具有衛星鏈路的TCP/IP網(wǎng)絡(luò )性能測量方法研究

1概述

　　一個(gè)用于測控的TCP/IP網(wǎng)絡(luò )系統，傳輸了包括視頻、語(yǔ)音和實(shí)時(shí)數據等多媒體信息。由于該系統運行在一個(gè)不可到達的環(huán)境，對其業(yè)務(wù)承載能力及傳輸質(zhì)量的評估需要在模擬系統上進(jìn)行，包括建設網(wǎng)絡(luò )實(shí)驗平臺、設計合理的測量方法、研制性能測試綜合軟件等。通過(guò)在模擬平臺上測量信號傳輸質(zhì)量及網(wǎng)絡(luò )性能，整理和分析測試數據，參考設計實(shí)際網(wǎng)絡(luò )配置和對實(shí)際網(wǎng)絡(luò )進(jìn)行性能評估。該網(wǎng)絡(luò )包括一條長(cháng)鏈路的衛星接入信道，傳輸速率具有可任意設置的特點(diǎn)。

　　為了實(shí)現上述目標，開(kāi)展了以下工作：①構建仿真網(wǎng)絡(luò )實(shí)驗平臺，具有大延時(shí)特性和萊斯噪聲的衛星模擬鏈路；可手動(dòng)設置接入帶寬，最高傳輸速率為2Mb/s,可變速率為n?64Kb/s；②模擬接入多路數字視頻和語(yǔ)音，通過(guò)增減業(yè)務(wù)數來(lái)控制網(wǎng)絡(luò )背景流量；③在具有一定背景流量的情況下，通過(guò)增減可控速率的數據業(yè)務(wù)，對網(wǎng)絡(luò )傳輸能力和信號傳輸質(zhì)量進(jìn)行測量，測量?jì)热莅ㄦ溌房捎脦?、鏈路時(shí)延和時(shí)延抖動(dòng)，數據信號丟包率等；④根據所測數據來(lái)分析網(wǎng)絡(luò )參數和傳輸質(zhì)量之間的關(guān)系，繪制曲線(xiàn)并歸納模型，為網(wǎng)絡(luò )設計及信道租用提供依據。

2衛星鏈路模擬器的設計

　　在衛星信道上采用TCP協(xié)議進(jìn)行高速數據傳輸時(shí)，會(huì )受到BDP（時(shí)延帶寬積）的“瓶頸”制約[1]。TCP是采取超時(shí)重發(fā)的策略來(lái)進(jìn)行流量控制的,其窗口字節（在TCP協(xié)議中是16比特）制約了數據的傳輸性能，傳統TCP中的16比特窗口限制了最大的時(shí)延帶寬積只能為64K，這使得在長(cháng)延時(shí)鏈路上的吞吐量受到很大的限制。(向同步軌道衛星傳輸數據，其時(shí)延約為200ms)[2]，可以得到:64kb/0.2=320k。為了適應這一特點(diǎn)，應允許“大窗口”存在，使窗口值超過(guò)64K，這樣在信道上同時(shí)可以有更多的數據分組在傳輸，緩解時(shí)延長(cháng)帶來(lái)的影響，TCP在避免出現擁塞的前提下會(huì )逐漸增大窗口值以提高傳輸效率。

　　在衛星通信中,誤碼率較高也是必須注意的一個(gè)特點(diǎn)。同其他無(wú)線(xiàn)通信方式一樣，信息易受白噪聲、突發(fā)噪聲的干擾，氣候等各種因素都會(huì )對信道的誤碼特性產(chǎn)生影響。在數據的收端，TCP通過(guò)“校驗和”決定數據是否受到干擾，“校驗和”錯誤的數據包將被丟棄。然而在數據的發(fā)端，TCP假定數據未正確到達的主要原因是信道擁塞，將通過(guò)對發(fā)送窗口的調整來(lái)適應信道特性。這樣數據傳送速率將逐漸降低，將導致衛星通信效率的低下。

　　如上所述，實(shí)驗網(wǎng)絡(luò )中的衛星信道模擬器將具有以下特點(diǎn)：①只涉及星地鏈路；②衛星鏈路模擬器主要考慮傳輸時(shí)延和無(wú)線(xiàn)誤碼兩大基本特性。

　　對于衛星信道傳輸時(shí)延，擬采用環(huán)形儲存器結構實(shí)現[3][4]。由于FPGA片上存儲器資源有限，衛星信道的傳輸時(shí)延從幾個(gè)毫秒到幾百毫秒變化范圍較大，因此對傳輸時(shí)延的模擬利用外部SDRAM實(shí)現，每條信道通過(guò)獨立的輸入輸出緩沖，FIFO，實(shí)現與SDRAM的連接。

　　衛星信道誤碼考慮包括傳播損耗、衰落、多普勒頻移、噪聲等帶來(lái)的影響。根據有關(guān)衛星信道的理論研究，衛星信道可用多種模型建模，如C.LOO模型，CORRAZA模型等，這些模型中均假定信道衰落特性服從一定概率分布特性。衛星信道中的自由傳輸損耗、天線(xiàn)增益、極化損耗、轉發(fā)器的功率損耗等特性最后影響的都是接收端的信噪比。因此，整個(gè)衛星信道從仿真的角度可以看成由包括直接影響信噪比特性的AGWN信道部分和影響衰落特性部分的多徑衰落信道相加構成，假定多徑衰落信道具有直射分量，則信道衰落特性具有萊斯分布[3][4]。

　　信道仿真模塊結構框圖如圖1所示。

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　圖1衛星信道模擬器結構示意圖

3 具有衛星接入鏈路的可變帶寬網(wǎng)絡(luò )實(shí)驗模型

　　圖2是根據項目要求設計和建造的網(wǎng)絡(luò )實(shí)驗平臺，特點(diǎn)如下：①SDH構成一個(gè)環(huán)型骨干網(wǎng)，傳輸帶寬為155Mb/s；②2M速率的PCM終端，具有手動(dòng)可設置n?64Kb/s速率的以太網(wǎng)口，在實(shí)驗中設置網(wǎng)絡(luò )瓶頸帶寬；③衛星信道模擬器，模擬具有長(cháng)時(shí)延帶寬積的衛星信道，用以實(shí)驗改進(jìn)TCP協(xié)議的缺省窗口，增加衛星鏈路的最大吞吐量。

　　　　　　　　　　　　　　　　圖2具有衛星接入鏈路的可變帶寬實(shí)驗網(wǎng)絡(luò )模型

4 網(wǎng)絡(luò )測量方法研究

　　網(wǎng)絡(luò )測量的方法和工具多種多樣，可以分為主動(dòng)測量和被動(dòng)測量?jì)纱箢?lèi)。主動(dòng)測量通過(guò)向網(wǎng)絡(luò )中注入探測流量來(lái)進(jìn)行，通過(guò)結果響應數據來(lái)獲得網(wǎng)絡(luò )狀態(tài)信息；被動(dòng)測量是在網(wǎng)絡(luò )的主要出入口監聽(tīng)和記錄網(wǎng)絡(luò )中的分組流量并進(jìn)行測量，從中提取數據，進(jìn)行分析從而得到網(wǎng)絡(luò )狀態(tài)信息。

　　在網(wǎng)絡(luò )測評中，確定網(wǎng)絡(luò )性能指標或測度最為關(guān)鍵，直接影響網(wǎng)絡(luò )測評的內容及其全面性、合理性和有效性。例如帶寬、時(shí)延、時(shí)延抖動(dòng)、丟包率、流量或吞吐量等指標都是眾所周知的測度。目前IETFs IPPM(IP Performance Metrics)定義的網(wǎng)絡(luò )測量指標分為RFC已經(jīng)定義的指標和目前還是IETF中的一個(gè)草案的指標，前者包括連通性（RFC 2678）、單向延遲（RFC 2679）、單向包丟失（RFC 2680）、往返延遲（RFC 2681），后者包括瞬間包延遲變化、IP包延遲變化、單向丟失模式采樣[5][6]。

4.1測試方法及性能參數選擇

　　本項目采用主動(dòng)測試方法：在網(wǎng)絡(luò )上布置測試機器，主動(dòng)發(fā)送測試流量，如，從A端到B端，獲得兩端點(diǎn)間的測試結果信息。

　　本項目選擇的網(wǎng)絡(luò )測量?jì)热莅◣?、時(shí)延、時(shí)延抖動(dòng)、丟包率、流量和吞吐量等。

4.2試驗要點(diǎn)

　?、谠诮o定業(yè)務(wù)容量情況下，逐步調低網(wǎng)絡(luò )傳輸速率，按照標定指標進(jìn)行判斷，得出傳輸給定業(yè)務(wù)的所需的最小帶寬。

　?、奂尤胄l星信道模擬器，逐步加入噪聲或加大時(shí)延，測試信息傳輸丟包率的變化情況，繪制丟包率、時(shí)延、噪聲功率的雙變量曲線(xiàn)。

　?、茏兓瘶I(yè)務(wù)數，記錄視頻質(zhì)量變化、各段帶寬值的變化、各段時(shí)延值變化，丟包率指標變化，查找專(zhuān)用網(wǎng)絡(luò )在帶寬和時(shí)延上的“瓶頸”。這里的時(shí)延專(zhuān)指傳播時(shí)延，不包括傳輸時(shí)延，因為傳輸時(shí)延已經(jīng)由瓶頸帶寬反映出來(lái)[7]。

4.3測試程序架構

　　測量程序采用Winpcap+Winsock的層次化測量架構。

　　Winpcap源于BPF（Berkley Packet Filter）和libpcap函數庫，支持Win32的網(wǎng)絡(luò )監測程序設計。Winsock是人們很熟悉的Windows套接字編程工具，源于Berkley Socket技術(shù)。這兩款網(wǎng)絡(luò )開(kāi)發(fā)工具各有特色，結合使用可以取長(cháng)補短，提高軟件開(kāi)發(fā)的效率，增強軟件的運行性能。Winpcap支持網(wǎng)絡(luò )原始數據包的接收和發(fā)送，繞開(kāi)了TCP/IP協(xié)議棧，有利于高速的數據包檢測和分析；支持對數據包的過(guò)濾，只處理應用程序感興趣的數據，可以提高程序運行性能，減少系統開(kāi)銷(xiāo)，但不能為端到端的應用提供面向連接和無(wú)連接的網(wǎng)絡(luò )服務(wù)。

　　Winsock是建立在TCP/IP協(xié)議棧之上的程序開(kāi)發(fā)工具，提供面向連接和的連接得網(wǎng)絡(luò )服務(wù)，可以大大降低程序開(kāi)發(fā)工作量。但是，網(wǎng)絡(luò )程序必須從協(xié)議棧獲取數據包，增加了運行的開(kāi)銷(xiāo)，降低了性能；由于鏈路層幀首部在提交給IP層之前就已經(jīng)去掉，不便于網(wǎng)絡(luò )低層的數據分析，應用范圍有限。

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　圖3 測量程序架構

　　程序采用三層架構：網(wǎng)絡(luò )接口層、網(wǎng)絡(luò )層、測試層。

　　其中網(wǎng)絡(luò )接口層就是網(wǎng)卡驅動(dòng)程序模塊，負責程序與網(wǎng)絡(luò )設備間的交互。

　　網(wǎng)絡(luò )層包括兩部分：一個(gè)是基于NPF（網(wǎng)絡(luò )數據包過(guò)濾器）的網(wǎng)絡(luò )模塊，一個(gè)是基于TCP/IP的網(wǎng)絡(luò )模塊。

　　測試層通過(guò)Winpcap編程接口來(lái)訪(fǎng)問(wèn)NPF，檢測出原始數據包并獲取數據包到達時(shí)刻；通過(guò)Winsock編程接口來(lái)訪(fǎng)問(wèn)TCP/IP，獲取TCP會(huì )話(huà)信息。主從程序測試層均包括兩個(gè)基本功能模塊：數據包檢測和TCP會(huì )話(huà)。數據包檢測模塊利用Winpcap接口獲取網(wǎng)絡(luò )中的原始數據包，測量開(kāi)始后，主程序數據包檢測模塊直接解析出發(fā)送端計算機發(fā)出的數據包IP標識，記錄進(jìn)主測試窗口，從程序的數據包檢測模塊直接解析出接收端計算機接收的數據包IP標識，記錄進(jìn)從測試窗口，同時(shí)記錄視頻包的達到時(shí)刻；TCP會(huì )話(huà)模塊利用Winsock接口建立主從程序間的TCP連接，控制測量步驟，并交互測量過(guò)程中獲取的數據。窗口調節模塊利用這兩個(gè)基本功能動(dòng)態(tài)調整測試窗口尺寸。根據正確接收的數據包和主程序通知確認的數據包序列，從程序的丟包確認模塊檢查數據包的丟失情況，并把丟包數據反饋給主程序。根據反饋的丟包信息，主程序的丟包率計算分析模塊計算丟包率。從程序的延遲計算模塊通過(guò)時(shí)間提取，計算相繼到達視頻包的延遲，并通過(guò)TCP會(huì )話(huà)連接將最后的延遲統計值返回給主程序的延遲獲取模塊。

5 結論

　　通過(guò)將測量軟件用于實(shí)驗平臺進(jìn)行測試，驗證了所選性能測量指標的可用性和測量方法的有效性。特別針對專(zhuān)用網(wǎng)絡(luò )的具體情況，制定了適合網(wǎng)絡(luò )承載業(yè)務(wù)傳輸的優(yōu)先級方案，提出了改進(jìn)網(wǎng)絡(luò )性能的方案措施，為項目順利結題打下了基礎。在今后的工作中，將根據目標任務(wù)書(shū)要求，加強故障管理功能研究，并把網(wǎng)絡(luò )性能測試和故障定位技術(shù)推廣到新一代自組織網(wǎng)絡(luò )中。在衛星信道模擬器方面，將把研究具有星際網(wǎng)絡(luò )的綜合性多功能模擬器作為目標。
本文作者的創(chuàng )新點(diǎn)是：（1）試驗平臺的可變速率設計為網(wǎng)絡(luò )可用帶寬的測試提供了條件；（2）引入衛星信道模擬器，實(shí)現大時(shí)延信道的TCP/IP傳輸研究。

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