LTE網(wǎng)絡(luò)測試儀IP流量生成技術(shù)的研究與實(shí)現(xiàn)*

王曉嬌，張治中

（重慶郵電大學(xué)通信網(wǎng)與測試技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 重慶 400065）

1 引言

隨著LTE（long term evolution，長期演進(jìn)）網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的擴(kuò)大、帶寬的不斷提升，基于全I(xiàn)P的業(yè)務(wù)應(yīng)用發(fā)展迅速，對(duì)網(wǎng)絡(luò)流量生成技術(shù)也提出了新的挑戰(zhàn)。部署LTE網(wǎng)絡(luò)的采集機(jī)、交換機(jī)、路由器等網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的新產(chǎn)品、新協(xié)議的開發(fā)過程中，IP流量發(fā)生器可以在簡單的測試環(huán)境中，模擬LTE現(xiàn)網(wǎng)的IP數(shù)據(jù)和流量以及各種異常的數(shù)據(jù)分組，為生產(chǎn)、測試、研發(fā)提供信號(hào)源[1]，是網(wǎng)絡(luò)模擬和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備測試中的重要工具。

目前流量生成技術(shù)主要基于通用處理器、ASIC（application specific integrated circuit，專用集成電路）專用芯片或FPGA（field programmable gate array，現(xiàn)場可編程門陣列）實(shí)現(xiàn)。第一種方法可以模擬較低速率的網(wǎng)絡(luò)流量；第二種方法是采用專用硬件器件實(shí)現(xiàn)，雖然可以生成高速率的流量，滿足吉比特線速的速率環(huán)境要求，但成本昂貴，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜；而采用可編程器件的方式，利用FPGA可以有效兼顧性能與成本[1～3]。

本文設(shè)計(jì)了一種基于LTE網(wǎng)絡(luò)測試儀數(shù)據(jù)采集平臺(tái)的IP流量發(fā)生器，該硬件平臺(tái)采用全FPGA架構(gòu)，重點(diǎn)研究了在Windows平臺(tái)下用軟件方式實(shí)現(xiàn)高速流量的生成方法，分析了性能模式和仿真模式兩種工作模式的軟件設(shè)計(jì)方案。在性能模式下能夠精準(zhǔn)地定速、定量發(fā)送用戶指定長度的單個(gè)IP數(shù)據(jù)分組，在仿真模式下可以發(fā)送批量IP數(shù)據(jù)分組，包括短分組、長分組、超長分組，兩者均能同時(shí)支持多路發(fā)送，擁有很好的靈活性，對(duì)LTE網(wǎng)絡(luò)測試儀的數(shù)據(jù)采集測試、模擬高速網(wǎng)絡(luò)環(huán)境具有重要的應(yīng)用價(jià)值。

2 總體設(shè)計(jì)方案

LTE網(wǎng)絡(luò)測試儀的IP流量發(fā)生器基于IP數(shù)據(jù)采集卡硬件平臺(tái)進(jìn)行開發(fā)，該硬件平臺(tái)采用全FPGA架構(gòu)，其總體模塊化設(shè)計(jì)如圖1所示。由于待發(fā)送的IP數(shù)據(jù)分組已封裝成MAC幀，因此應(yīng)用層控制模塊直接將待發(fā)送的MAC幀依次寫入板卡的發(fā)送內(nèi)存中，并與FPGA層的BMD（bus master DMA，總線主控DMA）模塊通過約定好的交互機(jī)制，控制數(shù)據(jù)的發(fā)送與更新。由于采用新一代總線接口PCI-E X4連接PC機(jī)和板卡，BMD模塊通過與PCI-E core模塊配合，向操作系統(tǒng)申請(qǐng)PCI-E協(xié)議事務(wù)層的TLP（transaction layer packet，事務(wù)層分組），返回的TLP稱為CplD（completion with data，攜帶數(shù)據(jù)的完成分組）。BMD 中的CplD重組模塊對(duì)亂序的CplD進(jìn)行重新排序，按照正確的序列寫入發(fā)送FIFO中，通過發(fā)送調(diào)度模塊[4]，控制發(fā)送的速率和順序，將IP數(shù)據(jù)分組送入下一級(jí)的MAC模塊進(jìn)行復(fù)制、分流處理，最后通過相應(yīng)的SFP端口將數(shù)據(jù)發(fā)出。由此可見，在數(shù)據(jù)傳輸通道已建立的情況下，保證該IP流量發(fā)生器功能與性能的關(guān)鍵是應(yīng)用層控制模塊與BMD模塊的交互機(jī)制設(shè)計(jì)。

3 性能模式設(shè)計(jì)方案

3.1 流量控制算法設(shè)計(jì)

在性能模式下，IP流量發(fā)生器可實(shí)現(xiàn)單個(gè)IP數(shù)據(jù)分組的多次或無限次發(fā)送，重點(diǎn)關(guān)注發(fā)送速率的可控性，即發(fā)送數(shù)據(jù)的速率可由上層用戶進(jìn)行設(shè)定。速率控制的關(guān)鍵在于BMD中發(fā)送調(diào)度模塊的流量控制算法設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)方法的基本思想是：在兩個(gè)相鄰MAC幀之間插入一定數(shù)量的空閑周期，空閑周期數(shù)的取值與BMD模塊的FPGA時(shí)鐘周期有關(guān)。

以下對(duì)該方案的發(fā)送速率進(jìn)行逐步推導(dǎo)。

發(fā)送數(shù)據(jù)比特率的原始計(jì)算式為式（1），其中，Speed為發(fā)送速率，mrd_len_real_byte為發(fā)送的MAC幀幀長，單位為bit，frm_send_gap為兩個(gè)相鄰MAC幀之間的空閑周期數(shù)，periodtrm_clk為時(shí)鐘周期，[mrd_len_real_byte/8]表示總是向上取整。

在實(shí)際應(yīng)用中，考慮到后級(jí)模塊會(huì)添加4 byte校驗(yàn)位和20 byte的間隙，因此發(fā)送速率的修正計(jì)算式如下：

若發(fā)送特定比特率的數(shù)據(jù)流，由式（1）反演得到：

其中，ftrm_clk為時(shí)鐘頻率，與periodtrm_clk成倒數(shù)關(guān)系。從式 （2）可以看出，發(fā)送速率Speed與 MAC幀長mrd_len_real_byte成正比，與發(fā)送間隙frm_send_gap成反比。因?yàn)閒rm_send_gap≥0，可以通過式（4）得到Speed的理論最大值為：

由于BMD模塊實(shí)際取時(shí)鐘頻率ftrm_clk為125 MHz，即時(shí)鐘周期為8 ns，可以達(dá)到Speed≤1 Gbit/s的理論上限。又因?yàn)樵贛AC幀長mrd_len_real_byte、時(shí)鐘周期periodtrm_clk一定的情況下，發(fā)送速率Speed只與發(fā)送間隙frm_send_gap相關(guān)，根據(jù)式（2）可得frm_send_gap的計(jì)算式為：

因此，上層用戶設(shè)定發(fā)送速率后，應(yīng)用層控制模塊根據(jù)發(fā)送的MAC幀長與速率，計(jì)算出發(fā)送間隙數(shù)frm_send_gap，其粒度為8 ns。并根據(jù)約定好的交互機(jī)制，向BMD模塊提供該參數(shù)，使其根據(jù)該空閑周期數(shù)，控制MAC幀的發(fā)送節(jié)奏，以達(dá)到定速的目的。

3.2 軟件配置流程

IP流量發(fā)生器的主控方在PC機(jī)端，在性能模式下，是進(jìn)行單個(gè)IP數(shù)據(jù)分組的發(fā)送，因此應(yīng)用層程序?qū)⒋l(fā)送的IP數(shù)據(jù)分組拷貝到板卡的發(fā)送內(nèi)存中即可，無需更新數(shù)據(jù)。然后，根據(jù)用戶設(shè)置的相關(guān)參數(shù)，配置好相關(guān)寄存器，啟動(dòng)數(shù)據(jù)發(fā)送命令，后續(xù)的發(fā)送控制工作將完全交由BMD模塊進(jìn)行處理。軟件配置流程如圖2所示。

4 仿真模式設(shè)計(jì)方案

仿真模式下，IP流量發(fā)生器可以實(shí)現(xiàn)對(duì)一個(gè)完整IP數(shù)據(jù)分組文件的發(fā)送，即可發(fā)送批量IP數(shù)據(jù)分組[5]。不同于性能模式，仿真模式發(fā)送時(shí)會(huì)涉及對(duì)板卡發(fā)送內(nèi)存的數(shù)據(jù)更新。經(jīng)前期測試，如果拷貝一個(gè)IP數(shù)據(jù)分組到發(fā)送內(nèi)存，啟動(dòng)一次發(fā)送，再寫入下一個(gè)分組，再啟動(dòng)一次發(fā)送，效率會(huì)很低。因此，本方案通過對(duì)數(shù)據(jù)幀進(jìn)行重新封裝，將發(fā)送內(nèi)存劃分為若干塊，設(shè)定讀寫索引號(hào)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的“邊發(fā)邊寫”功能，保證了較理想的發(fā)送性能。

4.1 數(shù)據(jù)幀的封裝格式

為了充分利用板卡有限的發(fā)送內(nèi)存空間（硬件平臺(tái)實(shí)際預(yù)留了4 MB發(fā)送內(nèi)存），實(shí)現(xiàn)一次寫入多個(gè)IP數(shù)據(jù)分組，并且BMD可以定位每個(gè)IP數(shù)據(jù)分組，應(yīng)用層向板卡的發(fā)送內(nèi)存寫入數(shù)據(jù)前，需對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行重新封裝，封裝格式如圖3所示。BMD從發(fā)送內(nèi)存提取數(shù)據(jù)后，首先進(jìn)行解封裝，根據(jù)MAC幀長字段可以定位每個(gè)MAC幀。

4.2 數(shù)據(jù)“邊發(fā)邊寫”算法設(shè)計(jì)

4.2.1 發(fā)送內(nèi)存分塊

為了提高BMD每次從發(fā)送內(nèi)存讀取的數(shù)據(jù)量，提高處理效率，按8 kbit/s的粒度將板卡發(fā)送內(nèi)存分為大小相同的若干個(gè)塊，用Block表示，如圖4所示。每一個(gè)Block可存放若干個(gè)數(shù)據(jù)幀，BMD每次可讀取一個(gè)或多個(gè)Block。

4.2.2 讀寫索引號(hào)

為了能使應(yīng)用層與BMD更好地識(shí)別和控制每一個(gè)Block，需要設(shè)置讀索引號(hào)RdIdx和寫索引號(hào)WdIdx，以對(duì)應(yīng)每一個(gè)8 kbit/s的Block，第n個(gè)Block對(duì)應(yīng)的讀寫索引號(hào)值為n。上層應(yīng)用程序負(fù)責(zé)更新寫索引號(hào)WdIdx以啟動(dòng)下層發(fā)送，下層BMD負(fù)責(zé)不斷輪詢WdIdx值的變化以發(fā)送數(shù)據(jù)，并更新讀索引號(hào)RdIdx以反饋給上層。上層再通過讀取RdIdx是否與WdIdx一致，判斷下層是否已發(fā)送相應(yīng)數(shù)據(jù)段，以執(zhí)行后續(xù)發(fā)送和數(shù)據(jù)更新操作。

4.2.3 發(fā)送處理流程

數(shù)據(jù)發(fā)送的處理會(huì)有以下3種情況：要發(fā)送的數(shù)據(jù)（包括重復(fù)發(fā)送次數(shù)）可一次裝入發(fā)送內(nèi)存；第一次可拷貝的數(shù)據(jù)文件次數(shù)大于等于1，但不能把所有數(shù)據(jù)（包括重復(fù)發(fā)送次數(shù)）一次性裝入發(fā)送內(nèi)存中；第一次不能裝下一次完整的數(shù)據(jù)。因此應(yīng)用控制模塊會(huì)進(jìn)行判斷，按情況分別處理，處理流程如圖5所示。

其中，第3種情況是“邊發(fā)邊寫”算法的難點(diǎn)，需要真正地邊發(fā)送、邊更新發(fā)送內(nèi)存的數(shù)據(jù)。應(yīng)用層啟動(dòng)發(fā)送下一個(gè)Block的同時(shí)，會(huì)更新上一個(gè)Block數(shù)據(jù)，而新寫入的數(shù)據(jù)需要在整個(gè)發(fā)送文件中重新定位，才能保證發(fā)送數(shù)據(jù)的可靠性和有效性。

5 測試與分析

IP流量發(fā)生器的測試界面如圖6所示，界面可以選擇要發(fā)送的數(shù)據(jù)文件進(jìn)行參數(shù)設(shè)定，包括工作模式、發(fā)送的MAC幀范圍（起始消息號(hào)和結(jié)束消息號(hào)）、重復(fù)發(fā)送次數(shù)、發(fā)送比特率、發(fā)送端口等內(nèi)容。配置成功后，可以計(jì)算出發(fā)送的第一個(gè)MAC幀長、MAC幀個(gè)數(shù)和發(fā)送間隔數(shù)。將光纖連接網(wǎng)絡(luò)性能測試儀表作為接收端，以測試發(fā)送的速率和接收到的數(shù)據(jù)幀數(shù)，點(diǎn)擊啟動(dòng)發(fā)送后，統(tǒng)計(jì)列表視圖會(huì)顯示各端口的具體發(fā)送信息。

表1 性能模式下短分組與長分組的發(fā)送速率

表2 仿真模式下IP數(shù)據(jù)分組發(fā)送情況

通過多次測試，對(duì)性能模式和仿真模式的發(fā)送情況進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，部分結(jié)果分別見表1和表2。從表中可以分析出，該IP流量發(fā)生器在性能模式下可以進(jìn)行有效的流量控制，在可容忍的誤差范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的定速發(fā)送；在仿真模式下，可以正確穩(wěn)定地發(fā)送完整的數(shù)據(jù)文件，且長分組的發(fā)送速率可以達(dá)到630 Mbit/s，短分組的發(fā)送速率達(dá)到269 Mbit/s，能夠較好地模擬網(wǎng)絡(luò)流量，滿足當(dāng)前LTE網(wǎng)絡(luò)測試儀的測試需求。

6 結(jié)束語

本文對(duì)LTE網(wǎng)絡(luò)測試儀的IP流量生成技術(shù)進(jìn)行了研究，提出了一種基于LTE網(wǎng)絡(luò)測試儀數(shù)據(jù)采集硬件平臺(tái)的IP流量發(fā)生器設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)方案，介紹了性能模式和仿真模式下的軟件實(shí)現(xiàn)方法，重點(diǎn)研究了流量控制算法和數(shù)據(jù)“邊發(fā)邊寫”的軟件控制方法。實(shí)際測試表明，該IP流量發(fā)生器在性能模式下能夠?qū)崿F(xiàn)精準(zhǔn)的定速發(fā)送，在仿真模式下能夠正確穩(wěn)定地發(fā)送批量IP數(shù)據(jù)，具有良好的發(fā)送性能，滿足LTE網(wǎng)絡(luò)測試的流量模擬需求，在LTE網(wǎng)絡(luò)測試系統(tǒng)中具有重要的應(yīng)用價(jià)值。

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