摘要 介绍了最新的40GE和100GE技术标准进展、相关术语、当前的测试重点，各种10G接口的技术，对10G全面的2~7层测试方法与实施，分析了测试PCS层的重要性与方法，总结了IXIA领先的测试解决方案。
1 引言
网络流量快速增长很快就突破了当前以太网传输速度标准的极限。随着宽带用户数量的增加、用户对高带宽需求业务的快速增长以及“实时在线”对网络计算和存储资源的要求，使互联网骨干网的带宽每年必须以75%~125%的速度增长才能满足多方面的要求。在这种背景下，高速以太网技术的研究与应用也越来越普遍。
本文根据当前业界技术的进展，介绍了40/100GE技术以及10G的测试技术，总结了美国IXIA公司当前业界第一个也是惟一的40/100G测试技术要点实现，分析了10G的2~7层测试方法。希望对关心相关技术的读者有所帮助。
2 40/100G测试技术
2.1 标准与业界进展情况
根据目前的说法，高速以太网（HSE，High Speed Ethernet）是专指40GE和100GE的以太网。2006年7月，IEEE 802.3成立了高速链路研究组（HSSG，Higher Speed Study Group）来定义标准的目标。2007年12月，HSSG正式转变为IEEE 802.3ba任务组，其任务是制订在光纤和铜缆上实现40Gbit/s和100Gbit/s数据速率的标准。2种速度主要针对服务器和网络方面不同的需求，100GE适用于聚合及核心网络应用，而40GE则适用于服务器和存储应用。下面是标准的主要进展情况与计划：
（1）2008年5月，选择出最适合的40/100G实现方案。其中，Cisco公司提出的物理编码子层（PCS，Physical Coding Sublayer）被批准为正式的草案。
（2）2008年9月，技术草案版本0.9确定并发布，大部分的技术内容和规范被确定，相应的产品开发计划可以更加确定地遵守标准进行。
（3）2008年11月，计划推出技术草案1.0版本。
（4）2010年6月，计划对40/100G实现标准化并发布。
目前，已经有超过20家相关公司明确表示并正在进行相关技术的研发。在欧洲，由主要电信设备制造商参与的CELTIC协会也发起了100GET计划，旨在推动100G技术的向前发展。
2.2 40/100G基本概念
在了解40G和100G测试之前，首先了解一下相关名词以及定义。这些名词术语对了解40/100G技术与测试非常关键。
（1）光传送网络（OTN，Optical Transport Network）：指能够和40/100G设备直接相连的光接口交换设备。
（2）40GBASE-R：IEEE 802.3标准中采用物理编码子层（PCS）技术，使用64/66B块编码方式在多个通道上实施的40G物理层设备。
（3）100GBASE-R：IEEE 802.3标准中采用物理编码子层（PCS）技术，使用64/66B块编码方式在多个通道上实施的100G物理层设备。
（4）虚通道（VL，Virtual Lane）：PCS分发编码的数据到多个逻辑的通道上，这些逻辑的通道就称为虚通道，因为在PMA接口上，一个或多个PCS通道可以被拆分或者承载在一个物理通道上。
（5）多通道分布（MLD，MultiLane Distribution）：管理通道分布的PCS机制，多通道分布是允许网络提供商将多个10GbE或速度更高的线路结合到一个逻辑上为100GbE或40GbE的链路中。目前，在一根铜缆或光纤上通常能够达到的最高以太网速率为10Gbit/s。MLD提供了一种将100Gbit/s流量“分为”多个“虚拟”线路的方式，其中每个线路都具有自身的校准标识。MLD是40/100G技术实现中的核心机制，也是在产品研发阶段测试的重点。
由于40/100G技术是在10/100/1000M，10G等速率以太网技术发展起来的，所以很多特性都是相同的。比如都使用802.3规范所定义的以太帧规范，和目前的802.3规范所定义的最大、最小帧相同，最大帧长为1518bit，最小为64bit。和10GE接口一样，仅支持全双工模式。支持光纤和电缆2种物理承载与数据传送方式等。
但是为了适应更高的数据传送效率，40/100G也做了很多改进与提高。其中一个要求就是在MAC/PLS业务接口上要小于或者等于10-12的误码率（BER）。
MAC数据速率要达到40Gbit/s和100Gbit/s。对相应物理层的规范见表1。接口类型的描述见表2
表1 传送距离规范
表2 40/100G接口类型
由于技术还在标准化进程中，40/100G接口模块还没有商用化的产品推出。MLD是实现40/100G的关键技术，所以在目前阶段，测试主要集中在PCS层。这也是100G以太网最独特的地方。图1是一个标准IEEE 802.3协议栈的示意。
图1 基本IEEE 802.3协议栈示意图
PCS层的主要功能包括：
（1）提供数据帧的描述（Frame Delineation）。
（2）控制信令的传送。
（3）提供SerDes类型的电和光接口所需要的时钟传送。
（4）通过剥离或者分离的方式将多个通道绑定到一起。
2.3 40/100G产品测试
和其他新技术一样，如何测试40/100G是一件有挑战的事情，虽然100G和其他速率接口的重要区别是在PCS层，但是完整的2~7层测试对100G来说同样重要。100GE和40GE链路和交换机、路由器和服务器直接相连接。所以，真实业务的流量性能测试是必不可少的。另外，100G接口也必须能够和其他低速率的接口一起配合进行测试。在目前阶段，根据IXIA的经验，首要进行的测试点集中在PCS层，主要考虑的测试点包括：
（1）64/66bit同步位锁定
每个接收侧的虚通道必须根据控制bits正确识别64/66bit块，接收侧能够根据规范对相应的bit位进行锁定。为了评估和标准的一致性，各种bit位在标准的规定下必须由测试仪表产生，这样被测试的接收端口就可以根据需要加入错误的同步位bits或者错序检测，并可以得到监测和分析，在测试过程中，可以对错误的同步bits位实时计数与统计。
（2）虚通道对齐标示锁定
每一个虚通道必须正确锁定对齐标示，这和用于64/66bit同步位锁定的技术类似。但是除了基本的对齐标示锁定之外，还要对一些限制条件进行验证。比如，如果标准要求经过n个连续的非错误对齐标示锁定，那么测试必须保证对任意对齐标示位进行锁定。相反，如果虚通道锁定经过m个连续的错误对齐标示位丢失，那么测试必须保证能够锁定相应的错误对齐标示。这就要求测试仪表能够对相应的错误信息进行计数与统计。
（3）位偏斜误差和补偿
各种电信号或者光信号的位偏斜都会引起接收侧的虚通道到达的数据时间上有所不同，虚通道对齐标示用于接收侧的虚通道自己的识别和重新对齐。为了测试位偏斜误差和补偿算法，测试仪表必须能够在虚通道中产生所需要的或者特定数量的位偏斜。接收侧的PCS层能够补偿标准规定的位偏斜。另外，测试仪表也能够测试准确的位偏斜容忍度并实时显示。
（4）发送侧流量到接收侧的虚通道随机映射
根据标准的定义，在发送侧，数据在特定虚通道的数据传输可以映射到接收侧任意的光纤线路上，如图2所示，红色的线标示了数据可能传送的路径。虚通道的数量不需要和实际物理通道的数量一样，但一定要保证特定虚通道上发送的数据能够在接收侧正确汇聚到一起，这就要求接收端口能够在100G速率下重新组合与排序任意虚通道的映射。测试仪表能够仿真不同的虚通道组合场景对该特性进行测试。图3是采用MLD多虚拟通道映射机制的示意。
图2 数据在物理通道和虚通道上传送示意
图3 多通道数据传送的MLD机制示意图
40/100G 2~3层流量的线速发送、接收和性能实时分析，包括时延、抖动、丢包；对错误数据包的处理能力包括错误检测和计算、数据包的完整性检查、数据包的顺序性检查等。
2.4 IXIA方案的特点和优势
IXIA自高速链路研究组和802.3ba建立以来一直参与其中的工作，并为实现业界标准而献计献策。2008年6月，在美国拉斯维加斯举行的NXTComm08展会上，IXIA演示了100G以太网线速数据流的生成和分析的首次实现。IXIA与合作伙伴Infinera公司一起联合演示了100Gbit以太网流量在长距离网络中的传送。合作伙伴们认为，此次100Gbit以太网流量的传送演示是一项重大进展，标志着在不久的将来100Gbit以太网产品和服务将投入实际运营。
图4是IXIA展示的线速100GE流量发生和分析示意。流量将被传送到Infinera DTN DWDM传输系统上的100GbE接口，接着被DTN系统交换，传输后通过长距离DWDM网络传送到洛杉矶；在洛杉矶，流量被环回，再传回到拉斯维加斯的Infinera展台。在IXIA的XM2机框上可以得出该业务的性能指标。
图4 IXIA 100G长距离网络传输概念验证方案演示
IXIA是目前业界第一个也是惟一支持40/100G测试方案的厂商，在近期发布的产品中，支持PCS层的测试以及2~3层的流量性能测试，并计划在随后的版本中推出4~7层的业务测试支持能力。图5是IXIA 的40/100G测试模块和2~7层便携式机框示意图。
图5 IXIA 40/100G 产品和通用2~7层机框
3 10G测试技术
3.1 10G接口介绍
根据IEEE 802.3标准，10G接口技术目前有多种封装方式，最常见的为LAN，WAN和POS三种封装方式，LAN方式就是通常所说的以太方式，应用也最为普遍。在WAN模式下，10GE采用SONET帧结构，速率控制在9.58464Gbit/s，因此能直接接入SONET传输环网上，在广域范围内实现端到端的信号传送。但与标准的SONET OC-192接口不同的是，WAN模式没有时钟同步机制，不能参与环网的线路控制，也不支持SONET信号的通道化；它仅仅是SONET传输环网的一种业务接入手段。为实现WAN模式，需要对标准的10GE信号进行帧格式的调整，速率的适配，这个工作就交由WIS（WAN Interface Sublayer）子层完成。POS方式就是标准的SONET方式。
从物理接口类型上来看，10G接口和其他低速率以太网不同，有多种接口类型，包括XAUI，XENPAK，XFP，铜缆（10G Base-T）等。其中，XFP的类型最为普遍。图6为IXIA XFP LAN/WAN适配器以及XFP收发器和IXIA 10G Base-T测试模块，图7为IXIA XENPAK适配器和CX4收发器和IXIA XENPAK适配器和XENPAK收发器。
图6 IXIA 10G XFP 和10G Base-T接口模块
图7 CX4收发器与XENPAK收发器
3.2 10G 产品测试要点
从前面的介绍可以看出，与10G相关的标准和接口种类比较多，所以从测试的角度看，首先要进行的是进行10G芯片及接口的测试；但在所有相关的测试内容中，对于XAUI接口的测试，是一个非常重要和基础的部分。原因在于，XAUI接口是物理层和数据链路层的一个分水岭，有大量的10GE收发模块包括XENPAK，XPAK，X2，CX4都是基于XAUI接口开发，在XAUI之下可直接测试收发模块PCS，WIS，PMA/PMD各子层的功能及处理性能；而在XAUI之上，可测试母板在MAC，RS子层的功能和转发性能。
（1）10G产品交换系统及测试
10G交换系统最典型的设备就是万兆以太网交换机，根据其设计结构和应用点，要考虑的测试点包括以下几点。
●数据包处理器（Packet Processor）的运算能力。因为包处理器需要作大量的读取包头信息、查表运算。查表运算是非常消耗CPU资源的，在10GE的速度下，包处理器每秒钟需要读取的包头数量可以高达14,880,952个，在复杂的分类规则约束下，包处理器不仅只检测MAC DA，SA等常规信息，经常情况是需要检测类似VLAN，VLAN Priority，MPLS，TOS，IP DA，SA等多层信息，而且还需要根据这些信息查询多个表项（路由表、转发表、标签转发表、过滤条件表），并找到以太网包的合法性和出口属性，数据包处理能力的好坏直接决定产品的性能。
●表单（Lookup Table）容量。在入口板卡上，会同时驻留类似MAC地址表，ARP学习表，路由表，转发表，标签转发表，过滤条件表等多种表项，这些表项的容量大小及存取速度直接决定了可以同时处理的以太网包的复杂程度，转发效率。如果容量太小或存取速度太慢，可能直接在本环节形成失效，无法转入下一处理环节。
●流量测量器（Meter）的处理能力。流量测量器需要在10GE线速情况下，根据单漏或双漏的定义规则，对连续经过的报文进行长度、包间隔、突发大小、平均速率、峰值速率快速运算，并进行相应的标记。需要注意的是，这种运算可能不仅仅是针对一条流，有可能是针对多条流，甚至是成百上千的流。这也是一个CPU资源消耗型的器件。在QoS管理中会造成性能的瓶颈，甚至是管理功能的失效。
●队列（Queue）的缓冲和调度能力。队列的数量是一个很重要的指标，他决定了队头阻塞（HOL）发生的可能大小；队列的容量是另外一个很重要的指标，当出口发生拥塞时，如果队列容量太小，会造成丢包的急剧增加，直接影响业务质量。在10GE端口上，由于带宽较GE要高出10倍，通常会处于核心节点，用于收敛和汇聚各个方向的用户，其承载的用户量也是非常惊人的，通常可以达到30万左右。因此，相应的队列要求也比一般的千兆系统要高出十几倍，甚至更多。另外，由于对队列的调度存在多种算法，如WRR，WFQ，Strict Priority等，各种不同的算法会同时作用到不同的队列上，因此能否按设定的规则同时对高达30万级的队列进行正确的调度，是衡量队列调度能力的关键。
●交换矩阵（Switch Fabric）的交换能力。一个10GE的交换系统，能否真正做到全网状无阻塞的线速交换，除了前面提到的一系列处理器件外，最核心的部分就是交换矩阵。首先，他是否是真正的全双工矩阵器件，还是部分总线型的器件。另外，在每一个方向上，是否真正能达到线速交换，交换的延迟有多大，是否有控制上的缺陷等，都是我们需要重点考察的问题。对于组播和广播报文，交换矩阵通常承担主要的复制工作，复制的数量和速率，会对交换矩阵的性能产生很大影响，因此需要重点考察交换矩阵的复制效率和正确性。
●控制平面（Control Plane）路由学习和收敛性能。在常规的交换系统内，路由的计算和运行都位于主控系统上，运算的结果需要反映到各线卡的转发表项中，因此主控平面的性能好坏，直接决定了转发表项的生成效率。与主控平面性能相关的测试指标，包括路由运算的速率和路由数据库的容量。同时，能够运行的协议种类，如LDP，OSPF，BGP，PIM等；当路由拓朴发生变化时，路由平面的收敛速度；路由计算结果转化为各转发表的速度。
根据上面的关注点，主要性能测试点包括：
●10GE线速情况下的二、三层吞吐量、时延、抖动等基准指标。
●10GE线速情况下对包的过滤能力，包括针对不同的MAC地址，IP地址，TCP/UDP端口地址或以上地址的组合。
●10GE线速情况下根据包内容QoS的设置，对包的优先级处理能力。
●10GE线速情况下根据业务约定条件（如速率大小、突发大小），对流量进行限制和标记处理能力。
●处理队头阻塞的能力。
●10GE线速组播和广播复制能力。
（2）10GE应用层测试
10GE应用层的测试是随着服务器市场的高端化逐渐展开的，一方面有越来越多的服务器开始支持10GE接口，另一方面网络中间设备已经大量地采用10GE互联，需要承载4~7层的应用层流量，这2个主要因素促使10GE上的应用层测试越来越频繁。
与常规的二、三层测试指标不同，在应用层，大量的测试是与TCP的并发连接，以及应用的服务质量相关。由于应用层通常都是有状态的流量，需要CPU的全面干预，因此CPU的能力是10GE应用层测试的一个关键因素，它对测试模块提出了很高的要求。
应用层的测试，通常也有一个循序渐进的过程：
首先，需要测试服务器或网络中间设备的TCP并发能力，因为绝大多数的应用都是承载于TCP层之上，TCP的并发能力直接影响到应用的性能。在这个环节，需要关注10GE上的TCP并发连接数、新建TCP连接的速度、TCP连接拆除的速度、完整的TCP会话数等测试指标；如果按理论值，在10GE上，TCP的并发连接数可以达到496万个/s，完整的TCP会话数可以达到297万个/s。（一个TCP连接需要3次握手，一个TCP会话需要5次握手）如果按每个用户平均5个TCP会话数来算，一个10GE端口每秒可以容纳的用户数将高达60万，这是一个非常惊人的数字。
其次，在TCP之上，是真实的4~7层业务流，最典型的是HTTP应用。与TCP一样，对于HTTP的应用层测试，也要考虑HTTP的并发连接数，新建HTTP连接的速度，HTTP的响应速度等指标，用以衡量HTTP的用户支撑能力。由于HTTP的会话或长或短，需要消耗大量的带宽，会导致在一段时间内TCP的并发连接数与理论值有很大的差异，但这是否意味着TCP的并发连接测试失去意义呢？答案当然是否定的。道理很简单，HTTP只是TCP之上的一种应用，而且存在大量的超短会话，TCP的并发连接支持能力会限制HTTP的最大并发数。除此以外，还要考虑HTTP的有效吞吐量，HTTP的返回代码值统计等应用层服务质量的测试指标。
第三，在TCP之上，还有大量的其他多种多样的应用，也就是通常所说的多重业务播放。以当前流行的IPTV业务为例，其包括RTSP点播和Multicast组播2种业务模式，重点考察点播用户数，MDI视频传输质量，视频的QoE质量指标MOS_V，组播频道切换，加入时延，离开时延等测试指标。
3.3 IXIA 特点和优势总结
IXIA公司通过强大和完整的10G测试平台的支持，提供了业界领先的10G测试解决方案。
（1）提供了业界最全面的10G接口类型，目前主流的接口类型包括XFP，SFP+，XENPAK，10G Base-T等。
（2）支持业界最高密度的10G以太网测试。图8是一个测试模块上有8个物理接口的IxYukon模块，该模块节省物理空间和电力消耗。IXIA与Miercom实验室合作，推出第一个“绿色测试”的环保概念。
图8 业界最高密度10G测试模块IxYukon
（3）对于10G Base-T物理接口，支持Category 6A和7类线缆上传输距离超过100m。
（4）领先独特的设计结构支持业界惟一的10G应用层线速测试。
4 结束语
根据美国著名咨询公司Frost & Sullivan的报告，IXIA 2007年在GE和10GE测试仪器份额上，全球排名第一。这得益于IXIA公司成立11年以来一直专注IP测试技术，并保持创新性，推出的一体化2~7层测试平台支持包括10/100/1000M，10G，40/100G等全面的以太网接口。特别是对10G，40/100G等高速率接口的技术投入和快速跟进，保证了技术的领先性。IXIA全面领先的高速率以太网解决方案为产品开发与设备部署提供了可靠保证。
