《電子技術(shù)應(yīng)用》
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IPTV測試儀網(wǎng)絡(luò)層測試的設(shè)計與實現(xiàn)

2009-07-27
作者:陳玉花, 張治中, 杜西亞

  摘??要: 以IPTV測試儀的網(wǎng)絡(luò)層測試功能為研究背景,介紹了IPTV的整體設(shè)計框架、網(wǎng)絡(luò)層測試指標(biāo)的算法設(shè)計,并在此基礎(chǔ)上探討了利用 IP流量發(fā)生器測試這些指標(biāo)的設(shè)計方案。分析了方案中先進的主從機模式和高效的流量產(chǎn)生算法及調(diào)度算法,給出了測試方案的仿真結(jié)果。結(jié)果表明,方案思路清晰、穩(wěn)定可靠。此方案已應(yīng)用于IPTV測試儀中,效果良好。
  關(guān)鍵詞:網(wǎng)絡(luò)層指標(biāo); IP流量發(fā)生;主從機模式;調(diào)度算法; IPTV測試儀

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  隨著數(shù)字媒體娛樂的興起,IPTV吸引了業(yè)界眾多眼球[1-3],成為全球電信業(yè)投資重點之一。IPTV業(yè)務(wù)是伴隨著寬帶互聯(lián)網(wǎng)的飛速發(fā)展而興起的一項新興的互聯(lián)網(wǎng)增值業(yè)務(wù),它利用寬帶互聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)設(shè)施,以家用電視機和電腦作為主要終端,利用網(wǎng)絡(luò)機頂盒STB(Set-TopBox),通過互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議來傳送電視信號,提供包括電視節(jié)目在內(nèi)的多種數(shù)字媒體服務(wù)。IPTV簡單來說就是交互式網(wǎng)絡(luò)電視[2-5],它能為用戶提供電信級的服務(wù)和使用簡便的電視式體驗。然而,在融合的環(huán)境中,使用IPTV這樣的應(yīng)用,服務(wù)質(zhì)量和性能測試顯得比以往更加重要。因此,IPTV測試儀應(yīng)運而生。
  IPTV測試儀網(wǎng)絡(luò)層質(zhì)量測試,主要指傳統(tǒng)IP網(wǎng)絡(luò)層的性能指標(biāo),根據(jù)ITU-T Y.1540[3]建議,主要為IP丟包率、IP包時延、IP包抖動及其相關(guān)參數(shù)。IPTV用戶最為注重的就是服務(wù)質(zhì)量,而網(wǎng)絡(luò)的時延、抖動和丟包將導(dǎo)致圖像斑點和馬賽克、圖片模糊和邊緣失真、音頻中斷以及通道更改延遲等,嚴重影響了服務(wù)質(zhì)量。因此,本文對網(wǎng)絡(luò)層指標(biāo)的測試設(shè)計與實現(xiàn)的研究具有重要意義[1-8]。
1 測試儀的整體框架
  IPTV測試儀由軟件和硬件兩部分組成,而對網(wǎng)絡(luò)層的測試,主要由硬件部分FPGA模塊的IP流量發(fā)生器實現(xiàn),如圖1所示。

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  本文研究的IPTV測試儀網(wǎng)絡(luò)層測試,采用了單MAC主從機測試模式進行主動測試,利用IP流量發(fā)生器自發(fā)自收IP包,分析相應(yīng)的時間戳和包數(shù)量等參數(shù),由此計算IP包的時延、抖動和丟包率。
2 網(wǎng)絡(luò)層測試指標(biāo)算法設(shè)計
  IPTV測試儀網(wǎng)絡(luò)層的測試指標(biāo)主要包括丟包率、時延、抖動及其相關(guān)參數(shù)。
2.1 時延和抖動算法設(shè)計
  在測試中,時延是指測試儀發(fā)送測試包與接收測試包的時間的差值。當(dāng)音頻和視頻IP包離開發(fā)送端時,按照規(guī)則的間隔均勻地排列。在通過網(wǎng)絡(luò)之后,這一均勻的間隔因不同的時延大小而遭到破壞,從而產(chǎn)生抖動。抖動會導(dǎo)致目標(biāo)終端上音頻和視頻流的不連貫性。
  測試時,在發(fā)送的IP 包中加上發(fā)送時間戳,在接收時提取IP包中的時間戳,同時記錄接收時間,接收和發(fā)送的時間的差值即統(tǒng)計時延。
  假設(shè)發(fā)送IP包的時間戳為SentTimei,接收時間為RecvTimei,i為計算時延值Delayi和抖動值Jitteri的個數(shù)。為了使計算更為精確,采用概率的統(tǒng)計平均算法,取前2m(m=0、1…16,可設(shè)置)個值計算平均值,作為預(yù)估平均值,即為所求的時延值和抖動值。具體算法如下:
    

2.2 丟包率算法設(shè)計
  丟包對視頻播放質(zhì)量有直接的影響,發(fā)生IP數(shù)據(jù)包丟失可能基于多個原因,如帶寬限制、網(wǎng)絡(luò)擁塞、鏈路故障以及傳輸錯誤。數(shù)據(jù)包丟失通常代表了一種突發(fā)式行為,經(jīng)常與網(wǎng)絡(luò)擁塞時段相關(guān)聯(lián)。
  丟包率是指測試中所丟失數(shù)據(jù)包數(shù)量占所發(fā)送數(shù)據(jù)包的比率,通常在吞吐量范圍內(nèi)測試。假設(shè)第j次主測試儀發(fā)送IP包的個數(shù)為IPSentj,接收回來的包為IPRecvj,則丟包率IPLostj為:
  

  為了使計算更為精確,采用概率的統(tǒng)計平均算法,取前2m(m=0、1…16,可設(shè)置)個值計算平均值,作為預(yù)估平均值,即為所求的丟包率。
  
  以上網(wǎng)絡(luò)層指標(biāo)的測試,采取主動測試模式,利用IP流量發(fā)生器來完成。
3 測試方案設(shè)計
3.1主從機測試模式

  普通測試儀采用的雙MAC單機測試模式,只能測試單個網(wǎng)絡(luò),測試距離短、范圍小。IPTV測試儀網(wǎng)絡(luò)層測試采用的是單MAC主從機測試模式,可遠距離跨網(wǎng)測試,比單機測試模式測試距離更長,范圍更廣,精確度更高。
  IPTV測試儀在測試網(wǎng)絡(luò)層指標(biāo)時,可作為主機發(fā)送IP包,可作為從機轉(zhuǎn)發(fā)IP包,也可同時作為主機和從機,同時發(fā)送接收和轉(zhuǎn)發(fā)IP包。如圖2所示。


  測試儀A和測試儀B測試網(wǎng)絡(luò)1,測試儀B和測試儀C測試網(wǎng)絡(luò)2。其中A選擇主機狀態(tài),發(fā)送接收IP包,分析測試指標(biāo)。C選擇從機狀態(tài)轉(zhuǎn)發(fā)B發(fā)送的IP包給B。而B則同時作為A的從機和C的主機,負責(zé)發(fā)送和接收給C的IP包,同時轉(zhuǎn)發(fā)回A發(fā)送來的IP包。
主從機通信流程圖如圖3所示。


  首先主機A發(fā)送連接請求消息,從機B回復(fù)連接響應(yīng)消息。收到回復(fù)后,主機A發(fā)送連接建立完成消息并發(fā)送加上發(fā)送時間戳的IP包,從機B接收并轉(zhuǎn)發(fā)回IP包給主機A。主機A根據(jù)返回IP包的數(shù)據(jù)計算時延抖動和丟包率。
3.2 整體設(shè)計
  測試儀的主從機測試模式以及測試指標(biāo)參數(shù)提取是采用IP流量發(fā)生器實現(xiàn)的。其主要由控制模塊、 同步模塊、響應(yīng)模塊、ARP/RARP模塊、轉(zhuǎn)發(fā)模塊、IP流量發(fā)生模塊、自身IP包處理模塊、發(fā)送模塊、發(fā)送調(diào)度模塊、接收模塊、接收調(diào)度模塊等組成。具體方案設(shè)計如圖4所示。

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  控制模塊負責(zé)IP流量發(fā)生器與CPU的交互,并控制測試儀處于何種狀態(tài):主機狀態(tài)、從機狀態(tài)、主從機狀態(tài);ARP/RARP模塊主要負責(zé)ARP/RARP包的處理;同步模塊負責(zé)主機向從機發(fā)送連接請求;響應(yīng)模塊負責(zé)從機向主機發(fā)送響應(yīng)信息;轉(zhuǎn)發(fā)模塊完成主機發(fā)送來的IP包的轉(zhuǎn)發(fā);IP流量發(fā)生模塊產(chǎn)生主機要發(fā)送的IP包;自身IP包處理模塊完成對從機轉(zhuǎn)發(fā)回的IP包進行分析處理,提取網(wǎng)絡(luò)測試指標(biāo)參數(shù);接收模塊完成網(wǎng)絡(luò)上各種測試包的接收;接收調(diào)度模塊調(diào)度接收到的測試包發(fā)送到相應(yīng)的模塊處理,如將ARP包送到ARP模塊;發(fā)送模塊負責(zé)將各種測試包發(fā)送到網(wǎng)絡(luò);發(fā)送調(diào)度模塊完成各個模塊測試包的發(fā)送順序。
3.3 IP流量發(fā)生方案
  IP流量發(fā)生模塊是整個IP流量發(fā)生器最重要的模塊。用戶在進行網(wǎng)絡(luò)層測試時,啟動IP流量發(fā)生器。用戶輸入每秒產(chǎn)生的IP包的個數(shù)、IP包的長度、IP包的類型、目的IP地址等關(guān)鍵參數(shù)。IP流量發(fā)生模塊根據(jù)這些信息生成IP流量。
  發(fā)送的IP包的生成采用“定點填充、規(guī)律生成”的方案,即一些關(guān)鍵信息如測試時間、IP頭長度、IP包總長度等在IP包中分配有固定的位置,且取值會對測試結(jié)果產(chǎn)生影響。對于這樣的信息就要根據(jù)IP包的類型和用戶填寫的信息填充到固定的位置。如圖5中的偽碼所示。


  而IP包承載的一些數(shù)據(jù)信息可以是任何隨意的值,取值多少對測試結(jié)果不會產(chǎn)生影響。對于這些信息,為了避免出現(xiàn)全0,將按一定規(guī)律產(chǎn)生。如偽碼中所示,最高8位為一個固定前綴ti,低8位為位置偏移量的值offset(以4字節(jié)為單位)。當(dāng)offset=x'01F4' 時,ti<=ti+1。這樣規(guī)律產(chǎn)生的數(shù)據(jù),便于測試時檢查傳輸數(shù)據(jù)的正確性和糾錯。
3.4 調(diào)度算法設(shè)計
  在IPTV測試儀的IP流量發(fā)生器中主要有2個重要的調(diào)度:接收調(diào)度和發(fā)送調(diào)度。測試儀處于不同的狀態(tài)時,采用不同的調(diào)度算法?,F(xiàn)在以調(diào)度最為復(fù)雜的主從機狀態(tài)為例,介紹2個重要調(diào)度的算法設(shè)計。
  (1) 接收調(diào)度
  接收模塊接收的測試包有4種可能:ARP/RARP包、作為從機要轉(zhuǎn)發(fā)的包、應(yīng)主機同步包的響應(yīng)包、作為主機接收回的自身的IP包。
  接收調(diào)度就是判斷測試包的類型,接收的是哪種類型的測試包就送到相應(yīng)的處理模塊進行處理。
  (2)發(fā)送調(diào)度
  相對接收調(diào)度,發(fā)送調(diào)度要復(fù)雜很多。因為測試儀同時處于主機和從機狀態(tài),它要發(fā)送的測試包有:ARP/RARP包、作為主機自身產(chǎn)生的IP包、請求從機建立連接的同步包、作為從機要轉(zhuǎn)發(fā)回去的IP包。但是幾種測試包可能都在等待發(fā)送。因此發(fā)送調(diào)度模塊采用了“先來先服務(wù),同在看級別”的算法思想。
  發(fā)送模塊主要調(diào)度4種測試包的發(fā)送。當(dāng)4種IP包到來時間不同時,且每次只有1種包需要發(fā)送時,則采用先來先服務(wù)FCFS(First Come First Serve)調(diào)度算法,哪種測試包先到達,調(diào)度模塊則將其送到發(fā)送模塊發(fā)送。當(dāng)有2種或3種測試包在同時等待發(fā)送時,根據(jù)其優(yōu)先級排隊發(fā)送,優(yōu)先發(fā)送級別高的測試包,然后發(fā)送級別低的測試包。本方案中ARP/RARP包的級別最高為1,同步包次之為2,轉(zhuǎn)發(fā)的IP包級別為3,自身IP流量發(fā)生的IP包的級別最低為4。即如果3種包同時需要發(fā)送時,優(yōu)先發(fā)送ARP包。
  這種算法思想結(jié)合了經(jīng)典的先來先服務(wù)調(diào)度算法和優(yōu)先級調(diào)度算法的優(yōu)點,實現(xiàn)了發(fā)送模塊的最優(yōu)調(diào)度。
4 仿真結(jié)果及分析
  測試時,IP流量發(fā)生器接收用戶輸入的數(shù)據(jù),根據(jù)這些數(shù)據(jù)產(chǎn)生IP包,發(fā)送模塊在和從機建立連接后,按一定的幀間隔發(fā)送IP包,并在IP包頭后打上發(fā)送時間戳。接收模塊接收轉(zhuǎn)發(fā)回來的IP包,記錄每個IP包的時延,并統(tǒng)計接收到的IP包個數(shù),送到上層應(yīng)用程序進行計算。
  為了便于觀察測試結(jié)果,測試輸入如下:選擇主機狀態(tài),發(fā)送時鐘周期選擇20 ns,1 s發(fā)送50 000個IP包,發(fā)送間隔為3個時鐘周期,IP包頭長度為20個字節(jié),總長度為64字節(jié),沒有分片。主機IP地址為10.11.107.75(十六進制表示為0A0B6B4B),從機IP地址為10.11.105.34(十六進制表示為0A0B6922)。發(fā)送時間戳存放在IP包頭的目的IP地址后。發(fā)送和接收模塊的仿真圖如圖6所示。


  從圖中可以看到,接收到的發(fā)送模塊發(fā)送的IP包包頭數(shù)據(jù)與用戶輸入數(shù)據(jù)完全吻合,且IP包數(shù)據(jù)完全按照IP流量產(chǎn)生算法規(guī)律產(chǎn)生。接收模塊接收到的目的IP地址與發(fā)送模塊的源IP地址相同都為主機的IP地址,說明主從機連接成功,通信正常。
  FPGA模塊有一個公共時鐘計數(shù)器,以時鐘計數(shù)器值作為時間戳,接收和發(fā)送時的計數(shù)器值的差值,乘上時鐘周期即為所求時延。統(tǒng)計接收到的IP包的個數(shù),在開始接收時鐘與當(dāng)前時鐘差值等于時鐘頻率時,即接收開始1 s后,輸出和1 s鐘丟包個數(shù),時間未到時丟包個數(shù)保持為0。從圖5可以看到,接收模塊收到的第6個IP包的發(fā)送時間為0x000001F4,接收時鐘為0x000061AB,時延為124 500(0X00005FB4)個時鐘周期。在未到1 s時,丟包個數(shù)保持為0。
  測試結(jié)果與預(yù)期結(jié)果完全一致。同時,經(jīng)示波器測試,測試結(jié)果與仿真結(jié)果基本一致。
  本文首先介紹了IPTV測試儀的整體框架;然后分析了網(wǎng)絡(luò)層測試指標(biāo)算法,提出了利用IP流量發(fā)生器實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)層測試的的設(shè)計方案;最后將方案在仿真軟件上進行測試和仿真,并給出了部分結(jié)果。測試表明,本方案思路清晰,實現(xiàn)簡單,程序穩(wěn)定可靠。本方案已應(yīng)用到“重郵東電IPTV測試儀”中,測試效果良好。

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