具有衛(wèi)星鏈路的TCP/IP網(wǎng)絡(luò)性能測量方法

1概述

一個(gè)用于測控的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)合理的測量方法、研制性能測試綜合軟件等。通過在模擬平臺(tái)上測量信號(hào)傳輸質(zhì)量及網(wǎng)絡(luò)性能，整理和分析測試數(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)行測量，測量內(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[1]。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)[2]，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)[3][4]。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[3][4]。

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)測量兩大類。主動(dòng)測量通過向網(wǎng)絡(luò)中注入探測流量來進(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)測評(píng)中，確定網(wǎng)絡(luò)性能指標(biāo)或測度最為關(guān)鍵，直接影響網(wǎng)絡(luò)測評(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)都是眾所周知的測度。目前IETFsIPPM(IPPeRFormanceMetrics)定義的網(wǎng)絡(luò)測量指標(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[5][6]。