衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)性能測試技術(shù)分析與研究＊

（92941部隊(duì)96分隊(duì) 葫蘆島 125001）

1 引言

近年來，衛(wèi)星無線傳輸在應(yīng)急通信中已經(jīng)展現(xiàn)了其通信距離廣、受地面基礎(chǔ)設(shè)施影響小等優(yōu)勢，作為光纖等有線通信的一個(gè)有益補(bǔ)充，在各個(gè)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用［1］。不同于傳統(tǒng)Internet網(wǎng)絡(luò)，在衛(wèi)星傳輸鏈路中大時(shí)延、窄帶寬等獨(dú)特性使得網(wǎng)絡(luò)環(huán)境變得越來越復(fù)雜。隨著網(wǎng)絡(luò)用戶和應(yīng)用需求的日益增多，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)負(fù)擔(dān)沉重，網(wǎng)絡(luò)設(shè)備超負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)。在實(shí)際應(yīng)用過程中網(wǎng)絡(luò)資源日趨匱乏，網(wǎng)絡(luò)瓶頸相繼出現(xiàn)，網(wǎng)絡(luò)性能的下降，可能導(dǎo)致對(duì)用戶和應(yīng)用需求進(jìn)行優(yōu)先處理，應(yīng)用大大受到限制［2］。在本文中通過對(duì)網(wǎng)絡(luò)時(shí)延、丟包率、帶寬、吞吐量等指標(biāo)測試的分析與研究，改善和提高網(wǎng)絡(luò)性能，解除網(wǎng)絡(luò)瓶頸，發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中可能存在的潛在危險(xiǎn)，更加有效地對(duì)網(wǎng)絡(luò)配置進(jìn)行優(yōu)化，是我們進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)性能測試分析和研究的最終目的。

2 衛(wèi)通網(wǎng)絡(luò)傳輸路徑

衛(wèi)通無線網(wǎng)絡(luò)包括衛(wèi)星通信鏈路和多個(gè)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。衛(wèi)星通信鏈路由衛(wèi)星通信傳輸設(shè)備和保密機(jī)等設(shè)備組成；網(wǎng)絡(luò)設(shè)備由多個(gè)節(jié)點(diǎn)路由器、交換機(jī)及終端組成［3］。其傳輸路徑如圖1所示。

圖1 衛(wèi)通無線網(wǎng)絡(luò)傳輸路徑圖

3 網(wǎng)絡(luò)性能測試描述及指標(biāo)估算

3．1 網(wǎng)絡(luò)性能測試描述

在網(wǎng)絡(luò)性能測試過程中涉及到了測試方式、發(fā)送測試包的類型、發(fā)送與截取測試包的采樣方式等許多內(nèi)容，其內(nèi)容的全面性、合理性和有效性可直接影響網(wǎng)絡(luò)測試結(jié)果，網(wǎng)絡(luò)性能指標(biāo)測試結(jié)果也是判定網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量的關(guān)鍵所在［4］。本文中采用的測試方式包括主動(dòng)測式和被動(dòng)測式兩類；測試指標(biāo)包括帶寬、時(shí)延、時(shí)延抖動(dòng)、丟包率和吞吐量等。

3．2 網(wǎng)絡(luò)性能指標(biāo)估算

3．2．1 端到端傳輸時(shí)延

一個(gè)IP包在傳輸過程中從一個(gè)終端設(shè)備到另一個(gè)終端設(shè)備，經(jīng)過路由器、交換機(jī)、衛(wèi)星鏈路和保密機(jī)等多個(gè)環(huán)節(jié)，假設(shè)一個(gè)IP 包的長度為N字節(jié)，那么包分段傳輸時(shí)延tt可表示為

式中：ladd為保密機(jī)及鏈路層的包頭總開銷，單位為Byte；R為鏈路傳輸速率，單位為kb／s。

那么端到端傳輸一個(gè)字節(jié)為N的包時(shí)延可表示為

式中：Tseg-i為第i段包處理時(shí)延；ttre-seg-i為第i段包排隊(duì)時(shí)延；tq-seg-i為第i段包傳輸時(shí)延；lip-seg-i為第i段平均包長度；ladd-seg-i為第i段保密機(jī)及鏈路層的包頭總開銷，單位為Byte；Rseg-i為第i段鏈路傳輸速率，單位為kb／s；TW為衛(wèi)通鏈路總時(shí)延。

3．2．2 端到端包時(shí)延抖動(dòng)

一個(gè)IP包在傳輸過程中端到端時(shí)延抖動(dòng)為第1段到第M段包時(shí)延抖動(dòng)的總和。

3．2．3 端到端丟包率

丟包率是網(wǎng)絡(luò)性能指標(biāo)中重要的參數(shù)之一，其大小能映射出鏈路誤碼和網(wǎng)絡(luò)擁塞情況。實(shí)際上可通過公式計(jì)算出端到端的丟包率，也可借助儀器儀表在實(shí)踐應(yīng)用中測得端到端的丟包率［5］：

式中，Pdseg-i為第i段丟包率。

4 性能指標(biāo)測試工程實(shí)例與分析

衛(wèi)通網(wǎng)絡(luò)鏈路作為典型網(wǎng)絡(luò)環(huán)境之一，研究該環(huán)境下的網(wǎng)絡(luò)性能指標(biāo)，對(duì)改善網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，提高網(wǎng)絡(luò)性能尤為重要［6］。針對(duì)某專業(yè)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了時(shí)延、丟包率、帶寬、吞吐量等指標(biāo)測試，進(jìn)行案例分析。本工程測試采用城域網(wǎng)測試儀器和網(wǎng)絡(luò)反射器設(shè)備配合進(jìn)行測試，是主動(dòng)測量與被動(dòng)測量相結(jié)合的網(wǎng)絡(luò)性能測試模式。

4．1 時(shí)延

網(wǎng)絡(luò)時(shí)延是檢測網(wǎng)絡(luò)性能質(zhì)量十分重要的指標(biāo)之一，是指網(wǎng)絡(luò)鏈路中的總時(shí)延［2］，即處理時(shí)延、排隊(duì)時(shí)延、傳輸時(shí)延及傳播時(shí)延的總和，通常情況下可借助網(wǎng)絡(luò)測試儀表來測得。影響網(wǎng)絡(luò)時(shí)延的因素很多，數(shù)據(jù)包包長和數(shù)據(jù)包所通過的網(wǎng)絡(luò)介質(zhì)不同都將產(chǎn)生不同的網(wǎng)絡(luò)時(shí)延，如報(bào)文長度、發(fā)送頻率影響發(fā)送時(shí)延和傳播時(shí)延，鏈路的物理媒介如光纖傳輸、無線衛(wèi)通傳輸和節(jié)點(diǎn)間單純的雙絞線傳輸?shù)榷紝⒂绊憘鬏敃r(shí)延［7］。

在工程實(shí)踐中時(shí)延的測量分為單向時(shí)延和往返時(shí)延兩類，單向時(shí)延是指數(shù)據(jù)包從發(fā)送端到接收端的單程時(shí)間間隔，在做單程時(shí)延測試時(shí)需要為設(shè)備提供專門的同步時(shí)鐘，而在采用往返時(shí)延時(shí)，則不必考慮時(shí)鐘同步問題，所以在實(shí)際的測試中大都采用往返時(shí)延測量的方法。往返時(shí)延是指數(shù)據(jù)包從發(fā)送端到接收端，再由接收端返回到發(fā)送端的往返時(shí)間間隔。在進(jìn)行往返時(shí)延測量時(shí)，有主動(dòng)測量方式和被動(dòng)測量方式兩種方法。在采用主動(dòng)測量方式進(jìn)行時(shí)延測量時(shí)是主動(dòng)向網(wǎng)絡(luò)發(fā)送承載報(bào)文，而被動(dòng)測量方式是利用網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)本身現(xiàn)有的報(bào)文作為承載報(bào)文，被動(dòng)測量存在用戶數(shù)據(jù)被攻擊或泄露等網(wǎng)絡(luò)安全問題，所以目前在網(wǎng)絡(luò)性能參數(shù)測量時(shí)主動(dòng)測量方式被應(yīng)用廣泛。時(shí)延測試工程實(shí)例如圖2所示。

圖2 時(shí)延測試工程實(shí)例

4．2 丟包率

我們把數(shù)據(jù)傳輸過程中丟失數(shù)據(jù)包與所有傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包的比值稱為丟包率。丟包率過大將影響網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的正常傳輸，在工程實(shí)踐中常常會(huì)遇到由于通信傳輸線路信號(hào)衰減、交換機(jī)端口故障、傳送數(shù)據(jù)包的大小以及網(wǎng)絡(luò)擁塞等諸多原因?qū)е聰?shù)據(jù)包在網(wǎng)絡(luò)傳輸時(shí)丟失的現(xiàn)象［8］。Ping命令不僅可以用于連通性測試，也可用來測量丟包率。測試工程實(shí)例如圖3所示。

圖3 丟包率測試工程實(shí)例

4．3 帶寬

在研究網(wǎng)絡(luò)帶寬過程中不免要涉及到鏈路帶寬、瓶頸帶寬和可用帶寬等概念，它也是在探究網(wǎng)絡(luò)性能過程中不可或缺的重要元素。鏈路帶寬是實(shí)際網(wǎng)絡(luò)鏈路層面上能夠提供的最大數(shù)據(jù)傳輸帶寬。瓶頸帶寬和可用帶寬研究是與網(wǎng)絡(luò)路徑是否存在背景流量有關(guān)，瓶頸帶寬是指當(dāng)網(wǎng)絡(luò)路徑中沒有其它背景流量時(shí)，網(wǎng)絡(luò)能夠提供的最大的吞吐量；而可用帶寬是指在網(wǎng)絡(luò)路徑中存在背景流量的情況下，能夠提供的最大吞吐量［9～10］。我們?cè)谘芯科款i帶寬的測量過程中在路由不變的條件下，瓶頸帶寬相對(duì)穩(wěn)定，測量時(shí)一般采用報(bào)文對(duì)（packet pair）方法和單報(bào)文方法（VPS）；由于可用帶寬與背景流量相關(guān)，且隨著路由的變化而不定，所以可用帶寬的測量比較困難。對(duì)于可用帶寬測量也有兩種方法：一是報(bào)文間隔法，二是報(bào)文速率法。

4．4 吞吐量

吞吐量是衡量網(wǎng)絡(luò)性能的重要參數(shù)，在不同的網(wǎng)絡(luò)層次它將反映出不同的網(wǎng)絡(luò)容量。在網(wǎng)絡(luò)性能測試研究時(shí)可進(jìn)行鏈路層吞吐量的測量和傳輸層吞吐量的測量，測量手段和方法主要有兩類：一類是利用PC 軟件測試，另一類是利用專業(yè)的儀器儀表測試。吞吐量測試工程實(shí)例如圖4所示。

圖4 吞吐量測試工程實(shí)例

5 結(jié)語

本文對(duì)衛(wèi)通鏈路前提下網(wǎng)絡(luò)性能測試技術(shù)的主要方面進(jìn)行了介紹和分析，并按照某專業(yè)網(wǎng)絡(luò)工程實(shí)例，進(jìn)行了實(shí)際測試，測試結(jié)果圖示分析，對(duì)于網(wǎng)絡(luò)維護(hù)和工程實(shí)施驗(yàn)收等都有比較重要的指導(dǎo)意義。

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