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NQA技术白皮书
关键词：NQA、测试、探测、联动、调度
摘 要：NQA是一种实时的网络性能探测和统计技术，可以对响应时间、网络抖动、丢包率等网络信息进行统计。NQA还提供了与Track和应用模块联动的功能，实时监控网络状态的变化。本文首先介绍NQA的基本概念，然后重点介绍NQA的原理、技术特点以及典型组网应用等。
缩略语清单：
缩略语 | 英文全名 | 中文解释 |
DHCP | Dynamic Host Configuration Protocol | 动态主机配置协议 |
DLSw | Data Link Switching | 数据链路交换 |
DNS | Domain Name System | 域名系统 |
FTP | File Transfer Protocol | 文件传输协议 |
HTTP | Hypertext Transfer Protocol | 超文本传输协议 |
ICMP | Internet Control Message Protocol | 互联网控制报文协议 |
ICPIF | Calculated Planning Impairment Factor | 计算计划损伤元素 |
MOS | Mean Opinion Scores | 平均意见得分 |
NQA | Network Quality Analyzer | 网络质量分析 |
SNMP | Simple Network Management Protocol | 简单网络管理协议 |
TCP | Transmission Control Protocol | 传输控制协议 |
UDP | User Datagram Protocol | 用户数据报协议 |
VoIP | Voice over IP | 在IP网络上传送语音数据 |
目 录
随着Internet的高速发展，网络支持的业务和应用日渐增多，传统的网络性能分析方法（如Ping、Tracert等）已经不能满足用户对业务多样性和监测实时性的要求。
NQA通过发送测试报文，对网络性能或服务质量进行分析，为用户提供网络性能参数，如时延抖动、HTTP的总时延、通过DHCP获取IP地址的时延、TCP连接时延、FTP连接时延和文件传输速率等。利用NQA的测试结果，用户可以：
l 及时了解网络的性能状况，针对不同的网络性能，进行相应的处理；
l 对网络故障进行诊断和定位。
NQA还提供了与Track和应用模块联动的功能，实时监控网络状态的变化，及时进行相应的处理，从而避免通信的中断或服务质量的降低。
l 支持多种测试类型
传统的Ping功能是使用ICMP（Internet Control Message Protocol，互联网控制报文协议）测试数据包在本端和指定目的端之间的往返时间。NQA是对Ping功能的扩展和增强，它提供了更多的功能。
目前NQA支持11种测试类型：ICMP-echo、DHCP、DNS、FTP、HTTP、UDP-jitter、SNMP、TCP、UDP-echo、Voice和DLSw测试。
l 支持多测试组并发
NQA模块支持多个测试组并发，用户可以根据需求手工配置并发个数。但对于DHCP测试，同一时刻只允许有一个测试组进行测试。
l 支持联动功能
联动功能是指NQA提供探测功能，把探测结果通知其他模块，其他模块再根据探测结果进行相应处理的功能。目前实现了与VRRP、静态路由、备份中心和策略路由的联动。
l NQA agent：NQA网络测试的客户端。
l NQA server：NQA网络测试的服务器端。狭义上，指UDP-echo、TCP、UDP-jitter和Voice四种测试中的NQA server端。广义上，指所有要被探测的对端设备，如FTP server、HTTP server等。
l 测试组：NQA测试功能以测试组的形式进行组织。每一个测试组都具有一系列的属性，例如，测试类型，测试目的地址，测试目的端口，测试发包频率等。
l 测试组的标识：测试组由管理员名和操作标签来标识。为了更好地管理NQA的测试组，每个测试组都有一个管理员名称和一个操作标签，通过它们可以唯一确定一个测试组。测试组创建之后，可以在测试组视图下配置测试类型，然后进入测试类型视图配置其他参数。
l 探测：一个能够得到完整探测结果的独立过程。对于TCP、DLSw测试，一次探测是指一次连接；对于UDP-jitter和Voice测试，一次探测发送探测报文的个数由用户来设定；对于FTP、HTTP、DHCP测试，一次探测是指完成一次相应的功能；对于ICMP-echo、UDP-echo测试，一次探测发送一个探测报文；对于SNMP测试，一次探测发送三个探测报文。
l 测试：一次测试由若干次连续的探测组成。
l UDP-jitter探测：每次UDP-jitter探测发送一组报文，根据各个回应报文中携带的信息计算探测结果。
l SD：从源端到目的端。
l DS：从目的端到源端。
l 测试频率：测试组连续两次测试开始时间的时间间隔。
l 测试结果：测试结果是针对测试而言的，记录了本次测试中所有探测的统计结果信息。如果测试只完成了部分探测，那么会显示已经完成探测的结果信息。
l 历史记录：历史记录是针对探测而言的，每次探测都会生成一次历史记录。
ICMP-echo功能是NQA最基本的功能，遵循RFC 2925来实现，其实现原理是通过发送ICMP报文来判断目的地的可达性、计算网络响应时间及丢包率。
ICMP-echo测试成功的前提条件是目的设备要能够正确响应ICMP echo request报文。NQA客户端会根据设置的探测时间及频率向探测的目的IP地址发ICMP echo request报文，目的地址收到ICMP echo request报文后，回复ICMP echo reply报文。NQA客户端根据ICMP echo reply报文的接收情况，如接收时间和报文个数，计算出到目的IP地址的响应时间及丢包率，从而反映当前的网络性能及网络情况。
ICMP-echo测试的结果和历史记录将记录在测试组中，可以通过命令行来查看探测结果和历史记录。
UDP-echo主要用于探测网络可达性和时延。使用UDP报文探测网络可达性和时延时，要求对端必须开启NQA server，并在NQA server上打开对应的UDP端口。
NQA客户端会根据设置的探测时间及频率向探测的目的IP地址发送UDP报文，目的地址收到UDP探测报文后，直接利用该报文进行回复。NQA客户端根据接收到UDP报文的情况，计算到达目的IP地址所需的时间及丢包率，以反映当前的网络性能及网络情况。
UDP-echo测试的结果和历史记录将记录在测试组中，可以通过命令行来查看探测结果和历史记录。
UDP-jitter是探测网络状况，监视实时性业务服务质量的重要工具。语音、视频及其它实时业务对时延和时延抖动的要求很高。通过UDP-jitter测试可以反映网络的性能，判断网络能否为实时业务提供服务质量保证。
UDP-jitter测试报文是私有报文，且探测时对端也需要支持NQA并配置NQA server相关参数，因此UDP-jitter测试无法与其他厂商设备互通。
图1 UDP-jitter实现原理
UDP-jitter测试的工作过程如图1所示：
(1) NQA Agent发送一个UDP-jitter报文给NQA server，并在报文中记录报文离开时间T1。
(2) 当此UDP-jitter报文到达NQA server时，NQA server在报文中加上接收到该报文的时间T2。
(3) 当此UDP-jitter报文离开NQA server时，NQA server再加上报文离开时的时间T3。
(4) 当NQA Agent接收到该响应报文时，记录接收到响应报文的时间T4。
(5) NQA Agent以固定发包间隔（T5-T1）发送多个探测报文，重复上述过程。
(6) NQA Agent根据成功收到回应的相邻两个报文的往返时间，分别计算从源端到目的端和从目的端到源端的抖动。以图1中所示的两个报文为例：
SD jitter＝（T6－T5）－（T2－T1）＝（T6－T2）－（T5－T1）
DS jitter＝（T8－T7）－（T4－T3）＝（T8－T4）－（T7－T3）
图2 UDP-jitter单向丢包统计原理
如图2所示，UDP-jitter客户端和服务器配合，可以统计出报文单向丢包个数。
NQA agent发送的每个报文中都包含报文ID。NQA server每收到一个报文,都更新收到的最大报文ID和收包个数，并在应答报文中返回给NQA agent；NQA agent记录回应报文个数，并从回应报文中获取NQA server端信息。
NQA agent可以获取的信息有：
(1) NQA agent发包个数；
(2) NQA server收到的最大报文ID和报文个数；
(3) NQA agent收包个数。
根据这些信息可以计算：
SD丢包个数＝NQA server收到的最大报文ID－NQA server端收到报文个数
DS丢包个数＝NQA server端收到报文个数－NQA agent收到报文个数
未知方向上丢包个数＝NQA agent发包个数－NQA agent收包个数－SD丢包个数－DS丢报个数
UDP-jitter可以统计如下信息：报文响应时间、丢包率、报文探测失败原因统计、agent端到server端抖动时延统计、server端到agent端抖动时延统计以及单向丢包统计。
UDP-jitter测试的结果和历史记录将记录在测试组中，可以通过命令行来查看探测结果。
& 说明：
UDP-jitter测试中每次探测发送一组报文，这组报文只对应一条历史记录。因此，如果想了解UDP-jitter测试的结果，建议只查看探测结果，不要查看历史记录。
Voice测试主要用来测试VoIP网络情况，统计VoIP网络参数，以便用户根据网络情况进行相应的调整。
Voice测试可以用来计算时延抖动、单向延迟、丢包率等参数，这些参数的计算方法与UDP-jitter测试类似。
Voice测试还可以计算出反映VoIP网络状况的语音参数值，包括：
l ICPIF：用来量化网络中语音数据的衰减，由单向网络延迟和丢包率等决定。数值越大，表明语音网络质量越差。
l MOS：用来衡量语音网络的质量。通过计算网络中语音数据的衰减——ICPIF值，可以估算出MOS值，MOS值的范围为1～15。该值越高，表明语音网络质量越好。
对语音质量的评价具有一定的主观性，不同用户对语音质量的容忍程度不同，因此，衡量语音质量时，需要考虑用户的主观因素。对语音质量容忍程度较强的用户，可以配置补偿因子，在计算ICPIF值时将减去该补偿因子，修正ICPIF和MOS值，以便在比较语音质量时综合考虑客观和主观因素。
Voice测试的结果和历史记录将记录在测试组中，可以通过命令行来查看探测结果。
& 说明：
l Voice测试采用的是私有报文，且探测时对端也需要支持NQA并配置NQA server相关参数，因此Voice测试无法与其他厂商设备互通。
l Voice测试中每次探测发送一组报文，这组报文只对应一条历史记录。因此，如果想了解Voice测试的结果，建议只查看探测结果，不要查看历史记录。
TCP测试主要是测试客户端和指定的服务器之间是否能够建立TCP连接，以及建立TCP连接所需的时间。
不能太频繁的发起TCP探测，以免占用过多资源，影响到目的设备上的正常服务。
TCP测试的结果和历史记录将记录在测试组中，可以通过命令行来查看探测结果和历史记录。
NQA DLSw通过向对端设备的DLSw协议指定端口发起TCP连接，根据连接是否建立，确认对端设备是否使能DLSw功能。由于NQA的DLSw测试只是测试DLSw是否配置，在实现上和TCP基本一样，可以看作固定目的端口号的TCP测试。
DlSw测试的结果和历史记录将记录在测试组中，可以通过命令行来查看探测结果和历史记录。
SNMP测试发送SNMP协议报文到指定端口，根据回应确认对端SNMP功能是否开启。在客户端无法指定SNMP服务的版本号。每次测试时会对SNMP v1/v2c/v3三个版本都进行测试，收到任何一个版本的回复，即认为探测成功。目前，SNMP测试并不区分SNMP server支持哪个版本。
SNMP测试的结果和历史记录将记录在测试组中，可以通过命令行来查看探测结果和历史记录。
HTTP测试主要是测试是否可以与指定的HTTP服务器建立连接，从而判断该设备是否提供了HTTP服务以及建立连接的时间。
HTTP测试支持GET和POST操作，即向指定地址的HTTP服务器发送GET请求或者POST请求，在接收到回应信息以后，计算整个测试的时间。整个过程只是和HTTP服务器建立连接，如果建立连接成功即认为成功。
HTTP测试的结果和历史记录将记录在测试组中，可以通过命令行来查看探测结果和历史记录。
FTP测试主要是测试是否可以与指定的FTP服务器建立连接，以及与FTP服务器之间传送文件的时间，可以使用该功能探测任何FTP服务器。
FTP测试支持GET和PUT操作。GET操作并不会把文件放到本地的文件系统，只是计算下载该文件所需要的时间，取得数据后随即自动释放占用的内存；PUT操作并不是将本地文件放到服务器上，而是上传固定大小及内容的文件（文件名由用户配置，数据为系统内部指定的固定数据；如果配置的文件名和服务器上已有的文件重名，则覆盖原来的文件，测试完成后该文件并不被删除）。因此，FTP测试与本地文件系统无关。
FTP测试的结果和历史记录将记录在测试组中，可以通过命令行来查看探测结果和历史记录。
DHCP测试模拟DHCP client在指定的接口上发起DHCP请求，根据是否申请到地址，确定接口所在的网络中是否有DHCP server服务以及测试申请到地址的时间。
DHCP测试只是借用操作接口发送DHCP报文，申请到地址后立即释放DCHP租约，不会为接口真正申请地址，因此不会占用DHCP server的地址资源。进行DHCP测试的操作接口必须处于up状态。
DHCP测试的结果和历史记录将记录在测试组中，可以通过命令行来查看探测结果和历史记录。
DNS测试通过模拟DNS client向指定的DNS服务器发送域名解析请求，根据域名解析是否成功及域名解析需要的时间，来判断DNS服务器是否可用，及域名解析速度。
DNS测试只是模拟域名解析的过程，不会保存要解析的域名与IP地址的对应关系。
DNS测试的结果和历史记录将记录在测试组中，可以通过命令行来查看探测结果和历史记录。
联动功能是指通过建立联动项，对当前所在测试组中的探测进行监测，当连续探测失败次数达到一定数目时，就触发其他模块联动（UDP-jitter测试不支持联动功能）。联动功能的实现如图3所示。
联动功能由应用模块、Track模块和监测功能模块（如NQA）三部分组成。Track模块位于应用模块和NQA之间，当监测项的状态发生变化时，监测功能模块通知Track模块，再由Track模块通知应用模块进行相应的处理，从而实现联动。
以静态路由为例，用户配置了一条静态路由，下一跳为192.168.0.88，如果192.168.0.88可达，那么该静态路由有效；如果192.168.0.88不可达，则该静态路由无效。通过在NQA、Track模块和应用模块之间建立联动，可以实现静态路由有效性的实时判断。如果NQA发现192.168.0.88不可达，NQA将通过Track模块通知静态路由模块，静态路由模块可以据此判断该静态路由项无效。
进行UDP-jitter、UDP-echo、TCP和Voice测试，需要配置NQA server进行配合测试。对于UDP-echo测试，NQA server只是简单的把接收的报文直接传回客户端；对于TCP测试，NQA server只是建立监听端口，和客户端建立连接；对于UDP-jitter和Voice测试，NQA server需要在报文中打上时间戳，并且记录当前server接收到的最大报文ID、报文个数，并发送给客户端。
NQA通常应用在联动功能中。NQA可以通过Track模块，实现与VRRP、静态路由、备份中心、策略路由联动，以便及时发现网络中的故障，避免通信中断或服务质量降低。
通过NQA与VRRP联动，可以实现对上行链路的监控。当上行链路出现故障，局域网内的主机无法通过路由器访问外部网络时，NQA会通过Track模块通知VRRP将路由器的优先级降低指定的数额。从而，使得备份组内其它路由器的优先级高于这个路由器的优先级，成为Master路由器，保证局域网内主机与外部网络的通信不会中断。上行链路恢复后，NQA通过Track模块通知VRRP恢复路由器的优先级。
图4 VRRP与NQA联动
如图4所示，在Device A上通过NQA监测10.1.2.2是否可达，配置VRRP通过Track和NQA进行联动。当NQA监测到10.1.2.2不可达时，通过Track通知VRRP，降低Device A在备份组中的优先级，从而使Device B成为Master路由器，取代Device A转发报文。
通过在NQA、Track模块和静态路由模块之间建立联动，可以实现静态路由有效性的实时判断。利用NQA对静态路由的下一跳地址进行探测，如果NQA探测成功，则静态路由有效；否则，静态路由无效。
图5 NQA与静态路由联动
如图5所示，在Device B上配置到达Device C的静态路由下一跳地址为10.1.2.1，通过NQA监测10.1.2.1是否可达，并配置静态路由通过Track模块与NQA实现联动。如果NQA发现10.1.2.1不可达，它将通过Track模块通知静态路由，将该静态路由项置为无效；如果NQA发现10.1.2.1可达，则通过Track模块通知静态路由，将该静态路由项恢复为有效。
NQA与备份中心联动，用来实现接口根据网络状况动态改变备份状态。
利用NQA监测主接口的状态，如果NQA监测到主接口所在的链路出现故障，则通过Track模块通知备份中心，启动备份接口所在的链路进行通信；如果NQA监测到与主接口相连的链路恢复正常，则通过Track模块通知备份中心，仍然通过主接口所在的链路通信。
图6 NQA与备份中心联动
如图6所示，Device A可以通过Device B、Device D两条路径达到Device C。假设正常情况下，主链路为Device A－Device B－Device C，即数据通过Device B发送给Device C。在Device A上配置备份中心与Track、NQA联动后，如果NQA监测到通过Device B到Device C的主链路不可达，则通过Track模块通知备份中心，主链路切换为Device A－Device D－Device C，即数据将通过Device D发送给Device C；如果NQA监测到Device B到Device C的链路恢复正常，则通过Track模块通知备份中心，主链路倒换为Device A－Device B－Device C，数据重新通过Device B发送给Device C。
IP单播策略路由通过与NQA、Track联动，增加了应用的灵活性，增强了策略路由对网络环境的动态感知能力。
策略路由可以在配置报文的发送接口、缺省发送接口、下一跳、缺省下一跳时，通过Track与NQA关联。如果NQA探测成功，则该策略有效，可以指导转发；如果探测失败，则该策略无效，转发时忽略该策略。
图7 NQA与策略路由联动
如图7所示，Device A可以通过Device B和Device C两个设备连入Internet。在Device A上定义策略路由，实现Device A连接局域网接口接收到的所有TCP报文通过Device B转发（报文的下一跳地址为10.2.1.2）。同时，配置策略路由与NQA、Track联动，利用NQA探测Device B的可达性。如果Device B可达，则该策略可以指导转发，接口接收到的TCP报文下一跳地址为10.2.1.2；否则，该策略无效，接口接收到的TCP报文根据路由查找可用的下一跳。
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