1、.ATM局域網性能測試與分析由安博測試空間技術中心摘要異步傳輸模式(ATM)常被認為是一種解決網絡帶寬瓶頸的技術，但是應用程序從ATM網絡獲得的帶寬受到許多因素的限制。本文通過在CERNET的ATM測試床上的實驗，對基于ATM API的數據交換和基于TCP/IP/ATM的數據交換進行了對比。結果表明，原始的ATM信元交換其效率是非常好的，但在不同協議棧上的應用所能獲得的帶寬受系統軟件、傳統的網絡協議和端系統等諸多方面的限制。通過調整這些因素，可以提高應用程序可獲得的帶寬。關鍵詞ATM網絡性能測試ATM APIPerformance Testing and Analysis 

2、of ATM LANHao RuibingWu Jianping(Network Lab，Department of Computer，Tsinghua University，Beijng 100084)AbstractAsynchronous Transfer Mode(ATM)is often seen as a solution to networks with bandwidth limitation by users today，but the available communication bandwidth to applications is limited by many f

3、actors.In order to compare the data exchange performance on native ATM API and TCP/IP/ATM socket，we carried out some experiments on CERNET's ATM Testbed.The result shows that，raw ATM cell-switching is extremely efficient，however the bandwidth offered to applications of different protocol stacks

4、still varies with current internetworking mechanisms，system software，legacy protocols and end-system's configuration.Varying these parameters can improve the performance of applications over ATM LAN.Key wordsATM network，performance test，ATM API1引言ATM作為一種解決現有網絡帶寬瓶頸的技術近年來發展迅速，它所宣揚的高吞吐率和高性能吸引了

5、眾多的用戶。在用戶將ATM 作為一種骨干高速網絡技術集成入現有的網絡和應用系統之前，我們認為應該首先對這種集成做一個評測。Modeklev和Luckenback曾在這方面做過一些研究1，2。 Modeklev使用了一個由一臺FORE的ATM ASX-100交換機和兩臺Sun Sparc 10組成的ATM局域網，并利用一個稱為ttcp的輔助工具進行性能測試。在這種配置下，應用程序使用TCP/IP/ATM協議棧可以獲得的最大帶寬為 62Mbit/s。其研究亦顯示出數據分組大小和窗口大小對傳輸性能是有影響的。Luckenback也使用相同的ATM局域網環境進行測試，其研究結果主要是發現了性能曲線中的

6、鋸齒現象，并分析了由于AAL層的分段和重組所帶來的延遲。為了確定傳統的TCP/IP協議與ATM技術相結合時應用程序所能獲得的網絡帶寬，我們利用CERNET的ATM測試床 ，對基于ATM API的數據交換和基于TCP/IP/ATM的數據交換進行了對比。這項性能測試是在一個由FORE公司的ATM交換機組成的ATM局域網上進行的，通過使用不同的網絡編程接口，以及變化網絡配置的各種參數(如AAL協議的類型)，我們得出以下的結論：原始的ATM信元交換其效率是非常好的，但是網絡應用所能獲得的帶寬要受系統軟件、傳統的網絡協議和端系統配置等諸多方面的限制。通過調整這些因素，可以提高應用程序可獲得的帶寬。本文第

7、2節對ATM網絡協議做了簡單介紹：第3節介紹CERNET 的ATM測試床和我們的實驗環境：第4節給出實驗過程的設計；第5節分析測試結果并總結全文。2ATM網絡概述ATM網絡是一種使用53 byte信元的快速分組交換網絡3。其協議模型可以分為三層：物理層、ATM層和ATM適配層(AAL)。從OSI協議參考模型來看，它們對應于OSI的物理層和數據鏈路層的一部分。物理層管理兩個互相通信的ATM實體間信元的傳輸。常見的ATM物理層協議有SONET、SDH、DS-3和FDDI等。在我們的測試中使用了速率為 155.52Mbit/s多模光纖物理線路，它符合SDH的STM-1標準。在減去SDH幀5.184M

8、bit/s的段開銷后，物理層實際可利用的帶寬為 150Mbit/s左右。ATM層定義信元的大小和結構。每個信元由5byte的信元頭和48byte的負載域組成。信元頭中的虛電路標識VCI和虛路徑標識VPI合在一起表示了一條虛連接。這兩個域是實現ATM信元的路由、多路復用和拆分時要使用的。考慮到每個信元有5btye的頭開銷，因此，從ATM層獲得的實際可用帶寬為136Mbit/s左右。ATM適配層(AAL)將高層發來的用戶數據分段，劃分為可在ATM層傳輸的信元進行傳輸，并在接收端將其重組。為了支持各種不同的數據服務，ITU-T定義了四類服務(A，B，C，D類)和四個AAL協議，其中AAL 0/nul

9、l不支持分段和重組，AAL 1支持A類服務，ALL3/4和AAL 5支持C類和D類服務。其中AAL5是為了減少AAL3/4的開銷而設計的，它對每個高層的數據包計算一個32位的CRC校驗和，而AAL3/4則為每個信元計算一個10位的校驗和。兩者之間的另外一個差別是AAL5的信元負載為48byte，而AAL3/4只有44byte。3CERNET的ATM測試床和實驗環境3.1CERNET的ATM測試床為了對ATM網絡的性能及其對網絡應用所產生的影響作出評測，中國教育科研網(CERNET)于1996年組建了一個ATM測試床。該測試床連接了 CERNET網絡中心高速互連網絡實驗室、清華大學計算機系的計算

10、機網絡和協議測試實驗室(CNPT)、電子系的多媒體通信實驗室三個主節點，其主干采用兩套平行的環行結構，使用了IBM和FORE的ATM交換設備。在每個結點放置一臺多協議智能交換集線器IBM 8260和一臺FORE公司的ATM交換機ForeRunner ASX-200。三臺IBM8260和三臺ForeRunner ASX-200分別連成兩個環行結構，線路帶寬分別為100Mbit/s和155 Mbit/s。而且在每個結點用155M的光纖將IBM 8260和ForeRunner ASX-200互連，形成了測試床的主干。該測試床同時通過一臺ATM/以太網橋和CERNET以及清華大學的校園網TUNET實現

11、互連。CERNET的ATM測試床提供三種用戶接入方式。用戶可以使用155 Mbit/s的光纖從ForeRunner ASX-200接入；也可以使用100 Mbit/s的光纖從IBM 8260接入；還可以通過25 Mbit/s的雙絞線由IBM 8282 ATM桌面集線器接入測試床。目前，該測試床提供局網仿真和IP over ATM兩種訪問方式。3.2用于性能測試的ATM局域網配置我們利用圖1中的ATM局域網配置進行性能測試和評價。這個ATM LAN包括兩臺主頻75 MHz的SUN SPARC 20工作站、兩塊SBA-200 ATM網卡和一臺FORE的ASX-200交換機。兩臺工作站通過155Mb

12、it/s的光纖連至交換機。工作站的操作系統為Solaris 2.4，在測試期間，我們不允許其他用戶的遠程訪問，并只啟動操作系統本身所必需的進程。FORE系統的ForeRunner ASX-200交換機總線帶寬為2.5Gbit/s，內部有一個使用SPARC芯片的交換控制器。它支持四個網絡接口模塊，每個網絡接口模塊又支持四個 155Mbit/s的光纖接口。SBA-200是FORE系統的第二代ATM網卡，它帶有一個Intel I960 RISC處理器并使用DMA方式和主機完成數據的交換。SBA-200本身可以完成對AAL 3/4和AAL 5協議的處理。FORE系統提供了兩種使用ATM硬件的方法，如圖

13、2所示。一種是在TCP/IP Over ATM的情況下使用socket套接字來訪問ATM，另一種是使用FORE提供的數據鏈路層的ATM應用編程接口API來直接訪問ATM。FORE的ATM API提供了一套類似于套接字的編程接口供用戶使用，用戶通過該API可以選擇連接的類型(單工、雙工和Multicast)和AAL層協議的類型(AAL3/4，AAL5和AAL0)。用戶還可以選擇特定的QoS參數，如峰值帶寬和平均帶寬、突發傳送長度等。 圖1ATM LAN性能測試環境 圖2FORE的軟件環境4實驗過程設計我們的實驗目標是確定在不同的情況下應用程序能從ATM網絡獲得多少通信帶寬。由

14、于大多數工作站無法產生足夠快的數據流來填滿從高速網絡獲得的硬件帶寬，所以我們需要首先確定工作站在不使用網絡硬件和協議軟件情況下的性能(這實際上決定于機器的體系結構)，然后相對于這個性能上限，用測試程序測試出應用程序使用不同的傳輸協議棧時可獲得的通信帶寬。工作站體系結構對單機通信性能的約束上限可以用內存到內存的拷貝速度這個指標來衡量。我們用匯編語言實現了對這個指標進行測試的程序。另外，我們還設計了對ATM LAN的性能進行測試的客戶/服務器程序，它們從內存中的緩存獲得傳輸數據，并利用ATM API中的AAL3/4和AAL5協議類型以及TCP/IP套接字接口進行數據傳輸。我們使用一個標準的UNIX

15、過程gettimeofday0來對測試開始和結束時的時間進行測量，通過將傳輸數據量除以時間差得出傳輸速率，也就是發送方的吞吐率。在我們的實驗用機器上，gettimeofday0的精度為50s，我們將數據的傳輸持續時間保持在5s之上，這樣使得兩次調用 gettimeofday0所花費的時間不會對整體的性能計算造成太大的影響。5測試結果分析和結論我們首先對單個工作站的內存到內存的拷貝速度進行了測試，發現主頻為75MHz的SUN SPARC20工作站其內存到內存拷貝速度為77Mbit/s。在第2節的分析中我們曾指出，從ATM層獲得的實際可用帶寬為136Mbit/s左右，但是由于用戶程序在發送數據之時

16、要將數據從用戶內存空間拷貝至核心內存空間，所以系統本身由于體系結構所擁有的性能上限會限制用戶程序的數據傳輸吞吐率。也就是說，在本實驗所使用的硬軟件配置中，基于內存拷貝的數據傳輸其吞吐率上限是77Mbit/s。從這些數據可以看出，在采用ATM網絡之后，主機的體系結構(如總線速度、內存讀寫速度和磁盤讀寫速度)已成為性能提高的障礙。在確定了工作站體系結構帶來的影響之后，我們對ATM LAN的性能進行了測試，并相對于性能上限分析了這些測試結果。我們的測試分為在缺省配置參數下的性能測試和參數變化對性能影響的測試兩類。 圖3基于ATM API和TCP/IP/ATM的數據傳送性能比較5.1缺省配置

17、參數下的性能測試我們對下述兩種基于內存拷貝的數據傳輸的吞吐率使用缺省配置參數進行了測試：使用基于FORE的ATM API的數據傳輸程序，AAL協議缺省為AAL5；使用基于TCP/IPsocket的數據傳輸程序，缺省的socket緩存大小為8K。測試結果如圖3 所示。從圖3中我們可以看出，如果基于ATM API接口，其最大吞吐率為75Mbit/s，非常接近于性能上限；如果基于TCP/IP socket接口，其最大吞吐率為35 Mbit/s，大概是性能上限77 Mbit/s的45%。從這些數字我們可以看出，如果應用程序直接使用ATM的API進行數據傳送，其最大吞吐率已接近于機器體系結構確定的上限，

18、要比基于TCP/IP socket的數據傳送高出近40Mbit/s。這個差距是由于TCP/IP協議軟件所帶來的處理開銷引起的，如校驗和的計算以及數據的拷貝等。因此，我們可以看出，在ATM網絡上使用傳統的TCP/IP協議棧，并不能很好地發揮ATM的帶寬優勢。應用程序只有直接訪問ATM的API，才有可能達到由硬軟件體系結構確定的性能上限。5.2參數變化對性能的影響為了確定ATM API參數變化對應用程序的傳輸性能的影響，我們進行了以下兩組實驗。第一組實驗主要用于確定緩沖區大小對于性能的影響；第二組實驗主要用于確定AAL3/4和AAL5協議類型在性能上的差別。當應用程序使用大緩沖區向AAL傳輸數據時

19、，AAL層要花費更多的時間進行分段和重組。我們將緩沖區的大小從40變化至9180(這是IP over ATM允許的最大數據長度)，并在緩沖區大小為(n?48+40)和(n*48+40+1)的地方進行測試。這是由于AAL5將數據分成48byte的信元負載并添加一個8byte的尾的緣故，這兩個取值點分別對應于最好和最壞的分段情況。從圖3中我們可以看出，在n值相同的兩個取值點間，吞吐率最大會有將近5%的下降，形成了鋸齒形狀的性能曲線，這是由于多傳輸了一個信元的緣故。所以，我們可以通過選取一個合理的緩沖區大小來提高ATM網絡帶寬的利用率。在ATM的API接口這個值是(n*48+40)。從對AAL層PD

20、U格式的分析來看，傳輸相同量的數據，AAL3/4和AAL5相比其開銷要大一些。但是在實際的測試中，我們發現在傳輸相同量的數據時，到底選擇哪種AAL協議對傳輸性能并無明顯的影響。也就是說，在我們的實驗環境中，基于AAL3/4協議和基于AAL5協議的數據傳輸其吞吐率是基本相同的。出現這種現象的原因在于吞吐率的瓶頸主要在工作站的體系結構，不同AAL協議開銷上的差別被快速的ATM網絡傳輸吸收了。6小結在本文中，我們利用FORE系統的ATM交換機對應用程序在ATM LAN上的性能進行了一系列測試。我們在測試中使用了自己開發的基于內存拷貝的測試軟件。通過對測試過程和結果的分析，我們得出以下結論：(1) 盡管ATM網絡能在A