1 引言

交換機是IP網絡的核心設備之一，交換機性能的好壞直接影響IP網絡的網絡規模、網絡穩定性，而交換機吞吐量是評估交換機性能的首要指標。面對市面上眾多的交換機品牌與型號，需要一種標準的交換機吞吐量測試方法來對交換機性能進行評價。

RFC 2544是RFC組織提出的用于評測網絡設備性能的國際標準，該標準在1999年被規定，主要是對RFC 1242中定義的性能評測參數的具體測試方法、結果的提交形式做了較詳細的規定。通過對比設備的性能參數與RFC標準，用戶能夠輕松地比較不同廠商設備的優劣。

RFC 2544定義了6個關于網絡設備參數的測試：

l  吞吐量（Throughput）

l  延遲（Latency）

l  丟包率（Frame loss rate）

l  背靠背測試（Back-to-back frames）

l  系統恢復時間（System recovery）

l  復位測試（Reset）

2 交換機吞吐量測試

2.1   交換機吞吐量測試概述

交換機吞吐量即交換機吞吐率，是評估交換機性能的首要指標，其定義是在設備沒有丟包的情況下的最大的轉發速率，通常使用每秒鐘通過的最大的數據包（PPS/FPS）或者字節流數量來衡量（常見的單位有bit/s，Mbit/s，Gbit/s…），它反映了被測設備所能夠處理（不丟包）的最大數據流量。

2.2   交換機吞吐量測試方法

在交換機吞吐量測試的每次試驗中，以特定的速率發送測試幀并計算由DUT轉發的幀數，如果有任何丟包，速率降低，否則速率會增加，重復這些試驗，直到找到沒有丟包的最大速率（每次試驗持續時間不少于60秒）。

在介紹具體的測試方法之前，先介紹以下幾個概念：

l  初始速率：發送測試幀的初始速率，一般用理論最大值（測試的接口速率）的百分比來表示。

l  最大速率：發送測試幀的最大速率，一般用理論最大值的百分比來表示，通常是100%。

l  最小速率：發送測試幀的最小速率，一般用理論最大值的百分比來表示，通常是0%。

l  測試精度：兩次試驗發送速率之差小于等于測試精度時，測試將停止，一般用理論最大值的百分比來表示，通常是1%。

l  試驗持續時間：每次試驗發送測試幀的持續時間，RFC 2544規定不少于60秒。

l  步長：發送速率每次增加的值，例如5%。

2.2.1  步進方式

第一次試驗使用設置的初始速率作為發送速率，一旦發現丟包，測試即結束（第一次試驗發現丟包需要調小初始速率重新測試）。如果不丟包，則以指定的步長增加測試發送速率，繼續進行測試。中間過程中，只要有丟包，測試立即結束。如果中間一直沒有丟包，則一直測到設置的最大速率為止。

2.2.2  二分法方式

第一次試驗使用設置的初始速率作為發送速率。如果試驗中有丟包，使用當前發送速率和設置的最小速率之間的中間值作為下一次試驗的發送速率，否則使用當前發送速率和設置的最大速率之間的中間值作為下一次試驗的發送速率。例如，當前試驗不丟包發送速率為10%，設置的最大速率為100%，則下一個測試發送速率為55%。當發送速率和上一次試驗的發送速率之差小于或等于設置的測試精度時，測試將停止。例如，測試到90%的發送速率沒有出現丟包，但測試到91%的時候出現了丟包。此時，由于測試精度設置為1%，就不在90%到91%之間取中間值繼續進行測試了，測試結果認為測試達到的交換機吞吐量就是90%。

2.2.3  組合方式

該方式為步進方式和二分法方式的組合。測試發送速率的增加，采用步進方式，出現丟包后測試發送速率的回退，采用二分法方式。

2.3   交換機吞吐量測試設置

2.3.1  環境搭建

(1)   將被測設備端口連接到測試儀端口。

(2)   配置被測設備確保可以轉發測試幀。不允許對被測設備進行非必要配置來提高測試結果。

圖2-1     交換機吞吐量測試拓撲

2.3.2  參數設置

除上文中提到的初始速率、最大速率、最小速率、測試精度、試驗持續時間和步長外，測試開始之前還需要對以下參數進行設置：

l  測試幀長：RFC 2544建議選取64、128、256、512、1024、1280、1518字節。

l  流量方向：雙向、單向從輸入到輸出、單向從輸出到輸入。

l  測試端口配置：包括速率，雙工，自動協商等。

l  Burst size：具有最小幀間隙的突發流量大小，模擬真實生產環境的突發流量。

2.4   交換機吞吐量測試步驟

以下步驟基于三層流量的交換機吞吐量測試：

(1)   使用被測設備支持并開啟的路由協議發布轉發測試流量所需的路由。在發送測試流量之前等待幾秒鐘確保被測設備已完成路由更新。如果所有的目的和被測設備直連，或者被測設備定義了靜態路由，此步驟可以省略。

(2)   將當前測試幀的長度設置為第一個配置的測試幀長度。

(3)   測定交換機吞吐量。典型的二分法方式如下：

a      設置current_rate（當前試驗測試速率）為設置的初始速率，設置high（當前試驗的最大速率）為設置的最大速率，設置low（當前試驗的最小速率）為設置的最小速率。

b      發送學習幀（例如IPv4 ARP、IPv6鄰居發現）。

c      從所有測試端口發送當前測試幀長度的測試流量，發送速率為current_rate，發流時間為設置的試驗持續時間。

d      用發送的幀數減去接收的幀數計算丟包數量。

e      如果丟包數大于零，將high設置為current_rate，否則low設置為current_rate。

f       設置delta為high-low。

g      設置current_rate為low+(delta/2)。

h      重復步驟b 到g ，直到delta小于或等于配置的測試精度，或current_rate大于等于high。

(4)   報告當前測試幀長度的交換機吞吐量。

(5)   對于其余配置的測試幀長度，重復步驟(3)到(4)。

2.5   測試結果輸出

交換機吞吐量測試結果應包括幀長、理論最大速率和實測吞吐量數據。除此之外，測試中使用的協議、數據流格式和媒體類型也應該有涉及。測試的具體實現細節信息也可以保存以便進行異常排查。如果需要一個值來表示交換機吞吐量，應該使用最小測試幀長獲得的吞吐量值。

如表2-1所示，以設備的10Mbps接口為例展示了交換機吞吐量測試結果。

表2-1     10Mbps接口吞吐量測試結果

如圖2-2所示，以幀長為x軸，幀速為y軸。除了測試得到的吞吐量值表示為幀速率，理論最大速率也顯示出來進行比較。

圖2-2     吞吐量測試結果圖

3 結論

在實際的生產環境中，交換機要處理的數據流量往往較為復雜，例如需要同時處理各種類型的報文，通過交換機的報文不是單一的長度，有時候會有突發流量對交換機造成沖擊等。

針對這些情況，可以在交換機吞吐量基準測試方法的基礎上進行擴展，更加接近真實工況對交換機性能進測試：

l  加入一定數量的廣播報文、管理報文、路由更新報文進行測試。

l  同時發送多個幀長度的測試流量。

l  模擬發送一定量的突發流量。