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。現(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,。
參考文獻
[1] ?仇棟才,， 趙國峰. 薛飛. IPTV測試[J]. 電子工程技術(shù)與標(biāo)準化，2007(2):21-25.
[2] ?許永明,， 謝質(zhì)文,， 歐陽春. IPTV-技術(shù)與應(yīng)用實踐[M]. ?北京:電子工業(yè)出版社，2006.
[3] ?李曉飛,，朱墨軍. IPTV在中國的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢[J].中國多媒體通信,，2003，15(1):21-25.
[4] ?雷崢嶸.基于Windows Media流媒體技術(shù)的IPTV[J].廣州大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版,，2006(3):43-47.
[5] ?陳晨,，裴昌幸. IP網(wǎng)絡(luò)流量產(chǎn)生器的研究與實現(xiàn)[J].重慶大學(xué)學(xué)報，2008(2).
[6] ?張偉,，王婉南.基于VxWorks的以太網(wǎng)流量發(fā)生器的實現(xiàn)[J]. 科學(xué)技術(shù)與工程,，2007(17).
[7] ?OLIVEIRA C，JAIME B K,，SUDA T．Long range depen－dence in IEEE 802.1 lb wireless LAN traffic：an empirical ?study[C]．Proceedings of the 18th Annual? IEEE Computer?Communications Workshop(CCW 2003),，California，USA,，
?2003．
[8] ?ABRY P,，PARANIUK R，F(xiàn)LANDRIN P,，et a1. Multiscale?nature of network traffic[J]． IEEE Signal Processing Magazine,，2002，19(3)：28-46.