服務品質（QoS）測試方法介紹
引言
在同一個IP網路上同時傳送資料、語音和視頻等業務，就必須要考慮服務品質（Quality of Service - QoS）；因為高畫質視頻、對時延要求很高的即時語音服務與對Web頁面訪問和檔傳輸的服務要求有很大的不同。
美國Ixia公司基於ViperCore技術的IxNetwork 5.40版本的發佈，為2-3層測試技術和測試方法開創了新的起點和高度，本文重點介紹使用IxNetwork 5.40進行QoS的測試方法.
QoS測試
QoS概述
QoS可以在OSI模型的二層或者三層實現，主要QoS實現技術包括VLAN 優先順序（802.1p）、IP 優先TOS（IP Precedence）以及差分服務代碼點（Differentiated Services Code Points - DSCP）。
QoS實現的典型功能有：
- 服務分類或分級：該功能主要在邊緣路由器設備上實現，根據設定的規則將用戶側流量分發到預先設定好的流量類別裏。
- 擁塞控制管理：該功能主要應用於當網路發生擁塞時，網路轉發設備採用佇列調度演算法將流量進行分類並根據優先順序演算法送達到某些輸出埠，每一種佇列調度演算法解決某一種流量問題，對網路性能有一定的影響。
- 擁塞避免：該技術主要是即時監測網路流量大小，採用預警的方法在問題出現前避免網路擁塞；這種技術採用“預知”方法對高優先順序的流量予以充分的網路吞吐量和利用率保證，並且具有最少的丟包率和最小的時延。
- 流量策略和流量整形：流量策略主要根據承諾訪問速率（Committed Access Rate -CAR）和最大峰值速率以管理流量；一旦服務超過其SLAs，超過的流量將會被消減或者丟棄。流量整形是採用延遲超過部分流量、平滑突發流量並避免不必要資料包丟失的辦法來管理流量的。
- QoS信令優先：該技術是終端或者網路節點向其“鄰居”請求對某種服務流量進行特別處理的一種方法，其對協調由其他QoS特性提供的流量控制技術非常有用，在網路端到端的QoS服務保障與配置方面扮演著重要角色。
QoS的目標是對需要進行業務保障的流量類型提供帶寬保證機制，並在時延、抖動和減少資料包丟失方面進行控制，表1 描述了這些網路特徵。
網路特徵 |
描述 |
頻寬 |
網路能夠承載流量的最大速率 |
時延 |
資料從源到目的傳輸延遲 |
抖動 |
時延的變化 |
可靠性 |
被路由器丟棄的資料包比例 |
表1 QoS管理的主要網路特徵
IETF對IP 網路提出了兩種主要的QoS模型：綜合服務（Integrated Services - IntServ） 和差異化服務（Differentiated Services - Diffserv）。這兩種模型包括了多種分類機制對各種業務流量進行優先對待，表2是兩種最常見的QoS機制分類。
QoS機制 |
描述 |
管理控制（Admission Control） |
決定那種應用和用戶可以使用網路資源，這些機制指定怎樣，什麼時候由哪些網段可以使用哪些網路資源 |
流量控制（Traffic Control） |
根據優先順序、流量整形（消減突發流量，限制流量速率））等策略，通過分類，調度和標記方式對資料包進行管理，流量控制機制可以隔離流量到不同的服務等級並進行控制，流量的服務等級決定了其QoS處理優先順序 |
表2 IP網路的QoS機制
IntServ綜合資源預留和流量控制機制對每個服務流進行特定處理，其定義了兩類服務：有保證的服務：為端到端的分組排隊的延時提供穩定的、數學上可證明的邊界，使得提供保證延時和頻寬的服務成為可能。另外一種是受控負載的服務。還有就是盡力服務：不提供任何類型的服務保證。而DiffServ模型採用流量控制技術對聚合流量進行管理與服務。
二層QoS測試
二層QoS是在OSI的第二層提供盡力服務或者分類服務（Class of Service - CoS）而不需要保留特別欄位的設置，802.1p採用優先順序（也稱為分類服務）在資料連結層對流量進行優先順序分類。802.1p採用乙太網標籤欄位802.1Q的3個bit，定義了從0到7共8種不同的類別優先順序的服務，圖1是VLAN頭位元組的格式示意。
圖1 乙太網VLAN頭位元組格式示意
IEEE對上述8種優先順序的務設置和流量類型進行了推薦，見表3。
用戶優先順序 |
流量類型 |
0 |
盡力服務（Best Effort） |
1 |
背景流量（Background） |
2 |
備用（Spare） |
3 |
很好服務（Excellent Effort） |
4 |
控制流量（Controlled Load） |
5 |
視頻，小於100ms的時延和抖動（“Video,” < 100 ms latency and jitter） |
6 |
語音，小於10ms的時延和抖動（“Voice,” < 10 ms latency and jitter） |
7 |
網路控制（Network Control） |
表3 IEEE推薦的802.1p 8種優先順序設置與流量類型
二層QoS通常在資料包被交換而不是被路由的接入網路和城域乙太網設備上實現，相應的橋接設備/交換機僅檢查二層資料包頭不需要關心三層或者更高層的內容，這樣可以減少資料包處理時間，提高效率。
測試設備的二層QoS，主要是驗證被測設備輸出佇列的調度功能，大多數路由器和交換機廠商都實現了複雜的佇列調度與規劃機制處理不同優先順序的資料包；不同VLAN優先順序的流量被映射到不同的佇列裏面進行轉發處理。下面四個關鍵性指標是必須要進行統計和計算的：吞吐量、丟包率、時延和抖動。IxNetwork的高級流量嚮導可以快速創建多種CoS值的資料流程並且對每一條資料流程進行即時性能統計，通過對每條流丟包、時延和抖動的即時分析，可以全面驗證被測設備在各種QoS配置下的輸出佇列調度功能。
圖2為典型的二層QoS測試示意圖，本文以實際的IxNetwork配置舉例說明。在該測試中，需要三個測試埠和被測設備或者網路相連，相應埠均被配置為“Trunk”埠。這些埠有一個優先順序佇列和兩個WRR佇列，這些佇列映射和帶寬分佈所對應的CoS值見表4。
圖2 二層QoS測試拓撲示意
佇列 |
帶寬 |
VLAN優先順序 |
1 - WRR low |
30% |
0, 1, 2, 3 |
2 - WRR high |
70% |
4, 6, 7 |
3 – Priority queue |
|
5 |
表4 佇列映射和帶寬分佈所對應的CoS值
在測試方法上，二層流量從圖中的左側兩個埠到右側的一個埠，流量配置為VLAN優先順序為0,4和5三種優先順序，資料幀大小分別為512，1280和68類比資料、視頻和語音流量。IxNetwork配置中採用對3個VLAN優先順序的流量進行追蹤，創建的3條資料流程的丟包、時延和抖動都可以即時顯示。在測試過程中，開始可以產生較小的流量，接收埠不會擁塞丟包，隨後可以增大流量造成擁塞，QoS設置生效，可以觀察到低優先順序的流量被丟棄。
圖3是上述實例通過IxNetwork測試得到的結果顯示，從上面可以看到，基於VLAN優先順序的每條資料流程性能指標都即時顯示，低優先順序的流量有較為嚴重的丟包。
圖3 IxNetwork VLAN優先順序資料流程統計結果示意
IxNetwork同時還提供強大的問題定位功能，如果測試結果和預期不一致，可以通過IxNetwork所提供的分析功能進行問題查找，表5列出了在測試過程中可能遇到的兩種問題以及解決方法，供參考。
| 問題 |
解決問題方法建議 |
所有CoS流有相同的丟包率 |
檢查被測設備的配置，確認QoS設置生效並且在全局情況下應用到流量入埠，或者採用IxNetwork的Ingress/Egress 統計分析功能查看接收資料包的QoS值 |
被測設備不能轉發任何類型的流量 |
檢查被測設備所配置的VLAN 資訊是否和Ixia埠所配置的VLAN資訊是否一致 |
表5 二層QoS測試過程中可能遇到的問題以及解決方法建議
三層QoS測試
三層QoS是在OSI模型的三層對流量進行分類和差異化處理，目前應用較多的是基於Diffserv模型，在這裏也做重點介紹。Diffserv使用IP資料包（包括IPv4和IPv6）頭的TOS位元組進行優先順序設置，目前有兩種Diffserv的實現方式：
第一種是TOS/IP優先，TOS位元組被分為三個不同的域，位0-2提供8種IP優先順序；高優先順序的會比低優先順序的資料包有更少量的丟包；另外TOS域還對資料包提供不同時延、吞吐量和可靠性的服務。
TOS/IP優先順序不僅定義了資料包的優先順序，也可以指定同樣優先順序下資料包的丟棄原則。比如FTP和TELNET兩種服務具有相同的優先順序，但是在擁塞情況下，可以通過TOS/IP 優先順序指定FTP服務有更多的丟包。
圖4 IP TOS欄位示意
第二種為差異化服務，見圖5。差異化服務有兩個重要組成部分，一為資料包標記，IP TOS位元組的前6位元已經被重新定義為差分服務代碼點（DSCP）值，這些DSCP值用於支持多達64種不同種類的流量優先順序設置。具有相同DSCP值和方向的資料包稱為行為聚集（Behavior Aggregate - BA）。另外一部分為每跳行為（Per Hop Behavior - PHB），其由網路節點對任意特定BA的資料包進行調度、排隊、實施策略和流量整形，可以對不同的BA配置為不同的策略。
圖5 IP TOS 差異化服務位元（Bit）設置示意
下面的PHBs類型在Diffserv QoS機制下廣泛應用。
缺省 PHB (Default PHB)，其定義DSCP值為000000，資料包被定義為該值表示可以提供盡力服務（Best Effort）。
Class-Selector PHB，該PHB值是確保核TOS/IP優先順序相相容，DSCP值被標示為xxx000，這裏的xxx和相應的IP優先順序值一致。
Expedited Forwarding PHB，該PHB為高優先順序應用，比如VoIP提供少丟包、低時延、少抖動和保證頻寬服務。
Assured Forwarding PHB，該PHB定義了不同Bas可以指定為不同優先順序以及資料包丟棄順序的方法，對具有相同業務等級的不同資料包QoS控制也更加靈活，資料包的丟棄順序可以設置為低、中和高三種。
IxNetwork 不僅測試二層QoS非常方便，在設置和測試三層QoS方面，更是快速便捷，一般採用兩個埠就可以實現該該測試，圖6為測試示意，三種QoS優先順序的資料流程從埠1發出經過被測設備根據TOS 優先順序原則處理後到埠2進行即時分析。
圖6 Ixia 同時產生和分析超過百萬條具有不同或者相同優先順序的資料流程示意
在操作IxNetwork進行三層QoS測試過程中遇到問題，可以參考表6。
| 問題 |
解決問題方法建議 |
不能PING通被測設備 |
在IxNetwork “Prototocl Interface”上檢查是否有紅色感嘆號（!），如果存在，是IP地址和閘道地址不匹配造成的；從“Discovered Neighbors”項中確認學習到正確的位址資訊 |
被測設備有丟包 |
檢查被測設備的配置：
確保Ixia埠所發送的流量不超過被測設備埠的最大轉發能力
被測設備沒有配置限速等參數 |
TOS優先順序位元沒有被重新標記 |
檢查被測設備是否正確配置了識別與標記報文的策略 |
表6 三層QoS測試過程中可能遇到的問題以及解決方法建議
結束語
基於ViperCore技術的IxNetwork 5.40，實現了目前業界最為強大2-3層性能測試的同時，為測試帶來方便，提高了測試人員的效率，該版本有五大重要特點：互聯網級別的服務模型仿真；靈活、多樣的統計指標幫助快速定位故障所在；業界第一個控制層面和轉發平面結合的”TrueView”收斂時間測試工具；電信級別的可擴展性，測試配置和實現效率最高；完整的端到端系統級別自動化支援。
目前大部分客戶正在升級該版本進行測試使用，並且Ixia專門針對各種應用技術開發了相應的測試方法學文檔，具體可訪問
http://blackbook.ixiacom.com/ 或者聯絡Ixia工程師得到相應的操作技術資料。
