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1 概述 一個用于測控的TCP/IP網絡系統，傳輸了包括視頻、語音和實時數據等多媒體信息。由于該系統運行在一個不可到達的環境，對其業務承載能力及傳輸質量的評估需要在模擬系統上進行，包括建設網絡實驗平臺、設計合理的測量方法、研制性能測試綜合軟件等。通過在模擬平臺上測量信號傳輸質量及網絡性能，整理和分析測試數據，參考設計實際網絡配置和對實際網絡進行性能評估。該網絡包括一條長鏈路的衛星接入信道，傳輸速率具有可任意設置的特點。 為了實現上述目標，開展了以下工作：①構建仿真網絡實驗平臺，具有大延時特性和萊斯噪聲的衛星模擬鏈路；可手動設置接入帶寬，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音，通過增減業務數來控制網絡背景流量；③在具有一定背景流量的情況下，通過增減可控速率的數據業務，對網絡傳輸能力和信號傳輸質量進行測量，測量內容包括鏈路可用帶寬、鏈路時延和時延抖動，數據信號丟包率等；④根據所測數據來分析網絡參數和傳輸質量之間的關系，繪制曲線并歸納模型，為網絡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協議進行高速數據傳輸時，會受到BDP（時延帶寬積）的“瓶頸”制約。TCP是采取超時重發的策略來進行流量控制的,其窗口字節（在TCP協議中是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延帶寬積只能為64K，這使得在長延時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，其時延約為200ms)，可以得到:64kb/0.2=320k。為了適應這一特點，應允許“大窗口” 存在，使窗口值超過64K，這樣在信道上同時可以有更多的數據分組在傳輸，緩解時延長帶來的影響，TCP在避免出現擁塞的前提下會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特點。同其他無線通信方式一樣，信息易受白噪聲、突發噪聲的干擾，氣候等各種因素都會對信道的誤碼特性產生影響。在數據的收端，TCP通過“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。然而在數據的發端，TCP假定數據未正確到達的主要原因是信道擁塞，將通過對發送窗口的調整來適應信道特性。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，實驗網絡中的衛星信道模擬器將具有以下特點：①只涉及星地鏈路；②衛星鏈路模擬器主要考慮傳輸時延和無線誤碼兩大基本特性。 對于衛星信道傳輸時延，擬采用環形儲存器結構實現。由于FPGA片上存儲器資源有限，衛星信道的傳輸時延從幾個毫秒到幾百毫秒變化范圍較大，因此對傳輸時延的模擬利用外部SDRAM實現，每條信道通過獨立的輸入輸出緩沖，FIFO，實現與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、噪聲等帶來的影響。根據有關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、天線增益、極化損耗、轉發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。 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絡實驗模型 圖2是根據項目要求設計和建造的網絡實驗平臺，特點如下：①SDH構成一個環型骨干網，傳輸帶寬為155Mb/s；②2M速率的PCM終端，具有手動可設置n?64Kb/s速率的以太網口，在實驗中設置網絡瓶頸帶寬；③衛星信道模擬器，模擬具有長時延帶寬積的衛星信道，用以實驗改進TCP協議的缺省窗口，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驗網絡模型 4 網絡測量方法研究 網絡測量的方法和工具多種多樣，可以分為主動測量和被動測量兩大類。主動測量通過向網絡中注入探測流量來進行，通過結果響應數據來獲得網絡狀態信息；被動測量是在網絡的主要出入口監聽和記錄網絡中的分組流量并進行測量，從中提取數據，進行分析從而得到網絡狀態信息。 在網絡測評中，確定網絡性能指標或測度最為關鍵，直接影響網絡測評的內容及其全面性、合理性和有效性。例如帶寬、時延、時延抖動、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)定義的網絡測量指標分為RFC已經定義的指標和目前還是IETF中的一個草案的指標，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。 4.1 測試方法及性能參數選擇 本項目采用主動測試方法：在網絡上布置測試機器，主動發送測試流量，如，從A端到B端，獲得兩端點間的測試結果信息。 本項目選擇的網絡測量內容包括帶寬、時延、時延抖動、丟包率、流量和吞吐量等。 4.2 試驗要點 ①將實驗網絡設為某專用網絡帶寬，逐步加大業務，測量信息丟包率、時延和時延抖動等指標，目測視頻傳輸的質量情況，標定上述指標的可容忍度。 ②在給定業務容量情況下，逐步調低網絡傳輸速率，按照標定指標進行判斷，得出傳輸給定業務的所需的最小帶寬。 ③加入衛星信道模擬器，逐步加入噪聲或加大時延，測試信息傳輸丟包率的變化情況，繪制丟包率、時延、噪聲功率的雙變量曲線。 ④變化業務數，記錄視頻質量變化、各段帶寬值的變化、各段時延值變化，丟包率指標變化，查找專用網絡在帶寬和時延上的“瓶頸”。這里的時延專指傳播時延，不包括傳輸時延，因為傳輸時延已經由瓶頸帶寬反映出來。 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的網絡監測程序設計。Winsock是人們很熟悉的Windows套接字編程工具，源于 Berkley Socket技術。這兩款網絡開發工具各有特色，結合使用可以取長補短，提高軟件開發的效率，增強軟件的運行性能。Winpcap支持網絡原始數據包的接收和發送，繞開了TCP/IP協議棧，有利于高速的數據包檢測和分析；支持對數據包的過濾，只處理應用程序感興趣的數據，可以提高程序運行性能，減少系統開銷，但不能為端到端的應用提供面向連接和無連接的網絡服務。 Winsock是建立在TCP/IP協議棧之上的程序開發工具，提供面向連接和的連接得網絡服務，可以大大降低程序開發工作量。但是，網絡程序必須從協議棧獲取數據包，增加了運行的開銷，降低了性能；由于鏈路層幀首部在提交給IP層之前就已經去掉，不便于網絡低層的數據分析，應用范圍有限。 圖3 測量程序架構 程序采用三層架構：網絡接口層、網絡層、測試層。 其中網絡接口層就是網卡驅動程序模塊，負責程序與網絡設備間的交互。 網絡層包括兩部分：一個是基于NPF（網絡數據包過濾器）的網絡模塊，一個是基于TCP/IP的網絡模塊。 測試層通過Winpcap編程接口來訪問NPF，檢測出原始數據包并獲取數據包到達時刻；通過Winsock編程接口來訪問TCP/IP，獲取TCP會話信息。主從程序測試層均包括兩個基本功能模塊：數據包檢測和TCP會話。數據包檢測模塊利用Winpcap接口獲取網絡中的原始數據包，測量開始后，主程序數據包檢測模塊直接解析出發送端計算機發出的數據包IP標識，記錄進主測試窗口，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，記錄進從測試窗口，同時記錄視頻包的達到時刻；TCP會話模塊利用Winsock接口建立主從程序間的TCP連接，控制測量步驟，并交互測量過程中獲取的數據。窗口調節模塊利用這兩個基本功能動態調整測試窗口尺寸。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時間提取，計算相繼到達視頻包的延遲，并通過TCP會話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 通過將測量軟件用于實驗平臺進行測試，驗證了所選性能測量指標的可用性和測量方法的有效性。特別針對專用網絡的具體情況，制定了適合網絡承載業務傳輸的優先級方案，提出了改進網絡性能的方案措施，為項目順利結題打下了基礎。在今后的工作中，將根據目標任務書要求，加強故障管理功能研究，并把網絡性能測試和故障定位技術推廣到新一代自組織網絡中。在衛星信道模擬器方面，將把研究具有星際網絡的綜合性多功能模擬器作為目標。 本文作者的創新點是：（1）試驗平臺的可變速率設計為網絡可用帶寬的測試提供了條件；（2）引入衛星信道模擬器，實現大時延信道的TCP/IP傳輸研究。 |
