iperf3 網路效能測試工具

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iperf3 是一款強大的開源網路效能測試工具，廣泛用於測量 IP 網路上的最大可達到頻寬。

最近在建置跨地區的 K8s 叢集時，剛好有機會需要驗證公司內部的專線品質，所以就使用 iperf3 進行測試、評估網路狀態與效能。

本篇文章將教學 iperf3 的基本使用方法、常見參數以及如何在不同環境中進行測試。

iperf3 的核心功能

  • 支援 TCP 和 UDP 測試：
    • TCP： 測量傳輸控制協定 (Transmission Control Protocol) 的頻寬。TCP 提供可靠的、面向連接的傳輸服務，適用於大多數網路應用。
    • UDP： 測量使用者資料包協定 (User Datagram Protocol) 的頻寬。UDP 提供不可靠的、無連接的傳輸服務，適用於對即時性要求較高或可以容忍少量封包遺失的應用（如串流媒體、線上遊戲）。測試 UDP 時，iperf3 還可以報告抖動 (jitter) 和封包遺失率。
  • 客戶端-伺服器架構： iperf3 採用客戶端-伺服器模型。一台機器執行 iperf3 伺服器，另一台機器執行 iperf3 客戶端，客戶端向伺服器發起連接並傳輸資料。
  • 可調整的測試參數： 使用者可以自訂多種測試參數，例如測試持續時間、傳輸資料量、平行串流數量、TCP 視窗大小、UDP 頻寬等。
  • 雙向測試： 可以測試上傳和下載頻寬。
  • 詳細的報告： 提供即時的測試結果，包括傳輸速率、傳輸資料量、封包遺失 (UDP)、抖動 (UDP) 等。
  • JSON 格式輸出： 支援將測試結果輸出為 JSON 格式，方便程式解析和整合。
  • 跨平台支援： 可在多種作業系統上執行，包括 Linux、Windows、macOS、FreeBSD 等。
  • 零複製 (Zero-copy) 模式： 在支援的系統上，可以使用 -Z 選項啟用零複製模式，減少 CPU 使用率，更準確地測量網路本身的效能。

iperf3 如何運作

iperf3 的運作基於客戶端和伺服器之間的資料傳輸。

  1. 啟動伺服器： 在一台主機上啟動 iperf3 伺服器模式 (iperf3 -s)。伺服器會監聽指定的網路連接埠（預設為 5201），等待客戶端的連接。
  2. 啟動客戶端： 在另一台主機上啟動 iperf3 客戶端模式 (iperf3 -c <server_ip>)，並指定伺服器的 IP 位址。
  3. 建立連接： 客戶端會嘗試連接到指定的伺服器和連接埠。
  4. 資料傳輸：
    • TCP 測試 (預設)： 客戶端向伺服器傳送資料（或在反向模式下，伺服器向客戶端傳送資料）。iperf3 會測量在指定時間內或傳輸指定資料量時的平均傳輸速率。
    • UDP 測試 (-u)： 客戶端以指定的速率向伺服器傳送 UDP 封包。伺服器會接收這些封包，並統計接收到的封包數量、遺失的封包數量以及封包到達時間的抖動。
  5. 結果報告： 測試完成後，客戶端和伺服器都會顯示測試結果，包括傳輸速率、傳輸總量、以及 UDP 測試中的封包遺失和抖動。

安裝 iperf3

iperf3 的安裝方式因作業系統而異：

  • Linux (Debian/Ubuntu)：

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    sudo apt update  
    sudo apt install iperf3

  • Linux (CentOS/RHEL/Fedora)：

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    sudo yum install epel-release  # 如果尚未安裝 EPEL  
    sudo yum install iperf3  
    # 或者使用 dnf  
    sudo dnf install iperf3

  • macOS (使用 Homebrew)：

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    brew install iperf3

  • Windows：
    可以從 iperf3 官方網站 (https://iperf.fr/iperf-download.php) 下載預編譯的執行檔。下載後解壓縮，即可在命令提示字元 (cmd) 或 PowerShell 中執行 iperf3.exe。建議將其路徑加入系統的 PATH 環境變數中，方便使用。

基本使用方法

在作為伺服器的主機上執行以下命令：

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iperf3 -s

這會啟動 iperf3 伺服器，並在預設連接埠 5201 上監聽。

常用伺服器選項：

  • -s 或 --server：以伺服器模式執行。
  • -p <port> 或 --port <port>：指定伺服器監聽的連接埠（預設 5201）。
  • -i <interval> 或 --interval <interval>：設定定期頻寬報告的間隔時間（秒）。
  • -1 或 --one-off：僅處理一個客戶端連接，然後退出。
  • -D 或 --daemon：以背景程式 (daemon) 模式執行。

範例：

啟動伺服器
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iperf3 -s
客戶端

在作為客戶端的主機上執行以下命令，並將 替換為伺服器的實際 IP 位址： 

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iperf3 -c <server_ip>

這會啟動 iperf3 客戶端，連接到指定的伺服器，並執行預設的 TCP 測試（持續 10 秒）。

常用客戶端選項：

  • -c <host> 或 --client <host>：以客戶端模式執行，並指定要連接的伺服器主機。
  • -p <port> 或 --port <port>：指定要連接的伺服器連接埠（預設 5201）。
  • -t <time> 或 --time <time>：測試持續時間（秒，預設 10 秒）。
  • -n <bytes> 或 --bytes <bytes>：要傳輸的資料總量 (例如 100M, 2G)。
  • -b <bits/sec> 或 --bitrate <bits/sec>：UDP 模式下的目標頻寬 (例如 10M, 1G)。TCP 模式下此選項無效，因為 TCP
    會嘗試使用所有可用頻寬。
  • -l <length> 或 --length <length>：讀寫緩衝區的大小 (TCP 預設 128KB，UDP 預設 8KB)。
  • -P <num> 或 --parallel <num>：平行執行的客戶端串流數量。
  • -u 或 --udp：使用 UDP 協定進行測試。
  • -R 或 --reverse：反向模式，由伺服器傳送資料，客戶端接收。
  • -i <interval> 或 --interval <interval>：設定定期頻寬報告的間隔時間（秒）。
  • -J 或 --json：以 JSON 格式輸出結果。
  • -Z 或 --zerocopy：使用零複製方法傳送資料 (如果支援)。
  • -O <sec> 或 --omit <sec>：忽略測試開始的前 N 秒。
  • --get-server-output：從伺服器獲取測試結果。
  • --cport <port>：指定客戶端使用的來源連接埠。

範例：

連接到 IP 為 192.168.1.100 的伺服器，進行預設 TCP 測試
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iperf3 -c 192.168.1.100
進行 30 秒的 TCP 測試
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iperf3 -c 192.168.1.100 -t 30
進行 UDP 測試，目標頻寬為 100 Mbps，持續 20 秒
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iperf3 -c 192.168.1.100 -u -b 100M -t 20
進行 TCP 反向測試 (伺服器傳送，客戶端接收)
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iperf3 -c 192.168.1.100 -R
進行 4 個平行串流的 TCP 測試
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iperf3 -c 192.168.1.100 -P 4
進行 TCP 測試並將結果輸出為 JSON 格式
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iperf3 -c 192.168.1.100 -J

解讀基本輸出

TCP 測試輸出範例 (客戶端)：

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Connecting to host 192.168.1.100, port 5201  
[  5] local 192.168.1.101 port 53212 connected to 192.168.1.100 port 5201  
[ ID] Interval           Transfer     Bitrate         Retr  Cwnd  
[  5]   0.00-1.00   sec  110 MBytes   923 Mbits/sec    0    1.20 MBytes  
[  5]   1.00-2.00   sec  112 MBytes   940 Mbits/sec    0    1.35 MBytes  
...  
[  5]  9.00-10.00  sec  112 MBytes   938 Mbits/sec    0    1.80 MBytes  
- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -  
[ ID] Interval           Transfer     Bitrate         Retr  
[  5]   0.00-10.00  sec  1.09 GBytes   937 Mbits/sec    0             sender  
[  5]   0.00-10.04  sec  1.09 GBytes   933 Mbits/sec                  receiver
  • Interval： 報告的時間間隔。
  • Transfer： 在該時間間隔內傳輸的資料量。
  • Bitrate： 在該時間間隔內的平均傳輸速率。
  • Retr： TCP 重傳的區段數量 (越少越好)。
  • Cwnd： TCP 擁塞視窗大小。
  • sender 是客戶端測量的傳送速率。receiver 行顯示的是遠端 (通常是伺服器) 測量的接收速率。如果使用了 -R (反向模式)，則 sender 是伺服器端的傳送速率，receiver 是客戶端測量的接收速率。使用 --get-server-output 選項可以在客戶端同時看到伺服器端的 sender/receiver 摘要。

UDP 測試輸出範例 (客戶端)：

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Connecting to host 192.168.1.100, port 5201  
[  5] local 192.168.1.101 port 54321 connected to 192.168.1.100 port 5201  
[ ID] Interval           Transfer     Bitrate         Jitter    Lost/Total Datagrams  
[  5]   0.00-1.00   sec  11.9 MBytes  100 Mbits/sec   0.025 ms  0/8502 (0%)  
[  5]   1.00-2.00   sec  11.9 MBytes  100 Mbits/sec   0.015 ms  0/8501 (0%)  
...  
[  5]  9.00-10.00  sec  11.9 MBytes  100 Mbits/sec   0.020 ms  0/8501 (0%)  
- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -  
[ ID] Interval           Transfer     Bitrate         Jitter    Lost/Total Datagrams  
[  5]   0.00-10.00  sec   119 MBytes  100 Mbits/sec   0.020 ms  0/85010 (0%)  sender  
[  5]   0.00-10.00  sec   119 MBytes  100 Mbits/sec   0.018 ms  0/85008 (0%)  receiver
  • Jitter： 封包延遲的變化，即封包到達時間的標準差 (越小越好)。
  • Lost/Total Datagrams： 遺失的 UDP 封包數量與總共傳送的封包數量，以及遺失百分比 (越低越好)。

進階選項與技巧

平行串流 (-P)：

使用 -P <num> 可以模擬多個應用程式同時傳輸資料的情況，有助於測試網路能否處理多個並行連接，並可能達到更高的總頻寬，尤其是在高延遲網路上。

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iperf3 -c <server_ip> -P 8

反向模式 (-R)：

預設情況下，客戶端傳送資料，伺服器接收。使用 -R 選項可以反轉這個方向，由伺服器傳送資料，客戶端接收。這對於測試下載速度非常有用。

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iperf3 -c <server_ip> -R

雙向同時測試 (--bidir)：

與 iperf2 的 -d 選項類似，iperf3 客戶端可以使用 --bidir 選項來同時進行上傳和下載的頻寬測試。當客戶端使用此選項時，它會先進行正常的上傳測試，然後伺服器會自動啟動一個反向的流量傳輸給客戶端。

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iperf3 -c <server_ip> --bidir

這會先顯示客戶端到伺服器的傳輸數據，接著顯示伺服器到客戶端的傳輸數據。如果需要分別測試上傳和下載，仍然可以使用以下方式：

測試上傳

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iperf3 -c <server_ip>

測試下載

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iperf3 -c <server_ip> -R

設定 TCP 視窗大小 (-w)：

TCP 視窗大小會影響長距離高頻寬網路 (Long Fat Networks, LFNs) 的效能。在某些情況下，調整視窗大小 (-w <size>, 例如 -w 2M) 可能有助於達到更高的吞吐量。不過，現代作業系統通常具有良好的 TCP 自動調整機制，手動設定可能不是必需的。

綁定特定 IP 位址 (-B)：

如果主機擁有多個網路介面卡或 IP 位址，可以使用 -B <ip_address> 選項將 iperf3 綁定到特定的 IP 位址進行測試。

伺服器端綁定 IP

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  iperf3 -s -B 192.168.1.100
  ```  

#### 客戶端綁定 IP
  ```bash
  iperf3 -c <server_ip> -B 192.168.1.101

設定 CPU 親和性 (-A)：

在多核心系統上，可以使用 -A <cpu_num> 將 iperf3 程序綁定到特定的 CPU 核心，這有助於在某些情況下獲得更一致的測試結果。

取得伺服器端輸出 (--get-server-output)：

通常情況下，客戶端只顯示其自身的測試結果。使用此選項，客戶端也會顯示伺服器端的測試結果摘要。

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iperf3 -c <server_ip> --get-server-output

記錄到檔案 (--logfile)：

將測試日誌輸出到檔案而不是標準輸出。

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iperf3 -c <server_ip> --logfile client_test.log
iperf3 -s --logfile server_test.log

常見應用場景

  1. 測量最大網路吞吐量：
    這是 iperf3 最基本的用途，用於了解兩點之間網路的最大資料傳輸能力。
  2. 診斷網路瓶頸：
    透過在網路路徑的不同區段進行測試 (例如，客戶端到交換器，交換器到路由器，路由器到伺服器)，可以幫助定位造成效能低落的瓶頸點。
  3. 測試 Wi-Fi 效能：
    評估無線存取點 (AP) 和無線客戶端之間的實際傳輸速率，找出訊號干擾或設定問題。
  4. 驗證 QoS (Quality of Service) 設定：
    檢查 QoS 策略是否按預期工作，例如，高優先順序流量是否獲得了保證的頻寬。
  5. 比較網路變更前後的效能：
    在進行網路升級、更換設備或調整設定後，使用 iperf3 進行前後對比測試，以量化變更帶來的影響。
  6. 測試防火牆和網路安全設備的效能：
    了解防火牆或入侵檢測/防禦系統 (IDS/IPS) 在處理大量流量時對網路效能的影響。
  7. 雲端環境網路效能測試：
    測試虛擬機器之間或本地到雲端環境的網路連線品質。

使用 iperf3 的技巧與最佳實踐

  • 選擇合適的測試時間： 避免在網路尖峰時段進行測試，除非你的目的就是測試尖峰時段的效能。
  • 足夠的測試持續時間： 對於 TCP 測試，建議至少持續 30-60 秒，以便 TCP 演算法有足夠時間達到穩定狀態。
  • 了解硬體限制： 測試結果可能會受到主機 CPU、記憶體、網路卡能力的限制，而不僅僅是網路本身。
  • 注意防火牆： 確保客戶端和伺服器之間的防火牆允許 iperf3 使用的連接埠 (預設 5201) 通訊。
  • 雙向測試： 網路路徑的上傳和下載效能可能不對稱，務必測試兩個方向。
  • 考慮網路上的其他流量： 測試期間，盡量減少其他應用程式佔用網路頻寬，以獲得更準確的結果。
  • 多次測試取平均值： 網路狀況可能波動，執行多次測試並取平均值可以得到更可靠的結果。
  • 使用 -V (verbose) 選項： 獲取更詳細的輸出，有助於除錯。
  • 理解單位： 注意報告中的單位是 Mbits/sec (Mbps) 還是 MBytes/sec (MBps)。1 MByte = 8 Mbits。

iperf3 vs iperf2

雖然 iperf3 是 iperf2 的後繼者，但它們之間存在一些關鍵差異，且兩者並不相容 (iperf2 客戶端不能與 iperf3 伺服器通訊，反之亦然)。

特性iperf2iperf3
主要目標頻寬測試頻寬測試，更易用，更小的程式碼庫
程式碼庫較舊，功能較多但可能較複雜重新編寫，更現代，更精簡
JSON 輸出不支援 (或透過第三方補丁)內建支援 (-J)
零複製支援支援 (-Z)
執行緒模型每個串流一個執行緒單執行緒 (通常情況下)，非同步 I/O
雙向測試-d 選項支援同時雙向支援 --bidir (客戶端發起同時雙向)，或分別執行 -R
API提供 C++ API提供 C API (libiperf)
社群支援仍有使用者，但更新較少活躍開發和維護
報告文字報告文字報告，JSON 報告

一般來說，對於新的測試，建議使用 iperf3，因為它更易於使用，並且持續獲得更新和支援。

結論

iperf3 是一個不可或缺的網路效能測試工具。它簡單易用，功能強大，能夠提供關於網路頻寬、抖動和封包遺失的寶貴數據。無論是網路管理員、系統工程師還是普通使用者，都可以利用 iperf3 來評估和最佳化其網路環境，確保網路連接的品質和效率。透過理解其各種選項和最佳實踐，使用者可以更有效地利用 iperf3 來解決實際的網路問題。

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