CN1538674A - 测试网络通信的装置和方法 - Google Patents

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戈登·奥尔德
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Abstract

本发明公开了用于测试在承载数据帧的网络中具有各自地址的通信端口之间的通信的装置和方法，各帧包括对所述帧源地址、所述帧预期的目标地址以及其他数据的表示，测试装置包括至少一个通信端口，和用于接收到达所述通信端口的数据帧的接收器。所述测试装置包括电路，用于根据至少一个预定标准识别测试数据帧，并从各测试数据帧提取预定项目，包括所述源地址和目标地址。通过结合所述预定项目并将所述源地址和目标地址互换，以及结合进另外的预定值的内容，而产生新的测试数据帧，并且发送器将具有所述被互换的地址的所述新数据帧传输到所述网络中。

Description

测试网络通信的装置和方法
技术领域
本发明涉及用于测试网络中的通信的方法和装置，例如测试被合并以在SONET(同步光纤网络)或者SDH(同步数字体系)网络上传输的以太网支路数据流。
背景技术
近年来已经出现了全球范围内经过通信网络的数据相关(区别于语音相关)电信流量的持续增长。多种方法可用于适应这种对于通信带宽日益增长的需求。一种方法是建立专门被设计来处理大量数据的全新网络。但是，对于现有大型已安装网络并必须将其继续运行以最大化收益的运营商来说，这在经济上不是一个好的解决办法。另一种方法是安装新的分组数据网络(例如，使用互联网协议-IP-或以太网，或者它们的组合)，来取代用于语音流量传输的现有高容量SONET/SDH***。为了保证继续对语音流量的服务，这对SONET/SDH网络区段要求在之后可能被取代的相对大的区段中安装分组网络，因而大量的初期投资是必须的。
第三种方法将使用现有的SONET/SDH网络来承载包含数据分组的有效负载，所述有效荷载例如经由使用以太网技术实现的支路数据流而收集和分配。这涉及较小的投资，可从现有网络设施中持续产生(甚或增加)收益，并且不影响继续服务于其流量由SONET/SDH网络承载的现有客户。
但是，这种复合***的安装、测试和维护提出了新的挑战。为了在IP网络中允许往返行程测量，一般要产生一串专用测试帧。因为IP和以太网媒体访问控制(MAC)帧具有源和目标地址，所以不可能简单地从远(接收)端将帧再发回近(始发)端而不改变帧(称作被动环路回送)。作为最低限度，必须通过对MAC和IP两者调换源和目标地址(把源换成目标以及相反)，从所接收的帧创建新的帧。这种改变又迫使重新计算MAC帧校验序列(FCS)，因为该值是从包括节点地址的有效负载计算出的。其他的改变也可能是需要的，例如重新设定IP“生存时间(time-to-live”参数。
因而，在接收端必须包括一些能够接收、解释、改变、重组和再传帧的装置。由于IP的性质，在被测试的网络上可能有其他的流量。在大多数情况中，这种其他的流量不应当被环路回送，所以接收装置还必须能够识别专用测试帧，并在修改和再传之前将它们过滤出。数据分组再传设备可以使用按位转发或者存储转发。在按位转发中，在帧的再传开始之前只有少量字节被设备存储，所以该方法通常用于在帧还没有被完全接收之前就要开始的帧的再传。在存储转发中，在再传发生之前全部的分组就被设备接收。存储转发一般比按位转发需要更多的存储器。
如果使用按位转发，在过滤器被启动以取消帧的再传之前就可以开始分组的再传。在这种情况中，再传装置将会产生异常帧，可能对网络设备有不利的影响。因为产生了尽管错误的额外流量，所以还对要测量路径的性能有影响。在真正的存储转发中，在再传开始之前，完整的帧被存储在装置中，这需要代价高的额外数据存储。
发明内容
根据本发明的一个方面，提供了一种用于测试在承载数据帧的网络中具有各自地址的通信端口之间的通信的测试装置，各帧包括对所述帧源地址、所述帧预期的目标地址以及其他数据的表示，所述测试装置包括：
至少一个通信端口；
用于接收到达所述通信端口的数据帧的接收器；
电路，用于
根据至少一个预定标准识别测试数据帧，并从各测试数据帧提取预定
    项目，包括所述源地址和目标地址，以及
通过结合所述预定项目并将所述源地址和目标地址互换，以及结合进
    另外的预定值的内容，而产生新的测试数据帧；和
发送器，用于将具有所述被互换的地址的所述新数据帧传输到所述网络中。
根据本发明的另一个方面，提供了一种用于测试在承载数据帧的网络中具有各自地址的通信端口之间的通信的方法，各帧包括对所述帧源地址、所述帧预期的目标地址以及其他数据的表示，所述方法包括以下步骤：
提供至少一个通信端口；
接收到达所述通信端口的数据帧；
根据至少一个预定标准识别测试数据帧，并从各测试数据帧提取预定项目，包括所述源地址和目标地址；
通过结合所述预定项目并将所述源地址和目标地址互换，以及结合进另外的预定值的内容，而产生新的测试数据帧；以及
将具有所述被互换的地址的所述新数据帧传输到所述网络中。
本发明的优点是既不异常中断以按位转发设备方式的帧传输，也不要求如存储转发设备中的附加存储器存储。尽管如此，使用了本发明的装置的行为很好地模仿了仅返回所需测试分组的存储转发设备。
附图说明
按照本发明的用于测试提供到SONET或SDH传输***的支路链接的以太网设备的方法和装置，现在将通过示例的方式并参考附图而被描述，其中：
图1是具有来自以太网局域网络(LAN)的支路数据流的SONET/SDH网络的示意框图；
图2是用于测试图1中所示的网络的测试装置的示意框图；
图3示出由图2的测试装置生成的以太网数据帧的格式；
图4是图2中所示的两个测试装置提供“1端口环路回送(1-portloopback)/环路通过(loop-thru)”模式测试的示意图；和
图5是以“环路通过”模式操作的图4中的测试装置中所包括电路的示意框图。
具体实施方式
图1示出用于在两个以太网LAN 12和14之间经由使用SONET或者SDH技术的传输***16传输数据帧的数据通信网络10的示例。各以太网LAN具有以星形拓扑结构连接到一个或者多个集线器或以太网交换机的多个站或节点(例如，工作站、文件服务器、打印服务器、打印机以及其他装置)。各LAN 12和14的集线器中的一个还连接到SONET或SDH接入或集结设备，例如光分插复用器(OADM)16或终端复用器18。这种设备接收以其原本形式(在当前情况中是以太网帧)的支路信号，并或者通过组合来自多个源的支路信号而创建SONET/SDH帧(终端复用器)，或者将支路信号的多个部分***到相继的现有帧的有效负载包络的各自区段中(分插复用器)。多路复用器16和18在SONET/SDH链路上或直接或经由数字交叉连接设备20而互连。SONET/SDH帧结构以及例如终端复用器、分插复用器和交叉连接的设备操作的细节对本领域技术人员是公知的，这里不需要讨论。
对例如图1中所示的网络10的***的安装和维护经常涉及在网络中的所选路径上传输测试信号(以太网数据帧)，以便确认包括这些路径的网络设备(链路、复用器、交叉连接等等)正在正确运行。例如，连接到OADM 16的测试装置22可以被用于将测试帧加进网络10中，以传输给连接到终端复用器18的另一测试装置24。对包括以太网设备的***的测试要求为各以太网设备组件指定一个或者多个端口地址。数据帧在以太网LAN上被路由到它们的期望目标所用的寻址方案包括对各以太网接口设备(插卡或集成电路)分配一个全世界唯一的12位(6字节)十六进制的站地址，例如08:00:07:A9:B2:FC。
预定义的一组以太网站地址被长期存储，并有选择地用于测试装置22和24两者以确定由测试装置传输的以太网帧的目的地址。这些站地址是从按照以太网惯例分配给测试装置制造商的地址中得出的。这组地址一般对于相同测试装置模型的所有实例是相同的，而对于不同模型则是不同的。在各测试装置中对特定地址组合的选择是由测试装置按照用户对几个预定义的测试模式中的一个的选择来协调的。另外，为了保持操作的充分灵活性，用户能够个别地配置所有以太网地址和相关参数，以适应预定义的测试模式不适当的情况。
图2通过示例的方式示出用于实现本发明的测试装置22(和24)的主要功能。参考图2，一组以太网接口端口26(光的或电的，10Mb/s、100Mb/s、1Gb/s和/或10Gb/s)被提供来连接网络10的网络部件，例如OADM 16和终端复用器18。图中示出了四个接口端口，但是如果需要，可以提供更多的接口端口。各以太网接口端口包括传输输出Tx(例如，在光学端口的情况下包含激光)和接收输入Rx(例如，包含光电二极管接收器)。以太网端口26被耦合到处理器28，该处理器28按照存储在存储器30中的软件程序指令来协调测试装置22的操作。要经由以太网端口26传输的测试数据在例如使用伪随机二进制序列(PRBS)发生器的测试数据发生器32中产生，并用适当的以太网MAC头(在下面描述)和校验数据来组装以产生以太网帧。同样地，经由以太网端口26所接收的以太网帧中的测试数据由测试数据分析器34从帧中提取出，总结出的数据被提供给处理器28。测试装置用户的功能需求和所执行测试的结果经由由处理器28控制的用户接口36(例如，显示器和诸如键盘的输入设备)而被传递。如图2中所示的功能性的安排仅仅是示例性的，实际的实现细节可以变化。例如，测试数据分析器34的大部分或者全部功能可以由存储在存储器30中并被处理器28执行的软件算法来提供。
由测试数据发生器32所组装的以太网帧具有图3中所示的格式，其大多数方面与常规的以太网帧是一致的。每个这样的帧都以媒体访问控制(MAC)信息开始，例如前导、帧起始定界符、目标地址、源地址和帧长度/类型指示符，以及IP头字段。用户数据或者有效负载(如果有的话-见下)包括由测试数据发生器32产生的PRBS测试数据，其后跟随测试装置数据38的每字段四字节的五个字段。这五个字段包括：
—测试数据流的标识符，所述帧是该测试数据流的一部分，所述标识符包括传输该帧的以太网端口的物理端口号(区别于站地址)；
—在该流中的帧的序列号；
—IP时间戳的字段；
—测试装置数据字节38中先前值的循环冗余校验(CRC)码；和
—MAC时间戳的字段(没有被先前的CRC码覆盖)。
同时提供IP和MAC时间戳使得可以顾及不同的等待时间：IP等待时间包括例如由MAC PAUSE机制引入等待时间的现象，而MAC等待时间不包括该现象。按以太网帧最小规定长度的需要来填充客户数据，其后跟随包括32位CRC码的帧校验序列(FCS)。然而，当要求最小长度的测试分组的时候，MAC、IP、测试装置数据、填充和FCS字段没有给PRBS留出空间，因此在这种情况中有效负载被省略。图3中示出的帧格式在下面称作“专用测试帧”。这种格式的一个特征是帧能够容易地从可以在网络上存在的其他流量中过滤出来，例如通过使用测试装置数据CRC来检测测试装置数据字段38的存在。对于IP往返行程测量，帧当然必须包括IP字段。但是本发明也适用于不需要在帧中包括IP字段的情况下的MAC测试。
测试装置22和24提供各种预定义测试模式，例如环路回送(2端口)、端对端、环路回送(1端口)和环路通过。各测试装置存储相同的整个以太网地址组，这些地址可以有选择地分配给测试装置中的不同的接口端口26，并有选择地包括在由该测试装置或另一测试装置中的不同端口26传输的以太网帧中。为了说明，这些地址中的四个被标识为地址A、地址B、地址X和地址Y。
在许多测试配置中，一个(始发)测试装置产生并传输测试数据帧，该测试数据帧穿过受测试的网络而到达远程测试点。在那里它们或者被接收并立即在第二测试装置中被验证，或者通过环路回送电缆或第二测试装置返回到始发装置来验证。各测试装置22和24可以被配置为始发装置(测试装置1)或者接收/环路回送装置(测试装置2)。当选择了测试装置1的配置的时候，地址A和地址B与该测试装置的端口1和2相关联；当选择了测试装置2的配置的时候，地址X和地址Y与这些端口相关联。
参考图4，上面提到的环路回送(1端口)和环路通过测试模式打算一同使用，被配置为测试装置1(图4中的测试装置22)的测试装置处于环路回送(1端口)模式中，被配置为测试装置2(测试装置24)的测试装置处于环路通过模式中。从测试装置22的端口1所发送的以太网帧的目标地址是测试装置24的端口1的地址X。但是，测试装置24并不被安排来独立地产生自己的以太网帧。它而是被安排来在已经调换或者交换帧包含的源和目标地址并重新计算和更新了各帧的FCS之后，在同一端口上再传所接收的帧。这样，它所接收的帧将地址A作为源地址，地址X作为目标地址，并且它用地址X作为源地址并用地址A作为目标地址，而来再传这些帧。从而，测试装置22在端口1上接收回它已从该端口所传输的帧。
当测试装置被配置成环路回送(1端口)/环路通过模式，可以只使用每个测试装置上的一个端口以及SONET/SDH网络中的单个双工链接来完成环路回送测试，而不论被使用的以太网的具体实现(例如，利用自动协商)。如果需要，测试装置22和24的另外的端口可以被用于发送在往返行程上通过穿越网络的不同路径的另外的测试帧，例如在如图4中的虚线所示的测试装置的端口2之间。
图5示出在本发明的一个可能的实现中结合在测试装置24中的功能块。因为速度的要求，所以该实现是以硬件的形式，并且因为该电路引入的等待时间是确定性的，所以使得能够精确地测量往返行程等待时间。在这种情况中仅使用上面描述的专用测试帧来进行往返行程测试，这些帧可以容易地从其他流量中过滤出来。这些测试帧的格式被选择以便只有少量字节的信息需要为了再传而被提取并处理：
——MAC头(其源和目标地址将被交换以便再传)；
——IP头(源和目标地址也要被交换)；
——测试装置数据字段38(图3)。
被再传的帧的剩余部分可以通过独立于所接收数据的固定公式而被重新生成(即，不需要依赖于所接收的帧的内容的任何重要的信息处理，因此非常迅速)：
——PRBS(根据标准算法从随机种子值产生)；对PRBS不进行测量和测试，所以不需要向进行传输的测试装置返回所接收的PRBS，或者甚至不需要使用PRBS“种子”(例如，包含所接收的PRBS的前n位的片断，其中n大于PRBS的阶)来使得可重新生成PRBS；
——PAD(全为零)；
——FCS(使用常规算法重新计算出)。
被提取和处理的字段总计为每帧少量的数据(近似40字节)，然而被丢弃的字段，主要是PRBS，可以是几千字节长。如果希望保持所接收的和所传输的PRBS之间的相位关系，则应提取如上面所描述的所接收的PRBS的少量种子片断，并传送给测试装置24的传输部分，来控制产生要被结合进再传的帧中的新PRBS。该种子将构成小的、定长的部分数据，有助于设计快速电路。如果希望PRBS选择中更大的灵活性，则需要传送PRBS类型和大到足以满足设想的最大PRBS的种子。
参考图5，测试装置24的以太网接口端口26中的MAC接收器(MAC Rx)向字段过滤器40和帧过滤器42提供解码的以太网帧。来自由字段过滤器40选择的字段的数据，如下面所描述的，被传到先进先出(FIFO)RAM缓冲区44，用于写控制器46的控制下的在缓冲区单元的存储。各缓冲区单元可以存储重新生成测试帧所需要的全部数据字段。来自FIFO 44的数据在读控制器48的控制下被读出，并由多路复用器(MUX)50将其与来自有效负载发生器52的数据相结合，以产生由在接口端口26中的MAC发送器(MAC Tx)输出的帧。
MAC Rx的接口包括数据总线，该数据总线承载MAC帧(包括MAC头字节)，以及相关联的数据有效性信号标识帧的开端和末端的其他选通信号。使用这些选通信号，字段过滤器40只将那些重新生成用于再传的帧所直接需要的字段分离出并转发给FIFO 44。写控制器46提供寻址信号来将被选择的字段路由到适当的缓冲区单元，或者如果FIFO 44是满的，则禁止写并放弃帧。帧过滤器42监视各输入的帧，在本例中通过测试测试装置数据字段38的CRC码是否正确(即，所接收的CRC值是否与对该所接收的CRC码先前的测试装置数据字段所计算的CRC结果相匹配)以确定它是否是专用测试帧。如果它不是专用测试帧，则写控制器46被安排通过重写与下一个进入的帧相同的缓冲区单元来响应。如果帧是专用测试帧，则在帧的末端，写控制器46向读控制器48指示缓冲区单元的内容已经准备好进行再传，并且将下一个输入的帧写入到下一个接着的缓冲区单元。根据实际的实现，写控制器46可以例如控制FIFO RAM缓冲区44的一些地址线，而字段过滤器40可以控制剩余的地址线。
各专用测试帧包括可以从公式(即确定性地)创建的可变长度的有效负载，所述公式例如伪随机二进制序列(PRBS)或者“位进1”(walking ones)模式(例如0001，0010，0100，1000，0001，0010，……)。专用测试帧的格式是这样的，使得基本字段集合将是定长的，而不管帧的长度，从而可在FIFO 44中分配固定大小的缓冲区来保存专用测试帧的基本字段。
读控制器48响应来自写控制器46的关于数据的缓冲区单元已经准备好进行再传的指示，通过控制多路复用器50来从该缓冲区单元中的数据以及有效负载发生器52重新生成专用测试帧。
原则上可以实现与上述方案类似的方案，但是所要求的帧的字段要被捕获并发给传递这些字段的软件。但是对于这种任务，软件一般比硬件慢很多，所以这种方法必须依赖输入的帧全都共享相同的一般特性，例如源和目标地址。这种方法的一个缺点是一串帧的开头将会丢失或以错误的字段而被再传，除非发送器可以以输入的帧的预期格式来预设。
已经在使用以太网支路流的上下文中描述了上面的示例，并相应使用了传统的术语，例如“数据帧”和“站地址”。本发明还可以用于其他类型分组数据网络的上下文中，因此这里所使用的术语应当被理解为还包含这些通常使用了替换术语(例如，用分组和网络地址代替帧和站地址)的其他类型网络中的类似概念和特征。

Claims (4)

1.一种用于测试承载数据帧的网络中在具有各自地址的通信端口之间的通信的测试装置，各帧包括对所述帧源地址、所述帧预期的目标地址以及其他数据的表示，所述测试装置包括：
至少一个通信端口；
用于接收到达所述通信端口的数据帧的接收器；
电路，用于
根据至少一个预定标准识别测试数据帧，并从各测试数据帧提取
预定项目，包括所述源地址和目标地址，以及
通过结合所述预定项目并将所述源地址和目标地址互换，以及结
合进另外的预定值的内容，而产生新的测试数据帧；和
发送器，用于将具有所述被互换的地址的所述新数据帧传输到所述网络中。
2.根据权利要求1所述的测试装置，其中，所述预定标准包括在帧中出现以预定的格式包括有效循环冗余校验码的有效负载数据。
3.一种用于测试在承载数据帧的网络中具有各自地址的通信端口之间的通信的方法，各帧包括对所述帧源地址、所述帧预期的目标地址以及其他数据的表示，所述方法包括以下步骤：
提供至少一个通信端口；
接收到达所述通信端口的数据帧；
根据至少一个预定标准识别测试数据帧，并从各测试数据帧提取预定项目，包括所述源地址和目标地址；
通过结合所述预定项目并将所述源地址和目标地址互换，以及结合进另外的预定值的内容，而产生新的测试数据帧；以及
将具有所述被互换的地址的所述新数据帧传输到所述网络中。
4.根据权利要求3所述的方法，其中，所述预定标准包括在帧中出现以预定的格式包括有效循环冗余校验码的有效负载数据。
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