一种手持式万兆网络测试装置的制作方法

本发明涉及网络通信测试领域，特别涉及一种手持式万兆网络测试装置。

背景技术：

以太网技术自诞生起，就以其简单易用和价格低廉的特点逐步成为局域网的主导技术。以太网最初为局域网(lan，localareanetwork)而设计，由于局域网本身已具备较高的可靠性和稳定性，因此在设计以太网之初并未建立管理维护的机制。而相对于局域网，城域网和广域网(wan，wideareanetwork)在链路长度和网络规模上都迅速扩大。

伴随着以太网应用发展，网络系统建设、管理和维护使用过程的网络评价，已克服传统网络的性能评价以主观使用感受为主以及缺少客观的性能参数指标作为评判依据的状况。通过应用验证网络设备系统的传输性能、可靠性、安全性等各方面指标，在网络规划设计和设备选型、建设前期下的关键指标验证、建设完成后的验收评测以及口常运维管理和升级更新等各个阶段，通过进行全方位的网络测试，网络设计方、集成方和用户方等各方就可以及时、准确、全面的了解网络系统的性能状况，以便对网络系统性能瓶颈进行改进和完善。这使得众多具有十兆、百兆、千兆级数据速率接口的以太网测试仪得到广泛发展应用，实现了网络功能及性能测试。

近年来，随着海量数据存储、高速互联、视频会议、云计算等应用的快速发展，网络数据流量越来越大，骨干网对传输速率要求也越来越高。万兆网络技术在这样的大环境下逐渐发展壮大，并投入到实际运用中。那么，万兆网络部署交付后的验收及后续日常维护和故障排除，都需要到现场进行网络测试评价。这催生万兆级网络测试需求，以满足网络系统传输性能验证，查看网络状态，进行现场测试应用，以很好地解决了广域网与局域网互联互通的测试问题。

目前市场上具备万兆广域网测试功能的测试仪器主要分为机架式与便携式两类。

机架式主要以机箱(机框)+测试模块+测试软件进行组合即可具备万兆网络测试功能，这类产品，功能复杂，价格昂贵，扩展性好，适合组建测试系统，适合在实验室使用。

另一类则是便携式仪器，这类仪器便于携带，适合现场维护测试，但现有的便携式仪器需要外拉计算机，适合在实验室使用。

技术实现要素：

本发明提出了一种手持式万兆网络测试装置，以解决现有网络测试设备不能实现万兆接口测试及户外不易携带、不易现场使用的难题。

本发明的技术方案是这样实现的：

一种手持式万兆网络测试装置，包括：网络接口模块、数据收发模块、控制模块、人机交互模块、电源模块；

数据收发模块实现mac层功能及测试功能，包括流量监测模块、流量发生模块、误码检测模块，以实现数据帧的解封与封装、接收与发送、以及流量控制和链路错误检测处理；

控制模块负责人机交互，控制指令的产生、发送，数据的后端处理，外设的管理与通信，用于网络接口模块、数据收发模块和人机交互模块的协调运行；

人机交互模块，用于输入控制信息和结果显示；

电源模块，用于整个装置各模块供电，采用外部电源适配器或锂电池供电。

可选地，所述流量监测模块是数据收发模块接收部分，包括流量统计模块和数据捕获模块，流量统计模块用于实时统计各种数据包的数量及数量分布，数据捕获模块用于从将万兆网络链路建立和数据传输过程中发送的数据包按照捕获时间先后顺序存储，并将所捕获的数据包发送给协议解码模块进行解析。

可选地，所述流量监测模块的工作流程为：

首先，检测输入数据的mac帧同步头，从空闲开始，检测到第一个帧起始定界符sfd字节认为是一mac数据帧的开始，并开始数据锁存，直至检测到第一个帧终止符字节，数据帧结束；gps时钟同步电路分别进行秒计数和微秒计数；当帧头到达时，就将当前的时刻锁存下来；

其次，二层帧提取电路锁存mac帧的源mac地址、目的mac地址、mac数据帧所携带的帧类型或长度信息；同时依据mac帧类型判别vlan或mpls标签；crc校验电路对mac帧的所有数据进行校验运算并将结果与接收帧中的crc数据进行比较，以检测fcs错误；

然后，由三层帧提取电路依据mac帧类型字段的三层数据包协议类型字段，判别非ip数据包或ip数据包，并从mac帧中提取出来，之后进行ipv4首部的校验和运算；四层提取电路再根据ip帧所携带的协议类型提取tcp或udp帧，然后由tcp/udp校验和电路对tcp/udp帧进行校验和运算，并判断校验和的正误。

可选地，所述数据捕获模块包括过滤电路、触发电路、缓存fifo和存储器；

过滤电路控制捕获特定类型的数据包；

触发电路在捕获到特定类型的数据包后开始存储捕获数据；

过滤器按照参数设置，过滤掉不需要的数据，只提取符合条件的数据；

触发电路用于在特定的事件发生时启动捕获电路开始捕获过滤后的数据，以实现对特定事件的分析。

可选地，所述数据捕获模块采用预捕获，不管数据是否符合过滤条件，总是将其写到存储器中，当该数据包结束时，过滤结果已经得到，此时再进行判断，若该数据包符合捕获条件则保留该数据包，否则擦去该数据包。

可选地，所述流量发生模块是数据收发模块发送部分，流量发生模块工作步骤为：

首先，在流发送之前预先计算一个相对固定长度的流序列；提前计算流的参数，一旦参数计算好后，构造一个长度预先估计的流发送序列；

其次，通过控制模块cpu接口将流发送序列分别写入流固定配置fifo、流可变配置fifo和外部qdrii+sram存储器；发送时，从流固定配置fifo、流可变配置fifo和外部qdrii+sram存储器读取流报文内容，在流量控制电路控制下经包封装生成电路根据流序列、流固定配置先生成流报文框架，在初步流报文中加入报文内容，由此生成完整的流报文；

最后，根据流可变配置，改变流报文的部分数据，形成流报文发送给流数据fifo，从而生成测试流量进行发送，同时cpu读取流统计数据和端口统计数据。

可选地，所述流量发生模块还包括流量控制电路，流量控制电路用于产生测试流量的模型，有连续流量模型和突发流量模型；

连续流量模型所产生的测试流恒定的，体现在数据帧之间的时间间隔是固定的，这个时间间隔是帧间隔，利用帧间隔调节流量发生模块发送的网络流量；

突发流量模型，数据帧之间的时间间隔是变化的；

流量控制电路采用有限状态机实现帧间隔控制。

可选地，所述误码检测模块包括错误帧统计以及比特误码测试；

错误帧统计是利用帧中所携带的校验数据来进行的，在发送端，仿真插入错误类型数据，在接收端通过对帧中数据进行校验来检测是否发生数据帧错误；

比特误码测试是发送端产生比特误码测试图形，并插入误码后加上校验后发送，比特误码测试图形为伪随机序列prbs图形或用户自定义字图形；接收端则进行相反的操作，恢复出比特误码测试图形，并与接收端产生的本地比特误码测试图形进行比较判断出是否有误码。

可选地，所述比特误码测试工作流程为：

首先，在发送时，prbs图形发生器或字图形发生器产生的测试图形，并选择性地由错误插入电路插入误码，然后经crc及校验和计算，再经包封装电路封装成以太网mac帧并加上校验后以帧形式发送；

然后，在接收时，三层帧提取电路处理后，误码帧提取电路根据ipv4帧中的误码识别符提取误码帧中的比特误码测试图形，并将该图形与本地图形发生的图形经图形同步电路后进行误码检测比较测出比特误码；

最后，误码计数电路记录比特误码的个数。

可选地，所述电源模块带电池管理功能，由控制模块单片机定时去读一次电池和充电器状态，得到是否有电池、是否有外部电源，充电电流，电池电量信息，从而开关充电器以控制电池的充放电，同时读完充电器和电池后给控制模块主cpu模块一个中断信号，主cpu模块响应中断通过i2c接口从单片机读取电池和充电器的信息。

本发明的有益效果是：

(1)满足10gbps广域网、以太网测试，同时仍具备十兆、百兆与千兆速率的测试功能；

(2)在空间狭小的地方，则可发挥体积小、无需外部供电的优势，方便快捷，可提高工作效率；

(3)本发明可以测试网络系统传输性能，查看网络状态，满足现场测试应用。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明一种手持式万兆网络测试装置的原理框图；

图2为本发明的流量监测模块的原理框图；

图3为本发明的流量发生模块的原理框图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明提供一种支持万兆网络测试并兼容千兆及以下速率的以太网测试的手持式万兆网络测试装置，具有10m/100m/1000mbps以太网、万兆以太网(10gelan)与万兆广域网(10gewan)测试能力，支持鼠标、键盘、触摸屏的良好的人机交互选择；本发明的测试装置内置锂电池，采用交直流供电，适合外场使用。

如图1所示，本发明的手持式万兆网络测试装置包括网络接口模块、数据收发模块、控制模块、人机交互模块、电源模块。

本发明的网络接口模块有四个端口，主要由sfp+型插座连接器和物理层收发器组成收发通道，实现两个10gelan或10gewan光口，两个1000base-x光口或10/100/1000base-t电口的物理接口的发送和接收功能。

如图1所示，sfp+型插座连接器(101、102)和万兆网络物理层收发器(105、106)构造了两个独立万兆网络收发链路，即实现了两个万兆网络端口。万兆网络端口各自独立，由控制模块配置切换为10gelan或10gewan模式。

其中，sfp+型插座连接器(103、104)和fpgaip核实现的千兆物理层收发器构建两个线路侧速率为1.25gbps独立收发链路，即两个端口各自独立的以太网接口。

图1所示实施例中，sfp+型插座连接器(101、102)外接标准光模块，以支持10gbase-sr/sw、10gbase-lr/lw、10gbase-er/ew等标准光纤接口。sfp+型插座连接器(103、104)外接标准光模块，以支持1000base-sx、1000base-lx、1000base-zx等标准光纤接口；另外更换sfp封装的rj45电模块支持数据速率10mbps、100mbps、1000mbps的电口。

优选地，图1所示实施例中，千兆物理层收发器采用xilinx7seriesfpga的1.25gbpspcs/pmaip核110实现，即以xilinx7seriesfpgagtx(高速收发器)实现速率1.25gbps线路侧接口，再经过1.25gbpspcs/pmaip核转为8位并行数据gmii接口，以送数据收发模块处理。

优选地，图1所示实施例中，万兆网络物理层收发器(105、106)采用bcm8705。bcm8705在控制模块配置下，实现10gelan或10gewanphy功能切换；从而，在线路侧可以提供线路速率10.3125gbps万兆局域网(10gelan)接口，又可以提供应用在核心层并直接在sdh/sonet网络上以9.95328gbps线路速率传送的万兆广域网(10gewan)接口。采用bcm8705实现了将线路侧万兆网络差分串行数据转换成4对速率为3.125gbps的差分数据，再经过xilinx7seriesfpga内实现xauiip核109串并转换逐级降速处理为工作频率156.25mhz的64位单边沿sdr并行数据接口xgmii，以送数据收发模块处理。

数据收发模块是万兆网络测试装置的核心，实现mac层功能及测试功能，包括流量监测模块、流量发生模块、误码检测模块，以实现数据帧的解封与封装、接收与发送、以及流量控制和链路错误检测处理，同时还包括流量统计计数器、数据触发、过滤电路及相关qdrii+接口电路等功能。

流量监测模块是数据收发模块接收部分，包括流量统计和数据捕获模块，可以对帧数据流进行大规模地、连续地、全速地接收、分析和统计，可自动识别和提供连续的协议类型、帧大小、错误、速率等参数测量，并具有协议帧捕获、过滤和解码等功能。

如图2所示，流量监测模块的工作流程为：

首先，检测输入数据的mac帧同步头，从空闲开始，检测到第一个帧起始定界符sfd字节认为是一mac数据帧的开始，并开始数据锁存，直至检测到第一个帧终止符字节，数据帧结束。gps时钟同步电路分别进行秒计数和微秒计数。当帧头到达时，就将当前的时刻锁存下来。

其次，二层帧提取电路锁存mac帧的源mac地址、目的mac地址、mac数据帧所携带的帧类型或长度等信息。同时依据mac帧类型判别vlan或mpls标签。crc校验电路对mac帧的所有数据进行校验运算并将结果与接收帧中的crc数据进行比较，以检测fcs错误。

然后，由三层帧提取电路依据mac帧类型字段的三层数据包协议类型字段，判别非ip数据包或ip数据包，并从mac帧中提取出来，之后进行ipv4首部的校验和运算。四层提取电路再根据ip帧所携带的协议类型等信息提取tcp或udp帧，然后由tcp/udp校验和电路对tcp/udp帧进行校验和运算，并判断校验和的正误。

流量统计模块用于实时统计各种数据包的数量及数量分布，分别由各种计数器用来对接收帧个数、接收字节数、不同协议帧类型个数、不同错误帧个数等性能指标进行计数。mac帧fcs错误检测电路对帧字节长度和帧比特长度进行检测，结合fcs错误，检测短帧、超长帧、jabber帧等。通过软件每0.5s读取一次，进行累计或实时显示判断当前帧的类型并进行统计。

数据捕获模块用于从将万兆网络链路建立和数据传输过程中发送的数据包按照捕获时间先后顺序存储，并将所捕获的数据包发送给协议解码模块进行解析。

数据捕获模块包括过滤电路、触发电路、缓存fifo和qdrii+sram存储器。过滤电路控制捕获特定类型的数据包。触发电路在捕获到特定类型的数据包后开始存储捕获数据。过滤器按照参数设置，过滤掉不需要的数据，只提取符合条件的数据，有利于捕获数据的存储和处理。触发电路用于在特定的事件发生时启动捕获电路开始捕获过滤后的数据，以实现对特定事件的分析。本发明中，数据捕获模块设计源mac地址、目的mac地址、vlan、mpls、源ip地址、目的ip地址、各种错误类型等的过滤与触发。

由于qdrii+sram存储器的读写等操作可能会导致数据丢失，所以经过过滤和触发的数据在进入qdrii+sram存储器之前首先要进行缓存，以保证数据的完整性。

通常的捕获方法是先将数据进行过滤，然后根据过滤结果决定是否写入捕获存储器，这种捕获方法需要对数据进行延迟，因为电路并不知道当前到达的数据是否符合捕获条件，对于较小的包在fpga中进行延迟是合适的，但对于超长包，延迟电路会占用fpga过多资源。为了适合超长包的捕获，优选地，本发明采用了预捕获，采用预捕获就是先不管数据是否符合过滤条件，总是将其写到qdrii+sram存储器中，当该数据包结束时，过滤结果已经得到，此时再进行判断，若该数据包符合捕获条件则保留该数据包，否则擦去该数据包。

流量发生模块是数据收发模块发送部分，通过流量控制器的各种功能模式和地址变换，以及插入各种错误，从而实现数据帧硬件封装成帧发送。流量发生模块为ethernet、vlan、mpls、ip、tcp、udp、icmp、igmp、arp等协议帧选定所要构造的帧头，按显示的帧格式引导来编辑构造帧数据，设定源、目的地mac地址以及源、目的地ip地址等，也可按设定范围随机产生，可以通过流量控制设定来定义帧的间隔时间。采用“流”(stream)作为网络流量的基本单位，流具有不同的源地址和目的地址、不同的报文大小、不同的协议类型、不同的特性等。

本发明把“流”用(streamid，streammodel，pktlength，pktcontent，pktvfd)五个元素表示。streamid即流标号，表示流的端口和流的序号；streammodel即流模式，包括流模型和流所占的带宽；pktlength即包长，表示流中的数据包包长；pktcontent即包内容，表示流中数据包的内容；pktvfd即包中部分域的变化信息，用于改变数据包中的部分内容。

流量发生模块还包括流量控制电路，流量控制电路用于产生测试流量的模型，有连续流量模型和突发流量模型。连续流量模型所产生的测试流恒定的，体现在数据帧之间的时间间隔是固定的。这个时间间隔是帧间隔ifg，利用它可调节流量发生发送的网络流量。突发流量模型，数据帧之间的时间间隔是变化的。流量控制电路采用有限状态机实现帧间隔控制。本发明中，以速度v1持续发送t1后，再以v2持续发送t2，之后循环这个过程。t1和t2既可以是常数，也可满足一定的随机分布数。

如图3所示，流量发生模块工作步骤为：

首先，在流发送之前预先计算一个相对固定长度的流序列。提前计算流的参数(streamid，streammodel，pktlength，pktcontent，pktvfd五个元素)，一旦这些参数计算好后，就可以构造一个长度可以预先估计的流发送序列。

其次，通过控制模块cpu接口将流固定配置、流可变配置和流报文内容(即流发送序列)分别写入流固定配置fifo、流可变配置fifo和外部qdrii+sram存储器。发送时，从流固定配置fifo、流可变配置fifo和外部qdrii+sram存储器读取流报文内容，在流量控制电路控制下经包封装生成电路根据流序列、流固定配置先生成流报文框架，在初步流报文中加入报文内容，由此生成完整的流报文。

最后，根据流可变配置，改变流报文的部分数据，形成流报文发送给流数据fifo，从而生成测试流量进行发送，同时cpu读取流统计数据和端口统计数据。

误码检测模块包括错误帧统计以及比特误码测试。

错误帧统计是利用帧中所携带的校验数据来进行的，在发送端，可以仿真插入错误类型数据，在接收端主要是通过对帧中数据进行校验来检测是否发生数据帧错误，主要涉及帧同步、帧定时以及各种校验算法。错误帧统计主要工作流程在流量监测电路工作流程中同步实现。

比特误码测试是发送端产生比特误码测试图形，并插入误码后加上校验后发送，比特误码测试图形为伪随机序列prbs图形或用户自定义字图形；接收端则进行相反的操作，恢复出比特误码测试图形，并与接收端产生的本地比特误码测试图形进行比较判断出是否有误码。比特误码测试主要由错误插入、prbs图形发生器、字图形发生器、本地图形发生器、图形同步电路、误码检测电路和误码计数电路等组成。

本发明的比特误码测试设计了一种带误码识别符的特殊ip帧，即误码测试帧，其帧头固定，且第一个数据长字为b0014ffd’h，最后一个数据字为ffff’h，这两个数据之间为比特误码测试图形。

如图2和如图3所示，比特误码测试工作流程为：

首先，在发送时，prbs图形发生器或字图形发生器产生的测试图形，并可选地由错误插入电路插入误码，然后经crc及校验和计算，再经包封装电路封装成以太网mac帧并加上校验后以帧形式发送。

然后，在接收时，三层帧提取电路处理后，误码帧提取电路根据ipv4帧中的误码识别符提取误码帧中的比特误码测试图形，并将该图形与本地图形发生的图形经图形同步电路后进行误码检测比较就可以测出比特误码。

最后，误码计数电路记录比特误码的个数。

控制模块，是整个测试装置的控制中心，负责人机交互，控制指令的产生、发送，数据的后端处理，外设的管理与通信等。控制模块用于网络接口模块、数据收发模块和人机交互模块的协调运行。

控制模块分主cpu模块和单片机。主cpu模块采用intel基于xscale构架处理器，包括rs232串口、100m网口、usbhost接口，同时支持lcd、crt的显示接口、触摸屏接口、microsd卡接口、i2c接口等丰富外设接口，构建了低功耗、高性能的多媒体平台。主cpu模块与fpga的交互cpu接口采用26位地址和16位数据总线，一方面将配置参数输入到各电路模块完成对发送模块寄存器与数据传递，并回读状态完成对物理层和mac层及测试电路的控制；另一方面该模块主要完成对qdrii+sram的读写控制。在流量检测数据捕获时，qdrii+sram作为接收捕获数据区。在流量发生时，qdrii+sram作为发送数据区，当完成设置发送数据配置后，数据从cpu写入qdrii+sram；发送过程中，每新发一帧时，提前从qdrii+sram通过fpga读出。单片机实现按键矩阵编码、电池管理和外设通信等。

人机交互模块，用于输入控制信息和结果显示。本发明采用按键矩阵控制模块单片机编码实现开关机键、重启键、0-9数字键、a-f字母键、回退删除、回车enter、小数点等按键及旋钮输入功能，另外采用7寸tft-lcd液晶及触摸屏扩展控制模块的显示接口和触摸接口，构建了良好的人机交互界面。

电源模块，用于整个装置各模块供电。电源模块采用外部电源适配器或锂电池供电。电源模块带电池管理功能，由控制模块单片机定时2s去读一次电池和充电器状态，得到是否有电池、是否有外部电源，充电电流，电池电量信息，从而开关充电器以控制电池的充放电，同时读完充电器和电池后给控制模块主cpu模块一个中断信号，主cpu模块响应中断通过i2c接口从单片机读取电池和充电器的信息。

本发明的手持式万兆网络测试装置解决了万兆网络接口的接入及测试问题，而且实现了小型化和低功耗，方便使用。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。