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1 引言
互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的高速發(fā)展及人們對(duì)信息處理的迅猛需求加速了數(shù)據(jù)中心在各個(gè)行業(yè)的部署與應(yīng)用，數(shù)據(jù)中心這種集中式的應(yīng)用便利了數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)與共享、增強(qiáng)和整合業(yè)務(wù)系統(tǒng)的應(yīng)用、網(wǎng)絡(luò)安全管理、數(shù)據(jù)容災(zāi)與備份等。但在部署數(shù)據(jù)中心解決方案時(shí)，有一個(gè)重要的問(wèn)題不容忽視——擁塞控制：用戶的隨機(jī)訪問(wèn)性使得某一條鏈路或某一路服務(wù)產(chǎn)生擁塞，擁塞的結(jié)果就會(huì)使得業(yè)務(wù)應(yīng)用變慢，甚至失敗。
2 數(shù)據(jù)中心及擁塞機(jī)制分析
數(shù)據(jù)中心應(yīng)用的典型特征就是業(yè)務(wù)應(yīng)用的匯聚與集中，利用高性能的交換機(jī)/路由器構(gòu)建數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)與交換核心及接入網(wǎng)絡(luò)，連接起終端用戶和業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)（見(jiàn)圖1）。數(shù)據(jù)中心部署中，應(yīng)用系統(tǒng)處理能力可以預(yù)計(jì)且加以增強(qiáng)，數(shù)據(jù)通信及交換系統(tǒng)也可以擴(kuò)充以增加更多的帶寬，但是仍然無(wú)法避免多路用戶訪問(wèn)而造成網(wǎng)絡(luò)擁塞，這種擁塞是隨機(jī)且不可避免的：一些用戶可能通過(guò)交換機(jī)下載文件，另外一些用戶也可能通過(guò)同樣的端口進(jìn)行數(shù)據(jù)計(jì)算，當(dāng)需求的帶寬超過(guò)端口的轉(zhuǎn)發(fā)能力時(shí)，擁塞就會(huì)產(chǎn)生。
圖1 數(shù)據(jù)中心分層模型
當(dāng)擁塞產(chǎn)生時(shí)，用戶的直接感受就是業(yè)務(wù)應(yīng)用或資源訪問(wèn)變慢，甚至失��；從傳輸層TCP/UDP來(lái)看則是報(bào)文延時(shí)、重傳甚至丟失；而在MAC鏈路層，數(shù)據(jù)包因?yàn)閾砣蜁?huì)被緩存、排隊(duì)，也可能因?yàn)殛?duì)列滿而被丟棄。因此，由于擁塞不能避免，對(duì)于交換機(jī)的緩存管理及擁塞處理能力要求相當(dāng)重要，它能使擁塞發(fā)生時(shí)對(duì)業(yè)務(wù)及用戶的影響風(fēng)險(xiǎn)減到最小。
3 交換機(jī)/路由器擁塞分析
交換機(jī)/路由器端口間的鏈路通常都能達(dá)到線速，常規(guī)的L2/L3測(cè)試已經(jīng)覆蓋了這些項(xiàng)目，但如果訪問(wèn)存在多對(duì)一的情況，如12個(gè)GE端口的入口流量流向1個(gè)10GE出端口，出口會(huì)發(fā)生擁塞，在L2/L3的測(cè)試表現(xiàn)上，出口帶寬還是在10G的速率上；但在應(yīng)用層的表現(xiàn)上，應(yīng)用層業(yè)務(wù)的有效帶寬肯定會(huì)明顯降低。當(dāng)DUT因?yàn)閾砣l(fā)生丟包時(shí)，應(yīng)用層業(yè)務(wù)如TCP就會(huì)存在等待、延時(shí)及重傳等相關(guān)的數(shù)據(jù)保護(hù)措施，這些重傳及等待不僅造成有效帶寬降低，產(chǎn)生了大量的無(wú)效帶寬，而且使得L2/L3的轉(zhuǎn)發(fā)能力降低，浪費(fèi)了鏈路的帶寬（見(jiàn)圖2）。而且，擁塞越嚴(yán)重，有效帶寬降低越明顯。
圖2 擁塞產(chǎn)生場(chǎng)景
目前的交換機(jī)/路由器設(shè)備基本上是屬于存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)方式（Store and Forwarding/LIFO），報(bào)文進(jìn)入設(shè)備后，從一個(gè)芯片的緩存轉(zhuǎn)發(fā)到其它芯片上的緩存（如果基于NP/CPU轉(zhuǎn)發(fā)，就會(huì)多了一層CPU的隊(duì)列轉(zhuǎn)發(fā))，再?gòu)木彺嬷羞M(jìn)入轉(zhuǎn)發(fā)隊(duì)列，并從目的地端口上轉(zhuǎn)發(fā)出去；緩存的分配包括配置到端口的緩存及公共緩存。設(shè)備緩存的大小及隊(duì)列調(diào)度能力會(huì)體現(xiàn)在對(duì)于擁塞的處理能力上。這種能力不僅僅表現(xiàn)在擁塞的處理上，而且報(bào)文在緩存中的排隊(duì)效率也會(huì)影響應(yīng)用層的性能。通過(guò)增加緩存可以減小擁塞時(shí)處理能力，但這方面會(huì)增加硬件成本。另外，過(guò)多的緩存會(huì)增加報(bào)文轉(zhuǎn)發(fā)的時(shí)延，從而也會(huì)影響應(yīng)用層的性能。緩存及漏斗的粒度控制也會(huì)對(duì)不同幀長(zhǎng)度的報(bào)文轉(zhuǎn)發(fā)存在不同的影響。緩存的分配與隊(duì)列管理要基于效率與公平的原則，既要保證端口擁塞處理的性能需要，也要保證嚴(yán)重?fù)砣a(chǎn)生時(shí)不相關(guān)的端口被阻塞甚至得不到調(diào)度而餓死。
4 擁塞處理能力評(píng)估
如何評(píng)估測(cè)試設(shè)備的擁塞處理能力及隊(duì)列調(diào)度能力？傳統(tǒng)的測(cè)試方法包括RFC2544的Back-to-Back，RFC2889的Congestion Control Test，但這些傳統(tǒng)的L2/L3測(cè)試手段首先只能是局部地測(cè)試設(shè)備的幾個(gè)端口，另外測(cè)試結(jié)果也只是一個(gè)量值，無(wú)法將其跟真實(shí)的業(yè)務(wù)表現(xiàn)關(guān)聯(lián)起來(lái)，而且難以與同類產(chǎn)品進(jìn)行比較。
在數(shù)據(jù)中心的實(shí)際應(yīng)用中，最重要的是用戶體驗(yàn)，也就是用戶的真實(shí)感受。傳統(tǒng)的測(cè)試情況下，設(shè)備測(cè)試的結(jié)果是一個(gè)測(cè)試很好的指標(biāo)，而到用戶真實(shí)應(yīng)用時(shí)，可能會(huì)是一個(gè)糟糕的情景。因此，改正測(cè)試方法，直接采用真實(shí)的業(yè)務(wù)進(jìn)行測(cè)試，盡量接近用戶行為和體驗(yàn)，讓測(cè)試變得更加真實(shí)，是一個(gè)發(fā)展方向。通過(guò)真實(shí)的FTP/Http L4~L7層業(yè)務(wù)，根據(jù)測(cè)試的最終有效帶寬就可以得出設(shè)備在真實(shí)應(yīng)用中的轉(zhuǎn)發(fā)性能情況，所見(jiàn)即所得。事實(shí)上，目前在數(shù)據(jù)中心的驗(yàn)收或選型測(cè)試中，對(duì)于擁塞性能或緩存性能的測(cè)試比較流行的方法是：通過(guò)部署大量的服務(wù)器連接交換機(jī)/路由器設(shè)備，并在服務(wù)間運(yùn)行真實(shí)的業(yè)務(wù)，如FTP或Iperf軟件，來(lái)測(cè)量最終的有效帶寬（見(jiàn)圖3）。
圖3 測(cè)試10GE鏈路擁塞時(shí)的有效帶寬
5 TestCenter HyperMetrics CM板卡的真實(shí)性測(cè)試
通過(guò)構(gòu)建大量的服務(wù)器連接DUT（交換機(jī)/路由器），并在拓?fù)湓斐蒁UT發(fā)生擁塞，這是一種真實(shí)的L4~L7應(yīng)用測(cè)試模型，也是一個(gè)很好的測(cè)試方法。但對(duì)于設(shè)備廠商來(lái)說(shuō)，在實(shí)驗(yàn)室中擺開(kāi)幾十臺(tái)服務(wù)器來(lái)測(cè)試這項(xiàng)功能，不僅管理起來(lái)費(fèi)事，而且沒(méi)法移動(dòng)和復(fù)制，從成本上來(lái)說(shuō)也是一項(xiàng)不小的投資。
Hypermetrics-CM板卡則能提供一個(gè)很好的測(cè)試方案：首先CM卡能夠產(chǎn)生真實(shí)的應(yīng)用層業(yè)務(wù)，CM卡上的端口既可以模擬成大量的服務(wù)器以供真實(shí)的PC客戶端訪問(wèn)，也可以模擬大量的客戶端去訪問(wèn)真實(shí)的服務(wù)器，且應(yīng)用層協(xié)議棧的實(shí)現(xiàn)與真實(shí)的業(yè)務(wù)一致；其次，CM卡能產(chǎn)生GE線速的應(yīng)用層流量，滿足了測(cè)試中的高帶寬要求；再者，多達(dá)12個(gè)端口的高密度CM卡則能夠同時(shí)模擬12臺(tái)Client/Server，解決了測(cè)試中的大規(guī)模部署問(wèn)題（見(jiàn)圖4）。
圖4 HyperMetrics CM系列——CM-1G-D12
