40/100G高速以太网测试研究

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1 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1 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。

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：