错误,如误码率,Pattern 同步问题等。Loopback测试也是PMA层测试的重要内容。

· Physical Coding Sublayer (PCS)

PCS层的测试主要集中在通道交换(Lane Swapping)和通道偏差(Lane Skew)测试。测试系统通过交换通道,来验证被测设备能否检测到通道交换并补偿。在偏差测试中,测试系统在发送端口产生一定的偏差,在接收端口,统计经过被测系统补偿以后的偏差值。IEEE对能补偿的偏差范围做了定义。偏差测试就是验证系统能否支持这个范围内的补偿,或者测试系统和标准多大程度上的匹配。

1.3 测试系统本身的挑战

40G/100G系统性能测试,除了比特速率的变化以外,性能的衡量指标并没有太大的变化,如丢包率、时延、抖动、顺序/乱序等指标。现有的测试系统能否在40G/100G性能下继续提供准确的统计值。在这里测试仪表的时钟测量精度起了关键的作用。

为了测试时延、抖动、帧的顺序性等信息,测试仪表会在发送的每个数据帧中插入一个签名字段(Signature),包含发送时间戳、序号等信息。当测试仪表的接收端口收到数据帧时,提取出签名字段中的发送时间戳,然后和接收时间进行比较,就可以计算出时延、抖动等指标。在40G/100G测试中,能够准确提供时延、抖动等指标,测量精度至关重要。

传统的测试仪表,以测试10G及以下的系统为主,典型的测量精度为20ns。但是20ns的测量精度对于40G/100G系统来说是不够的。传输一个64字节的以太网帧,线路上需要传送672bits,计算公式:(64字节+8字节前导码+12字节帧间隔)×8=672bits。在10G线路上传输一个64字节的数据帧,需要67.2ns,20ns的测量精度足够了,可以为发送的每一个帧标识出惟一的发送时间戳。

对于40G线路来说,传送一个64字节的以太网帧,需要16.8ns,有可能在一个Clock Tick中间出现两个帧,在这种场景下,时延和抖动测量就出现不准确。

而在100G线路上,这个问题就更加突出。在100G线路上,传送一个64字节的以太网帧,只需要6.72ns,每个时间戳Clock Tick包含3个帧,在这种情况下,测试仪表完全不能准确的标识出每个帧的发送时间。提供这些关键的统计量,要求测试仪表的测量精度要小于在线路上传送一个64字节帧的时间。

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