【網路損傷模擬測試技術分享】真實的網路環境有哪些方面需要進行模擬和測試？

前言
研究發現，60分鐘無法接入網路空間會造成的世界經濟損失為15億英鎊。10小時無法接入，損失金額上升至150億英鎊。24小時後，損失金額將高達370億英鎊。據估測，只要全球網際網路當機24小時，亞馬遜就會損失7.72億英鎊之多，相當於每小時損失3200萬英鎊，每分鐘損失超過50萬英鎊（£536,111）[1] [2]。
下表為Merchant Machine查詢各家公司的年收入，換算出斷網一天、一小時、一分鐘可能帶給企業的經濟損失[1] [2]。


已完成網路性能測試，為何還需要進行網路損傷模擬測試?
近幾年網際網路快速發展，網路的複雜度也日益提高。根據諮詢機構的研究，全球超70%的應用部署都是失敗的。應用上線以後維護成本的80%都用於解決之前未充分測試而帶來的問題。面對高昂的費用，只有在網路系統及通信設備上線前，通過有效的手段，模擬現實網路中的各種異常情況來進行充分測試，才能保證網路系統的可靠性。
於是，大家越來越重視網路性能的測試，輸送量、丟包和時延已成為網路品質評估的標準參數。大家不僅在實際網路開通時進行網路品質測試，更願意在實驗室裡對相關的組網環境進行提前模擬，反復測試網路設備的性能，以發現更多潛在的問題，從而及時規避和解決，減少網路部署以後的風險和麻煩。
但是，所有的這些測試都是對網路設備和網路環境的正面測試。測試雖然驗證了網路設備和網路環境的性能，驗證了網路頻寬，丟包率和時延，但所有這些測試都是由儀器主動發起流量，沒有任何其他異常事件的干擾，得到的是一個理想狀態下的網路性能。
而現實中的網路品質狀況參差不齊。由於設備運行狀況、傳輸距離、網路架構、路由穩定性以及網路擁塞等諸多因素，網路品質不穩定的情況是不可避免的。
另外隨著越來越多網際網路業務的使用，對業務品質的要求也在持續加強。比如對電信VoIP業務的話音品質、通話接通率，對視頻業務的圖像畫質，對IPTV業務的頻道切換速度等等的要求都更為嚴格。

尤其隨著5G技術的演進，通過無線接入的業務以及無線基站的回傳鏈路及時鐘傳輸等技術，這些對於網路品質較為敏感的業務，在實際部署之前都有必要在實驗室內進行不同網路品質環境下運行情況的驗證，才能保證正常的網路品質和上層應用的流暢運行。
舉個例子，一個4G基站的覆蓋半徑是1000-3000米，最多可以容納3000人同時上網，但在旅遊黃金周時期，一個4G基站覆蓋的範圍內很可能有上萬人，那麼每個用戶的可用頻寬就會下降[3]。而現實中存在著大量的諸如此類的低品質網路環境：運行的電梯，高速行進的汽車，高鐵，地下車庫，擁擠的購物中心等等。
再以如今的直播和視訊會議等即時影音應用為例。這類應用對影像的連續性、圖像品質、音訊品質、連接穩定性都有非常高的要求。一旦應用無法處理好網路變化帶來的問題，就會對影音的品質造成影響，給客戶帶來非常不好的使用者體驗。
而通過在實驗室環境中添加網路損傷模擬儀，構建真實的網路環境，在部署前進行穩定性測試，可以給產品品質帶來提升，給客戶帶來良好的使用體驗，增強企業口碑，同時可以避免後期為了解決問題帶來的大量維護成本。
 
真實的網路環境有哪些方面需要進行模擬和測試？
下面我們簡要給⼤家介紹一些在進行網路損傷(Impairment)模擬測試時需要考慮的內容：
1. 時延和抖動：
光纖或者電纜通常一米會產生4.9ns到5.1ns的時延，通過一台路由器或者交換機會產生幾個µs到幾十µs的固定時延。在網路發生擁塞或者線路切換的時候，會引起ms級的時延和抖動。
 
2. 丟包：
當介面、光纖或者光模組有問題的時候，會造成丟包。在發生嚴重的網路擁塞或者鏈路切換的時候，都會造成一定程度的丟包。網路流量攻擊也會引起大量業務封包的丟失。
 
3. 頻寬限速：
營運商通常會根據QoS服務對使用者頻寬進行一定程度的限速。
 
4. 重複包：
網路重傳機制啟動以後，會根據網路狀況進行單次或者多次重傳。
 
5. 亂序包：
抖動、擁塞或者丟包都會導致一定程度的亂序包發生。

6. 累積和突發：
擁塞時和擁塞以後，會出現一定的封包累積以後突發的狀況。
 
7. 分割：
當資料包太大，無法在網路中一次傳輸完成時，TCP/IP協定會將資料包分成小塊進行傳輸，這就是分割傳輸。在網路不同節點上由於MTU的差別，會有分割封包的發送。
 
8. 誤碼率 (BER)：
在數位通信中，資料傳輸都是通過將資料轉換成二進位位元流進行傳輸的。由於傳輸過程中收到各種雜訊和失真等干擾因素的影響，導致接收端收到的位元流可能與發送端的不同。
 
9. 封包修改：
封包內容欄位經過路由器或者交換機的時候會根據相關協定進行欄位的修改和重新填充。
 
10. 影音訊框的損傷：
I訊框 (Intra-coded picture frame內編碼圖像訊框) 是關鍵訊框，訊框內壓縮，是P訊框和B訊框的參考訊框；
P訊框 (Predictive-coded picture frame前向預測編碼訊框) 屬於前向預測的訊框間編碼，它參考前面的I訊框或P訊框；
B訊框 (Bidirectionally predicted picture frame雙向預測編碼圖像訊框) 是雙向預測編碼訊框；
 
影像通信中若遇到丟包、擁塞等低品質網路情況，一般的RTC系統在進行錯誤恢復時需要編碼I訊框，即只能利用訊框內資訊預測編碼，通過QoS和視訊編碼的聯合優化，在此種場景下利用長期參考訊框進行訊框間資訊預測，編碼P訊框，相對於I訊框顯著提升壓縮效率，提升低品質網路環境下視訊的流暢性和清晰度。然而在有P訊框丟失的情況下，後面的P訊框則不能正確解碼。一般的做法是，接收端需要重新請求I訊框才能夠繼續正確地解碼和播放。
 
11. 測試拓撲：
要考慮單條線路，多條線路，一到多，多到多的全網狀測試拓撲。


Calnex網路模擬儀系列產品介紹
Calnex 是一家專門從事同步測試和網路損傷測試解決方案的公司。經過近20年的開發與積累，Calnex為全球提供全面的網路損傷測試解決方案， 有多個系列網路損傷模擬儀可供選擇。
以下以最新款的損傷系列SNE網路模擬儀為例，展示其功能和操作介面。
- 可拖拽的基於web的圖形化介面， 簡單易用
支援拖拽式拓撲配置管理，圖形化拓撲和損傷狀態顯示，易於測試人員快速上手測試。

- 業界領先的埠密度
最⾼可達8個100GbE/50GbE , 14個40GbE , 16個25GbE或28個10GbE/1GbE埠。⽀持各速率卡混合配置，靈活滿⾜所有測試需求。
 
- 點到點、一到多以及全網狀拓撲
支援多個介面間互相進行流量轉發，可在各個線路上添加網路損傷統計、抓包等等。

- 豐富多彩的損傷工具
SNE提供所有常見的損傷，包括延遲、抖動、頻寬限速等。此外，它還提供高級損傷，包括碎片、視訊損壞、BER 損壞、重新排序等。

損傷


分析


生成


篩檢程式


- 雙向可多達上百條的串聯的流篩檢程式
SNE⽀持基於接口和基於流的損傷測試，提供⼤量的內置篩檢程式，通過流篩檢程式對流量進⾏區分，然後分別做不同的損傷測試。您還可以將篩檢程式串聯在⼀起以創建更多複雜的篩檢程式（例如，您只需兩個篩檢程式就可以找到VLAN ID是90且埠為8080的HTTP流量）。

- 傳統Restful API自動化和GUI Timeline自動化並存
通過GUI配置參數，即可完成自動化損傷測試，方便快捷，無須任何指令碼語言的學習和基礎。

同時支援傳統自動化方式寫腳本，Restful API架構，儀器特別設計了電子版API文件，可以直接在頁面進行腳本運行和除錯，非常方便。


- 直觀的圖形化頻寬分析


- µs級精度的抓包和重播分析


- 可添加TCP/UDP背景流量



接下來，我們會分多期內容，詳細為大家解讀如何在以下應用中進行損傷測試：
- 資料中心三部曲之分散式存儲；
- 資料中心三部曲之資料中心遷移；
- 資料中心三部曲之RDMA；
- 6G 衛星；
- 影音視訊會議和直播；
- 前傳網路測試；
- 遊戲：雲遊戲和傳統遊戲；
- XR (VR、AR、MR)；
- VOIP；
- SDN 和 SD-WAN；
- 電信三部曲之OAM、TWAMP、BFD；
- 電信三部曲之EVPN/VXLAN，5G CORE；
- 電信三部曲之NQA；
- 智慧終端機；
- 物聯網的測試；
- 廣播電視；
-飛機。