40/100G高速以太网测试解决方案
发布时间：2012-06-15 08:45:37 热度：3255
6/15/2012,随着40/100G高速以太网标准IEEE 802.3ba的标准最终确定，网络设备厂商在40/100G方面开始推出产品，运营商也开始评估高速网络的未来发展方向。
40/100G和10G以太网相比较，主要是在光电接口和物理层方面有区别。
大部分交换机设备厂商率先支持的是40G以太网，而大部分路由和核心设备厂商率先支持的是100G以太网。如何更好地理解40/100G对于网络的影响，需要有相应的测试解决方案。
100G BASE-R实现
一条40/100G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40/100G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40/100G 流。
与传统的以太网物理接口一样，40/100G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。 图 显示了100G接口可能的通道映射关系，其中括号中的值表示一个子层的进出通道数。
PCS子层包括20个虚拟通道，在PMA和PMD子层，根据不同的实现通道数会发生变化，比如100GBASE-R4;在PCS子层，包含20个虚拟通道;在PMA子层为10个;在PMD子层为4个通道。
图 100G BASE-R实现
40/100G测试
虽然40/100G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)L2~L7层
对于高层应用来说，40/100G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40/100G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。
(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 Swap)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。
(3)测试系统本身的挑战
40/100G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40/100G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40/100G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40/100G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。
在多机框测试，或者异地测试中，要求机框之间的时钟必须准确同步。
Sprient TestCenter 40/100G测试系统
Spirent TestCenterHyperMetrics 40/100G以太网模块为网络设备制造商和服务商提供了集成OSI L1~L7 的测试解决方案。HyperMetrics 40/100G以太网模块可应用于以下目的：
(1)服务商和IP系统厂商可利用线速率转发性能分析，验证路由和MPLS服务是否能够扩展到100G以太网核心和边缘接口上。
(2)数据中心交换机厂商可利用纳秒级精度的时延测量能力，对用于互联服务器和存储系统的新型40G以太网交换结构进行基准测试。
(3)光传输厂商可以生成并分析OTN，OTU-3 40G和OTU-4 100G传输网络中客户端接口上的线速率流量，测量第2~3层性能和第1层PRBS和通道偏差。
(4)服务商可以测试所有上述对象并测量有状态HTTP/FTP应用，VoIP和具备Video MOS等质量统计数据的视频的用户体验质量(QoE)。
Spirent TestCenter 40/100G测试模块提供以下测试能力：
(1)第1层通道偏差(Layer 1 Lane Skew)和PRBS测试。
(2)线速率第2层、以太网和MPLS转发性能基准测试。
(3)最大规模路由和MPLS VPN网络仿真。
(4)线速率第3层IP流量生成和分析。
(5)高性能有状态HTTP，FTP及VoIP流量生成和分析。
(6)利用思博伦拓扑结构仿真(Spirent Topology Emulation)在MPLS和IP路由上测量MPEG-2和H.264等实时视频流的视频体验质量。
Spirent TestCenter 40/100G测试模块集成了Spirent TestCenter 优秀的架构，包括HyperMetrics多核处理，NoCodeTM Automation，Intelligent ResultsTM和基于专利技术的Spirent Topology Emulation等。
在此基础上，提供了业界领先的40G/100G测试功能，包括：单端口40/100G以太网模块(每个机箱最多支持6个端口，每个机架最多支持30个端口)，支持现有的9U机架式机框和2U 便携式HS机框。CFP MSA光接口，支持可访问CFP光口的MDIO寄存器。
高性能HyperMetrics多核处理，保证高性能的L2-L7测试。支持内部或外部时钟，可调节PPM 。PMA PRBS 测试模式生成和探测。每个通道的PCVS Skew注入和测量。
PCS lane Swapping和交换探测。PCS通道校准验证。每端口多Stream线速流量生成和分析，集成了Spirent TestCenter 所有的统计量。5ns测量时戳精度，保证40G和100G线速下的准确测量。并通过特有的专利技术，保证不同Spirent TestCenter 机箱之间的精确同步，确保多机框级联测试的稳定性。支持的第2层协议包括802.3，Ethernet II，802.1Q，802.1ad，802.1ah，802.1Qay，FCoE，PPP。
支持的交换，路由，MPLS和城域以太网协议包括所有主要的IPv4和IPv6单播和组播路由协议，RSVP-TE，LDP，VPLS-LDP，VPLS-BGP，BGP/MPLS-VPN，Fast Re-route，Mvpn，P2MP-TE，BFD，LACP，STP，RSTP和MSTP，802.1ag CFM，Y.1731，PBB，PBB-TE，Link OAM等。
支持的接入协议包括AN CP，PPPoE，DH CP，L2TP，IGMPv1/v2/v3，MLDv1/v2等。支持的数据中心测试方案中包括DCE/CEE测试，FCoE，FIP。L4~L7真实应用层协议包括 HTTP，SIP，FTP和视频协议。
优势
(1)更低的总体拥有成本：
这种单一模块可提供40/100G以太网第1~7层测试能力，而现有的Spirent TestCenter机箱均可为其提供支持，其价格低于10个10G以太网测试端口且使用同样简单易用的用户界面。
(2)高性能的多核架构：
高性能的多核架构，配置超出最接近的业界其他产品接近20倍性能，尤其适合于核心路由设备、高性能叠加测试。
(3)业界专业能力：
在十多年前，思博伦发布了业界第一种以太网测试解决方案，后来又提供了业界第1种千兆和万兆测试模块，并于2009年被Frost & Sullivan评为“全球以太网测试市场的领导者”。通过利用思博伦的专业能力并运行全面的测试集，您可以全面地了解实施项目的性能。
(4)Spirent TestCenter架构：
这一全新的模块继承了Spirent TestCenter解决方案的所有优势，其中包括HyperMetrics多核心处理，NoCodeTM Automation，Intelligent ResultsTM和Spirent Topology Emulation。(来源比特网)
40/100G和10G以太网相比较，主要是在光电接口和物理层方面有区别。
大部分交换机设备厂商率先支持的是40G以太网，而大部分路由和核心设备厂商率先支持的是100G以太网。如何更好地理解40/100G对于网络的影响，需要有相应的测试解决方案。
100G BASE-R实现
一条40/100G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40/100G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40/100G 流。
与传统的以太网物理接口一样，40/100G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。 图 显示了100G接口可能的通道映射关系，其中括号中的值表示一个子层的进出通道数。
PCS子层包括20个虚拟通道，在PMA和PMD子层，根据不同的实现通道数会发生变化，比如100GBASE-R4;在PCS子层，包含20个虚拟通道;在PMA子层为10个;在PMD子层为4个通道。
40/100G测试
虽然40/100G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)L2~L7层
对于高层应用来说，40/100G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40/100G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。
(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 Swap)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。
(3)测试系统本身的挑战
40/100G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40/100G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40/100G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40/100G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。
在多机框测试，或者异地测试中，要求机框之间的时钟必须准确同步。
Sprient TestCenter 40/100G测试系统
Spirent TestCenterHyperMetrics 40/100G以太网模块为网络设备制造商和服务商提供了集成OSI L1~L7 的测试解决方案。HyperMetrics 40/100G以太网模块可应用于以下目的：
(1)服务商和IP系统厂商可利用线速率转发性能分析，验证路由和MPLS服务是否能够扩展到100G以太网核心和边缘接口上。
(2)数据中心交换机厂商可利用纳秒级精度的时延测量能力，对用于互联服务器和存储系统的新型40G以太网交换结构进行基准测试。
(3)光传输厂商可以生成并分析OTN，OTU-3 40G和OTU-4 100G传输网络中客户端接口上的线速率流量，测量第2~3层性能和第1层PRBS和通道偏差。
(4)服务商可以测试所有上述对象并测量有状态HTTP/FTP应用，VoIP和具备Video MOS等质量统计数据的视频的用户体验质量(QoE)。
Spirent TestCenter 40/100G测试模块提供以下测试能力：
(1)第1层通道偏差(Layer 1 Lane Skew)和PRBS测试。
(2)线速率第2层、以太网和MPLS转发性能基准测试。
(3)最大规模路由和MPLS VPN网络仿真。
(4)线速率第3层IP流量生成和分析。
(5)高性能有状态HTTP，FTP及VoIP流量生成和分析。
(6)利用思博伦拓扑结构仿真(Spirent Topology Emulation)在MPLS和IP路由上测量MPEG-2和H.264等实时视频流的视频体验质量。
Spirent TestCenter 40/100G测试模块集成了Spirent TestCenter 优秀的架构，包括HyperMetrics多核处理，NoCodeTM Automation，Intelligent ResultsTM和基于专利技术的Spirent Topology Emulation等。
在此基础上，提供了业界领先的40G/100G测试功能，包括：单端口40/100G以太网模块(每个机箱最多支持6个端口，每个机架最多支持30个端口)，支持现有的9U机架式机框和2U 便携式HS机框。CFP MSA光接口，支持可访问CFP光口的MDIO寄存器。
高性能HyperMetrics多核处理，保证高性能的L2-L7测试。支持内部或外部时钟，可调节PPM 。PMA PRBS 测试模式生成和探测。每个通道的PCVS Skew注入和测量。
PCS lane Swapping和交换探测。PCS通道校准验证。每端口多Stream线速流量生成和分析，集成了Spirent TestCenter 所有的统计量。5ns测量时戳精度，保证40G和100G线速下的准确测量。并通过特有的专利技术，保证不同Spirent TestCenter 机箱之间的精确同步，确保多机框级联测试的稳定性。支持的第2层协议包括802.3，Ethernet II，802.1Q，802.1ad，802.1ah，802.1Qay，FCoE，PPP。
支持的交换，路由，MPLS和城域以太网协议包括所有主要的IPv4和IPv6单播和组播路由协议，RSVP-TE，LDP，VPLS-LDP，VPLS-BGP，BGP/MPLS-VPN，Fast Re-route，Mvpn，P2MP-TE，BFD，LACP，STP，RSTP和MSTP，802.1ag CFM，Y.1731，PBB，PBB-TE，Link OAM等。
支持的接入协议包括AN CP，PPPoE，DH CP，L2TP，IGMPv1/v2/v3，MLDv1/v2等。支持的数据中心测试方案中包括DCE/CEE测试，FCoE，FIP。L4~L7真实应用层协议包括 HTTP，SIP，FTP和视频协议。
优势
(1)更低的总体拥有成本：
这种单一模块可提供40/100G以太网第1~7层测试能力，而现有的Spirent TestCenter机箱均可为其提供支持，其价格低于10个10G以太网测试端口且使用同样简单易用的用户界面。
(2)高性能的多核架构：
高性能的多核架构，配置超出最接近的业界其他产品接近20倍性能，尤其适合于核心路由设备、高性能叠加测试。
(3)业界专业能力：
在十多年前，思博伦发布了业界第一种以太网测试解决方案，后来又提供了业界第1种千兆和万兆测试模块，并于2009年被Frost & Sullivan评为“全球以太网测试市场的领导者”。通过利用思博伦的专业能力并运行全面的测试集，您可以全面地了解实施项目的性能。
(4)Spirent TestCenter架构：
这一全新的模块继承了Spirent TestCenter解决方案的所有优势，其中包括HyperMetrics多核心处理，NoCodeTM Automation，Intelligent ResultsTM和Spirent Topology Emulation。(来源比特网)
