Ad Hoc網(wǎng)絡(luò )性能測試關(guān)鍵技術(shù)研究

本文首先介紹了Ad Hoc網(wǎng)絡(luò )及其相關(guān)協(xié)議的主要特點(diǎn)，根據網(wǎng)絡(luò )特性提出了性能測試的體系結構。圍繞體系結構中的不同測試內容，提出相關(guān)的測試方法，并詳細討論了網(wǎng)絡(luò )性能的評估手段和測試環(huán)境的設計。

隨著(zhù)現代通信技術(shù)的進(jìn)步，人們對移動(dòng)通信需求的不斷增加，移動(dòng)通信系統，如個(gè)人筆記本計算機，掌上型PDA設備等得到了迅速普及。但目前多數的移動(dòng)通信系統是集中式控制的(有中心的)，網(wǎng)絡(luò )的運行要基于預先架設好的網(wǎng)絡(luò )設施。這兩個(gè)特點(diǎn)使得有中心的移動(dòng)通信系統對有些特殊場(chǎng)合來(lái)說(shuō)并不適用。例如，戰場(chǎng)上部隊快速展開(kāi)和推進(jìn)、發(fā)生地震或水災后的營(yíng)救。這些場(chǎng)合的通信不能依賴(lài)于任何預先架設的網(wǎng)絡(luò )設施。此時(shí)，需要系統能實(shí)現臨時(shí)快速自動(dòng)組網(wǎng)，結點(diǎn)要能移動(dòng)。

Ad hoc網(wǎng)絡(luò )是一種有特殊用途的對等式網(wǎng)絡(luò )。它使用無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)，網(wǎng)絡(luò )中的結點(diǎn)互相作為其鄰居(在其直接通信范圍內的結點(diǎn))的路由器，通過(guò)結點(diǎn)轉發(fā)實(shí)現結點(diǎn)間的通信。它又被稱(chēng)為多跳網(wǎng)絡(luò )(multi-hop network)、無(wú)固定網(wǎng)絡(luò )設施的網(wǎng)絡(luò )(infrastructure less network)或自組織網(wǎng)絡(luò )(self-organized network)[1]。

由于Ad

12 ALT=圖1：網(wǎng)絡(luò )接入時(shí)延的測試方法。> hoc網(wǎng)絡(luò )工作在分布式移動(dòng)環(huán)境中，并且網(wǎng)絡(luò )帶寬非常有限，所以要盡量減少通信對端的交互信息數量。多跳特性是Ad hoc網(wǎng)絡(luò )的另一個(gè)顯著(zhù)標志。由于結點(diǎn)的無(wú)線(xiàn)通信距離有限，Ad hoc網(wǎng)絡(luò )中的結點(diǎn)不一定都在其它所有結點(diǎn)的直接通信范圍之內，而且受電磁干擾，地形干擾或天氣影響，結點(diǎn)的通信距離也會(huì )有所改變。所以當結點(diǎn)并非直接可達時(shí)，需要中間結點(diǎn)的轉發(fā)才能實(shí)現通信。也就是說(shuō)從源結點(diǎn)到目的結點(diǎn)是多跳(multi-hop)連接的。

傳統的基于有線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )的共享廣播信道接入技術(shù)(ALOHA、CSMA系列)只能在共享的信道上使用。而Ad hoc網(wǎng)絡(luò )具有多跳性，不是共享網(wǎng)絡(luò )。所以Ad hoc網(wǎng)絡(luò )的信道接入協(xié)議要充分考慮多跳帶來(lái)的隱終端、暴露終端和公平性等問(wèn)題[2,3]。Ad hoc網(wǎng)絡(luò )中結點(diǎn)是移動(dòng)的。結點(diǎn)的移動(dòng)性造成網(wǎng)絡(luò )的拓撲結構不斷變化，這對接入協(xié)議和路由協(xié)議都提出了新的要求。首先接入協(xié)議要能夠感知到結點(diǎn)移動(dòng)造成的鏈路通斷，并把這些信息報告給路由協(xié)議。路由協(xié)議要根據鏈路狀態(tài)的變化修改自己的路由表。傳統的基于固定網(wǎng)絡(luò )的路由協(xié)議顯然不能直接用于拓撲變化頻繁的 Ad hoc網(wǎng)絡(luò )。所以Ad hoc網(wǎng)絡(luò )路由協(xié)議成了研究的焦點(diǎn)。Ad hoc網(wǎng)絡(luò )中，結點(diǎn)的移動(dòng)性也會(huì )影響網(wǎng)絡(luò )的性能[4]，這需要相應的機制來(lái)解決。

由于影響Ad Hoc性能的因素很多，并且錯綜復雜，僅僅考慮有限的測試指標并不能夠反映網(wǎng)絡(luò )的真實(shí)性能, 所以Ad Hoc網(wǎng)絡(luò )性能測試系統需要對網(wǎng)絡(luò )進(jìn)行全面的分析與理解，根據網(wǎng)絡(luò )特性確定測試內容，有針對性地選擇測試方法，進(jìn)而構建與具體網(wǎng)絡(luò )應用相適應的網(wǎng)絡(luò )測試環(huán)境。

網(wǎng)絡(luò )性能測試體系結構

Ad Hoc網(wǎng)絡(luò )協(xié)議主要包括網(wǎng)絡(luò )接入層協(xié)議(MAC)和路由協(xié)議。不同層次的協(xié)議由于所完成的功能不同，所以具有不同的測試指針。在網(wǎng)絡(luò )測試中，要合理評價(jià)網(wǎng)絡(luò )性能必須充分考慮不同層次的協(xié)議在性能上的差別。同時(shí)，對于不同的網(wǎng)絡(luò )應用來(lái)說(shuō)，各個(gè)層次協(xié)議性能對網(wǎng)絡(luò )整體性能的影響也不盡相同。

Ad Hoc網(wǎng)絡(luò )性能測試按照網(wǎng)絡(luò )功能層次進(jìn)行區分，主要分為以下三個(gè)方面的內容：通信終端物理性能測試，接入層協(xié)議測試和路由協(xié)議測試。

1. 通信終端物理性能測試

通信終端種類(lèi)很多，包括數字電臺、PDA、移動(dòng)筆記本電腦等等。不同的無(wú)線(xiàn)終端由于硬件配置不同，其物理性能也不盡相同。物理性能測試內容主要包括：

12 ALT=圖2：路由重建時(shí)間的計算方法。>

* 數據發(fā)送速率：即終端設備可支持的最大傳輸帶寬，對于多信道系統而言，還需要測試最大可用帶寬。

* 傳播距離：即設備的通信范圍，主要與終端的發(fā)送功率，接收門(mén)限(信噪比)有關(guān)。多跳網(wǎng)絡(luò )中，傳播距離會(huì )對網(wǎng)絡(luò )的拓撲關(guān)系產(chǎn)生重大的影響，也是MAC層協(xié)議設計通常需要考慮的問(wèn)題[2][3]，也是影響網(wǎng)絡(luò )吞吐量的因素之一。

* 差錯控制能力：無(wú)線(xiàn)信道通常是不可靠信道，所以需要相應的差錯控制能力，保證在一定的信道誤碼率下，可以完成正常數據通信。

2. 網(wǎng)絡(luò )接入層性能測試

網(wǎng)絡(luò )接入層(MAC)解決了隱終端和暴露終端的問(wèn)題[2][3]。MAC層協(xié)議的性能會(huì )直接影響網(wǎng)絡(luò )的整體性能。MAC層協(xié)議是Ad Hoc網(wǎng)絡(luò )組網(wǎng)協(xié)議的基礎，也是網(wǎng)絡(luò )結點(diǎn)通信的第一步，只有高效、公平、有序地組織網(wǎng)絡(luò )中的所有通信結點(diǎn)的鏈路層通信能力，才能保證上層網(wǎng)絡(luò )互聯(lián)協(xié)議(路由協(xié)議)的正常運行。網(wǎng)絡(luò )接入層性能測試內容主要有：

* 接入時(shí)延：結點(diǎn)從有數據需要發(fā)送到數據的實(shí)際發(fā)送的時(shí)間間隔。是反映單個(gè)結點(diǎn)接入效率的重要參數，但是不能反映網(wǎng)絡(luò )整體性能。

* 網(wǎng)絡(luò )吞吐量：接入協(xié)議的性能還體現在網(wǎng)絡(luò )吞吐量上，由于無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )數據幀的碰撞會(huì )導致所有的發(fā)送方都要退避一段時(shí)間，然后重新發(fā)送數據，這就必然對系統的吞吐量產(chǎn)生影響。

* 優(yōu)先級：網(wǎng)絡(luò )中的結點(diǎn)按照優(yōu)先級排序，優(yōu)先級高的結點(diǎn)比優(yōu)先級低的結點(diǎn)有更低的平均接入時(shí)延，這一點(diǎn)在同時(shí)承載數據業(yè)務(wù)和話(huà)音業(yè)務(wù)的網(wǎng)絡(luò )中顯得尤為重要。

* 公平性：優(yōu)先級然保證了優(yōu)先級高的結點(diǎn)有更低的接入時(shí)延，但是網(wǎng)絡(luò )接入協(xié)議還必須同時(shí)保證優(yōu)先級低的結點(diǎn)不會(huì )“餓死”，同等優(yōu)先級的結點(diǎn)還要有相同或接近的接入時(shí)延參數。

3. 路由協(xié)議性能測試

路由協(xié)議的任務(wù)是維護網(wǎng)絡(luò )拓撲，為結點(diǎn)之間的通信提供及時(shí)準確的路由信息，保證報文按照協(xié)議所提供的路徑正確到達目的結點(diǎn)。針對現有Ad Hoc網(wǎng)絡(luò )路由協(xié)議的特點(diǎn)，性能測試主要包括以下幾個(gè)方面：

* 端到端時(shí)延與吞吐量：路由協(xié)議所處理的是源結點(diǎn)到目的結點(diǎn)之間的路徑選擇信息，所以源結點(diǎn)到目的結點(diǎn)之間(端到端)的行為最直接的測試內容就是時(shí)延和吞吐量。但是，這兩個(gè)參數都與MAC層協(xié)議的效率直接相關(guān)。