TCP/IP網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中衛(wèi)星鏈路模擬器的設(shè)計(jì)

1 概述

一個(gè)用于測(cè)控的TCP/IP網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，傳輸了包括視頻、語音和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)等多媒體信息。由于該系統(tǒng)運(yùn)行在一個(gè)不可到達(dá)的環(huán)境，對(duì)其業(yè)務(wù)承載能力及傳輸質(zhì)量的評(píng)估需要在模擬系統(tǒng)上進(jìn)行，包括建設(shè)網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)、設(shè)計(jì)合理的測(cè)量方法、研制性能測(cè)試綜合軟件等。通過在模擬平臺(tái)上測(cè)量信號(hào)傳輸質(zhì)量及網(wǎng)絡(luò)性能，整理和分析測(cè)試數(shù)據(jù)，參考設(shè)計(jì)實(shí)際網(wǎng)絡(luò)配置和對(duì)實(shí)際網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行性能評(píng)估。該網(wǎng)絡(luò)包括一條長(zhǎng)鏈路的衛(wèi)星接入信道，傳輸速率具有可任意設(shè)置的特點(diǎn)。

為了實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)，開展了以下工作：①構(gòu)建仿真網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，具有大延時(shí)特性和萊斯噪聲的衛(wèi)星模擬鏈路；可手動(dòng)設(shè)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(shù)字視頻和語音，通過增減業(yè)務(wù)數(shù)來控制網(wǎng)絡(luò)背景流量；③在具有一定背景流量的情況下，通過增減可控速率的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，對(duì)網(wǎng)絡(luò)傳輸能力和信號(hào)傳輸質(zhì)量進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量?jī)?nèi)容包括鏈路可用帶寬、鏈路時(shí)延和時(shí)延抖動(dòng)，數(shù)據(jù)信號(hào)丟包率等；④根據(jù)所測(cè)數(shù)據(jù)來分析網(wǎng)絡(luò)參數(shù)和傳輸質(zhì)量之間的關(guān)系，繪制曲線并歸納模型，為網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)及信道租用提供依據(jù)。

2 衛(wèi)星鏈路模擬器的設(shè)計(jì)

在衛(wèi)星信道上采用TCP協(xié)議進(jìn)行高速數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，會(huì)受到BDP（時(shí)延帶寬積）的“瓶頸”制約。TCP是采取超時(shí)重發(fā)的策略來進(jìn)行流量控制的，其窗口字節(jié)（在TCP協(xié)議中是16比特）制約了數(shù)據(jù)的傳輸性能，傳統(tǒng)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(zhǎng)延時(shí)鏈路上的吞吐量受到很大的限制。（向同步軌道衛(wèi)星傳輸數(shù)據(jù)，其時(shí)延約為200ms），可以得到：64kb/0.2=320k。為了適應(yīng)這一特點(diǎn)，應(yīng)允許“大窗口” 存在，使窗口值超過64K，這樣在信道上同時(shí)可以有更多的數(shù)據(jù)分組在傳輸，緩解時(shí)延長(zhǎng)帶來的影響，TCP在避免出現(xiàn)擁塞的前提下會(huì)逐漸增大窗口值以提高傳輸效率。

在衛(wèi)星通信中，誤碼率較高也是必須注意的一個(gè)特點(diǎn)。同其他無線通信方式一樣，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(duì)信道的誤碼特性產(chǎn)生影響。在數(shù)據(jù)的收端，TCP通過“校驗(yàn)和”決定數(shù)據(jù)是否受到干擾，“校驗(yàn)和”錯(cuò)誤的數(shù)據(jù)包將被丟棄。然而在數(shù)據(jù)的發(fā)端，TCP假定數(shù)據(jù)未正確到達(dá)的主要原因是信道擁塞，將通過對(duì)發(fā)送窗口的調(diào)整來適應(yīng)信道特性。這樣數(shù)據(jù)傳送速率將逐漸降低，將導(dǎo)致衛(wèi)星通信效率的低下。

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

對(duì)于衛(wèi)星信道傳輸時(shí)延，擬采用環(huán)形儲(chǔ)存器結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)。由于FPGA片上存儲(chǔ)器資源有限，衛(wèi)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(duì)傳輸時(shí)延的模擬利用外部SDRAM實(shí)現(xiàn)，每條信道通過獨(dú)立的輸入輸出緩沖，F(xiàn)IFO，實(shí)現(xiàn)與SDRAM的連接。

衛(wèi)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(jù)有關(guān)衛(wèi)星信道的理論研究，衛(wèi)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(wèi)星信道中的自由傳輸損耗、天線增益、極化損耗、轉(zhuǎn)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(wèi)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(gòu)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(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1衛(wèi)星信道模擬器結(jié)構(gòu)示意圖

3 具有衛(wèi)星接入鏈路的可變帶寬網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>

圖2是根據(jù)項(xiàng)目要求設(shè)計(jì)和建造的網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，特點(diǎn)如下：①SDH構(gòu)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(shè)置n？64Kb/s速率的以太網(wǎng)口，在實(shí)驗(yàn)中設(shè)置網(wǎng)絡(luò)瓶頸帶寬；③衛(wèi)星信道模擬器，模擬具有長(zhǎng)時(shí)延帶寬積的衛(wèi)星信道，用以實(shí)驗(yàn)改進(jìn)TCP協(xié)議的缺省窗口，增加衛(wèi)星鏈路的最大吞吐量。

圖2具有衛(wèi)星接入鏈路的可變帶寬實(shí)驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)模型

4 網(wǎng)絡(luò)測(cè)量方法研究

網(wǎng)絡(luò)測(cè)量的方法和工具多種多樣，可以分為主動(dòng)測(cè)量和被動(dòng)測(cè)量?jī)纱箢?。主?dòng)測(cè)量通過向網(wǎng)絡(luò)中注入探測(cè)流量來進(jìn)行，通過結(jié)果響應(yīng)數(shù)據(jù)來獲得網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)信息；被動(dòng)測(cè)量是在網(wǎng)絡(luò)的主要出入口監(jiān)聽和記錄網(wǎng)絡(luò)中的分組流量并進(jìn)行測(cè)量，從中提取數(shù)據(jù)，進(jìn)行分析從而得到網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)信息。

在網(wǎng)絡(luò)測(cè)評(píng)中，確定網(wǎng)絡(luò)性能指標(biāo)或測(cè)度最為關(guān)鍵，直接影響網(wǎng)絡(luò)測(cè)評(píng)的內(nèi)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(biāo)都是眾所周知的測(cè)度。目前IETFs IPPM（IP Performance Metrics）定義的網(wǎng)絡(luò)測(cè)量指標(biāo)分為RFC已經(jīng)定義的指標(biāo)和目前還是IETF中的一個(gè)草案的指標(biāo)，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(cè)試方法及性能參數(shù)選擇

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

本項(xiàng)目選擇的網(wǎng)絡(luò)測(cè)量?jī)?nèi)容包括帶寬、時(shí)延、時(shí)延抖動(dòng)、丟包率、流量和吞吐量等。

4.2 試驗(yàn)要點(diǎn)

①將實(shí)驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)設(shè)為某專用網(wǎng)絡(luò)帶寬，逐步加大業(yè)務(wù)，測(cè)量信息丟包率、時(shí)延和時(shí)延抖動(dòng)等指標(biāo)，目測(cè)視頻傳輸?shù)馁|(zhì)量情況，標(biāo)定上述指標(biāo)的可容忍度。

②在給定業(yè)務(wù)容量情況下，逐步調(diào)低網(wǎng)絡(luò)傳輸速率，按照標(biāo)定指標(biāo)進(jìn)行判斷，得出傳輸給定業(yè)務(wù)的所需的最小帶寬。

③加入衛(wèi)星信道模擬器，逐步加入噪聲或加大時(shí)延，測(cè)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。

④變化業(yè)務(wù)數(shù)，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(biāo)變化，查找專用網(wǎng)絡(luò)在帶寬和時(shí)延上的“瓶頸”。這里的時(shí)延專指?jìng)鞑r(shí)延，不包括傳輸時(shí)延，因?yàn)閭鬏敃r(shí)延已經(jīng)由瓶頸帶寬反映出來。

4.3 測(cè)試程序架構(gòu)

測(cè)量程序采用Winpcap+Winsock的層次化測(cè)量架構(gòu)。

Winpcap源于BPF（Berkley Packet Filter）和libpcap函數(shù)庫，支持Win32的網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)程序設(shè)計(jì)。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)開發(fā)工具各有特色，結(jié)合使用可以取長(zhǎng)補(bǔ)短，提高軟件開發(fā)的效率，增強(qiáng)軟件的運(yùn)行性能。Winpcap支持網(wǎng)絡(luò)原始數(shù)據(jù)包的接收和發(fā)送，繞開了TCP/IP協(xié)議棧，有利于高速的數(shù)據(jù)包檢測(cè)和分析；支持對(duì)數(shù)據(jù)包的過濾，只處理應(yīng)用程序感興趣的數(shù)據(jù)，可以提高程序運(yùn)行性能，減少系統(tǒng)開銷，但不能為端到端的應(yīng)用提供面向連接和無連接的網(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發(fā)工作量。但是，網(wǎng)絡(luò)程序必須從協(xié)議棧獲取數(shù)據(jù)包，增加了運(yùn)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(jīng)去掉，不便于網(wǎng)絡(luò)低層的數(shù)據(jù)分析，應(yīng)用范圍有限。

圖3 測(cè)量程序架構(gòu)

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

其中網(wǎng)絡(luò)接口層就是網(wǎng)卡驅(qū)動(dòng)程序模塊，負(fù)責(zé)程序與網(wǎng)絡(luò)設(shè)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(shù)據(jù)包過濾器）的網(wǎng)絡(luò)模塊，一個(gè)是基于TCP/IP的網(wǎng)絡(luò)模塊。

測(cè)試層通過Winpcap編程接口來訪問NPF，檢測(cè)出原始數(shù)據(jù)包并獲取數(shù)據(jù)包到達(dá)時(shí)刻；通過Winsock編程接口來訪問TCP/IP，獲取TCP會(huì)話信息。主從程序測(cè)試層均包括兩個(gè)基本功能模塊：數(shù)據(jù)包檢測(cè)和TCP會(huì)話。數(shù)據(jù)包檢測(cè)模塊利用Winpcap接口獲取網(wǎng)絡(luò)中的原始數(shù)據(jù)包，測(cè)量開始后，主程序數(shù)據(jù)包檢測(cè)模塊直接解析出發(fā)送端計(jì)算機(jī)發(fā)出的數(shù)據(jù)包IP標(biāo)識(shí)，記錄進(jìn)主測(cè)試窗口，從程序的數(shù)據(jù)包檢測(cè)模塊直接解析出接收端計(jì)算機(jī)接收的數(shù)據(jù)包IP標(biāo)識(shí)，記錄進(jìn)從測(cè)試窗口，同時(shí)記錄視頻包的達(dá)到時(shí)刻；TCP會(huì)話模塊利用Winsock接口建立主從程序間的TCP連接，控制測(cè)量步驟，并交互測(cè)量過程中獲取的數(shù)據(jù)。窗口調(diào)節(jié)模塊利用這兩個(gè)基本功能動(dòng)態(tài)調(diào)整測(cè)試窗口尺寸。根據(jù)正確接收的數(shù)據(jù)包和主程序通知確認(rèn)的數(shù)據(jù)包序列，從程序的丟包確認(rèn)模塊檢查數(shù)據(jù)包的丟失情況，并把丟包數(shù)據(jù)反饋給主程序。根據(jù)反饋的丟包信息，主程序的丟包率計(jì)算分析模塊計(jì)算丟包率。從程序的延遲計(jì)算模塊通過時(shí)間提取，計(jì)算相繼到達(dá)視頻包的延遲，并通過TCP會(huì)話連接將最后的延遲統(tǒng)計(jì)值返回給主程序的延遲獲取模塊。

5 結(jié)論

通過將測(cè)量軟件用于實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行測(cè)試，驗(yàn)證了所選性能測(cè)量指標(biāo)的可用性和測(cè)量方法的有效性。特別針對(duì)專用網(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?shù)膬?yōu)先級(jí)方案，提出了改進(jìn)網(wǎng)絡(luò)性能的方案措施，為項(xiàng)目順利結(jié)題打下了基礎(chǔ)。在今后的工作中，將根據(jù)目標(biāo)任務(wù)書要求，加強(qiáng)故障管理功能研究，并把網(wǎng)絡(luò)性能測(cè)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(wèi)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(biāo)。

本文作者的創(chuàng)新點(diǎn)是：（1）試驗(yàn)平臺(tái)的可變速率設(shè)計(jì)為網(wǎng)絡(luò)可用帶寬的測(cè)試提供了條件；（2）引入衛(wèi)星信道模擬器，實(shí)現(xiàn)大時(shí)延信道的TCP/IP傳輸研究。

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