一種基于OPNET的DiffServ+WLAN網(wǎng)絡(luò)多媒體端到端QoS性能仿真方法

王再見，邢青青，何國棟，馮友宏

(安徽師范大學 物理與電子信息學院，安徽 蕪湖 241000)

0　引言

建立DiffServ+WLAN(Wireless Local Area Networks)網(wǎng)絡(luò)仿真環(huán)境深入研究網(wǎng)絡(luò)多媒體業(yè)務跨域端到端QoS(Quality of Service)性能，對有效開展網(wǎng)絡(luò)多媒體業(yè)務至關(guān)重要。網(wǎng)絡(luò)多媒體業(yè)務常常在吞吐量、延時、抖動等QoS指標上有嚴格要求，傳輸時需要網(wǎng)絡(luò)提供相應的QoS保證[1-2]。但不同類型的網(wǎng)絡(luò)具有不同的QoS支持能力，對QoS的理解/解釋可能不同。例如DiffServ與WLAN網(wǎng)絡(luò)的QoS定義和實現(xiàn)機制不完全一樣，對業(yè)務/服務分類和QoS參數(shù)理解也并不一致。跨網(wǎng)絡(luò)域的多媒體業(yè)務端到端QoS保證面臨挑戰(zhàn)，因此有必要建立有效的仿真環(huán)境用于網(wǎng)絡(luò)多媒體業(yè)務QoS性能的研究。

DiffServ和IntServ是 IETF(Internet Engineering Task Force)最早提出解決IP網(wǎng)絡(luò)QoS的兩個典型方案。DiffServ基于類的體系結(jié)構(gòu)提供定性的QoS支持，具有較好的可擴展性。IntServ使用資源預留協(xié)議RSVP(Resource Reservation Protocol)，對節(jié)點的存儲能力有很高的要求，存在可擴展問題。WLAN能夠使用戶真正實現(xiàn)隨時、隨地、隨意的寬帶網(wǎng)絡(luò)接入，IEEE802.11e使用HCCA(Hybrid Coordination Function-Controlled Channel Access)和EDCA(Enhanced Distributed Channel Access)兩種信道接入方法用于增強QoS保證能力，定義了會話、視頻、盡力而為和背景4種接入類。

未來的通信網(wǎng)絡(luò)包含多種不同接入技術(shù)，傳輸一個端到端的業(yè)務需要跨越多個不同的網(wǎng)絡(luò)類型。鑒于DiffServ和WLAN網(wǎng)絡(luò)具有典型性，建立有效的DiffServ+WLAN網(wǎng)絡(luò)仿真環(huán)境針對網(wǎng)絡(luò)多媒體業(yè)務跨域傳輸端到端QoS性能測試具有重要意義。

文獻[1]設(shè)計了Long Term Evolution-WLAN Aggregation網(wǎng)絡(luò)，使用OPNET軟件驗證端到端QoS。文獻[4]通過FTP電子郵件業(yè)務和HTTP業(yè)務在DiffServ和IntServ網(wǎng)絡(luò)中測量QoS指標。文獻給出一種UMTS與WLAN異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)間端到端QoS映射的方案。

文獻[8]介紹了在移動多媒體網(wǎng)絡(luò)中跨層優(yōu)化端到端服務的QoS保證方法，使多媒體業(yè)務例如移動視頻應用得到高可靠的服務質(zhì)量。文獻[9]使用OPNET軟件對DiffServ網(wǎng)絡(luò)端到端QoS進行驗證。文獻[10]使用NS-2仿真軟件驗證在DiffServ網(wǎng)絡(luò)中基于QoS模型支持移動實時通信。文獻[11]使用IPv6流標簽在DiffServ場景下研究QoS性能。

國內(nèi)外學者針對IPv6流標簽提出很多使用方法，如文獻中使用區(qū)分服務模式，使用流標簽區(qū)分服務的分類方法來代替IntServ和 RSVP[14]；使用流標簽值表示端口號和協(xié)議的方式等。北京郵電大學的馬嚴教授及其團隊對20位的流標簽設(shè)計了一種新型的定義方法。該改變方法定義簡單，使用方便，加快了網(wǎng)絡(luò)對聚合流的處理能力且很好地保障了流標簽的擴展能力。華中科技大學的王迪尼等人[17]設(shè)計的流標簽利用前三比特的處理標志進行7種流標簽處理方式，留下一種處理方式進行擴展定義。這種方法利用了前3比特的不同定義包括了國外提出的5種流標簽格式，設(shè)計方法豐富、有效，但是因其定義種類多樣，使未定義類型較少，導致靈活性較差。

異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中傳輸一個端到端的業(yè)務需要跨越多個不同的網(wǎng)絡(luò)類型[18]，建立有效的針對網(wǎng)絡(luò)多媒體業(yè)務跨域傳輸端到端QoS性能測試仿真環(huán)境具有重要意義。

在現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)傳輸性能仿真工具中，OPNET軟件使用范圍較廣，與Matlab、NS2等軟件仿真相比，它更規(guī)范、更適合分析復雜網(wǎng)絡(luò)的性能和行為。OPNET可以自動整理一系列仿真運行結(jié)果輸出到文件中，適用于網(wǎng)絡(luò)QoS指標的比較分析。但目前主要用于研究單一網(wǎng)絡(luò)，供跨域端到端QoS性能分析的仿真環(huán)境尚未有效建立。

1　一種IPv6流標簽的使用方法

IPv6的20比特流標簽設(shè)置如表1所示，前3比特位定義流標簽的功能，最后一個比特設(shè)置為保留位，當中間16個比特位不夠使用時，可使用該保留位。

表1業(yè)務流標簽設(shè)計

比特位1～34～1718～20功能定義流標簽值流標簽具體功能保留

前3比特位的定義如表1所示。如值為“011”表示PHB標志號的功能，可以用DSCP的值來確定差分服務，第4比特位至第9比特位的值預定義一個DSCP值，第10～12比特位的值預定義為帶寬資源占用等級值，第13～15比特位的值預定義為用戶需求等級值，第16～19比特位的值預定義業(yè)務類型編號值，剩下的2比特位作為保留位。

表2流標簽首位3比特的定義表

首位3個比特功能簡述000默認值的設(shè)定001隨機數(shù)的流標號設(shè)定010使用跳到跳的擴展報頭代替流標號011使用PHB標志號100使用端口號和協(xié)議號格式101QoS參數(shù)值的定義110保留111保留001隨機數(shù)的流標號設(shè)定

本實驗選擇的網(wǎng)絡(luò)多媒體業(yè)務為會議視頻流與FTP，其中會議視頻業(yè)務設(shè)置不同的服務類型(Type of Server,TOS)，Video1 Conference的TOS為EF，對應 DSCP為101110，Video2 Conference的TOS為AF31，對應DSCP為011010，F(xiàn)TP業(yè)務的服務類型定義為BF，DSCP為000000。

2　網(wǎng)絡(luò)多媒體端到端QoS性能驗證方法

2.1　框架介紹

DiffServ+WLAN網(wǎng)絡(luò)拓撲構(gòu)建如圖1所示，由主模塊和支撐模塊組成，主模塊由業(yè)務發(fā)送端、DiffServ+WLAN網(wǎng)絡(luò)和業(yè)務接收端等組成，完成業(yè)務在DiffServ+WLAN網(wǎng)絡(luò)的傳輸過程，支撐模塊主要用于設(shè)置業(yè)務參數(shù)和業(yè)務排隊方法等。

主模塊功能邏輯關(guān)系如表3所示。

表3主模塊信息表

模塊名稱功能簡述客戶端按ProfileConfig模塊設(shè)置的方法發(fā)送指定業(yè)務交換機實現(xiàn)業(yè)務的轉(zhuǎn)發(fā)路由器連接DiffServ與WLAN網(wǎng)絡(luò)IP云支持32個可選數(shù)據(jù)速率的串行線路接口，通過這些數(shù)據(jù)速率建模IP流量服務器按ProfileConfig模塊設(shè)置的方法接收指定業(yè)務

圖1　網(wǎng)絡(luò)模型拓撲圖

支撐模塊功能邏輯關(guān)系如表4所示。

表4支撐模塊信息表

模塊名稱功能簡述應用業(yè)務配置全局對象ApplicationConfig定義客戶端所有產(chǎn)生的應用業(yè)務及參數(shù)，如所發(fā)數(shù)據(jù)包的大小、發(fā)包間隔概率。應用業(yè)務：FTP、VideoConference應用業(yè)務規(guī)格全局對象ProfileConfig進行應用業(yè)務規(guī)格配置，客戶端在一定時間段內(nèi)所進行的具體應用業(yè)務，如發(fā)送時間、發(fā)送時間間隔等服務質(zhì)量配置QosConfig使用業(yè)務隊列排隊方法

環(huán)境配置流程如圖2所示，指在DiffServ+WLAN網(wǎng)絡(luò)拓撲中進行業(yè)務參數(shù)的配置，配置IPv6流標簽，收集指定統(tǒng)計數(shù)據(jù)與運行等。

圖2　仿真環(huán)境配置流程圖

本文基于OPNET(版本號14.5 Educational Version)，將Pro-C語言和Visual c++6.0軟件相結(jié)合，參數(shù)設(shè)置種類如下：

① 設(shè)置應用業(yè)務種類；

② 設(shè)置業(yè)務發(fā)送方式；

③ 設(shè)置統(tǒng)計數(shù)據(jù)收集的種類；

④ 設(shè)置業(yè)務排隊方法為WFQ；

⑤ 配置IPv6地址與流標簽；

⑥ 設(shè)置收集數(shù)據(jù)的顯示方式，設(shè)置運行時間。

2.2　軟件功能描述

2.2.1設(shè)置業(yè)務種類

① 在Application Config設(shè)置里的Application Definition里定義FTP和Video Conference這兩種業(yè)務種類；

② 定義FTP和Video Conference這兩種業(yè)務的應用業(yè)務參數(shù)，其中Video1 Application與Video2 Application的區(qū)別是DSCP值不同。

2.2.2設(shè)置業(yè)務發(fā)送方式

①在Profile Config的設(shè)置里的Profile Definition里定義需要配置的FTP Profile 和Video Conference Profile這兩種業(yè)務種類；

② 定義FTP和Video Conference這兩種業(yè)務的發(fā)送方法；

2.2.3設(shè)置結(jié)果統(tǒng)計參數(shù)

① 在工程主面板中點擊工具欄的DES，選擇Choose individual statistic；

② 選擇仿真結(jié)果需要統(tǒng)計的參數(shù)；Global Statistic中選擇Ethernet中的Delay(sec)，IPv6中的Traffic Dropped(packet/sec)，Video Conferenceing中的Packet Delay Variation、Packet End-to-End Delay(sec)、Traffic Received(packet/sec)和Traffic Sent(packet/sec)；Node Statistic中選擇Video Conferenceing中的Packet Delay Variation、Packet End-to-End Delay(sec)、Traffic Received(packet/sec)和Traffic Sent(packet/sec)。

2.2.4設(shè)置業(yè)務排隊方法：WFQ

① 在工程主面板中點擊工具欄的Protocol下的IP→QoS→Configuration QoS；

② 配置QoS參數(shù)為WFQ。

2.2.5設(shè)置IPv6地址和流標簽

Ⅰ.在運行環(huán)境中配置IPv6地址。在工程主面板中點擊工具欄的Protocols→IPV6→Auto-Assign IPv6 Address。

Ⅱ.在網(wǎng)絡(luò)拓撲中設(shè)置流標簽屬性。在進程模型添加該功能屬性，以業(yè)務客戶端1(FTP Client)為例。

① 進程模型：打開FTP Client節(jié)點模型后，在節(jié)點模型中ip_encap進程中打開Interface->Model Attribute，設(shè)置復合屬性tos_to_fl，屬性分支為ToS和Flow Label；

② 新添加的屬性提升至網(wǎng)絡(luò)層：右擊ip_encap模塊，單擊Edit Attributes，tos_to_fl設(shè)置為promoted。

Ⅲ.設(shè)置屬性tos_to_fl的值：在網(wǎng)絡(luò)層中打開FTP Client節(jié)點，單擊Edit Attributes，設(shè)tos=0，F(xiàn)low Label=0。

注意：tos_to_fl值為業(yè)務ToS對應的流標簽值。

Ⅳ.在ip_dgram_sup.h 頭文件中的IP數(shù)據(jù)報的地址中定義int型的flowlabel。

Ⅴ.打開FTP Client節(jié)點模型中的ip_encap進程，在雙擊ENCAP的Enter Executive。

① 定義運行中使用的屬性：tos_to_fl和flowlable；

② 判斷網(wǎng)絡(luò)中使用的地址為IPv4還是IPv6，若為IPv6，則根據(jù)TOS的值定義flowlable的值；

③ 外部C代碼中初始化流標簽值與顯示流標簽值。

④ 在服務器端設(shè)置TOS值和流標簽值，后臺程序?qū)⒘鳂撕炛缔D(zhuǎn)化到相應的ToS值。

a.如步驟Ⅲ中設(shè)置,ToS=0,Flow Label=0；

b.雙擊FTP Client打開節(jié)點模型，再雙擊節(jié)點模型中的ip_encap進程，最后雙擊DECAP的Enter Executive。

設(shè)置IPv6地址和流標簽的流程如圖3所示。

圖3　設(shè)置IPv6地址和流標簽流程

2.2.6設(shè)置運行時間和查看運行結(jié)果

① 設(shè)置運行時間和方式，本文設(shè)600 s；

② 查看運行結(jié)果，在工程主面板中點擊工具欄的DES→Results→View Results，選擇需要查看的結(jié)果；

③ 選擇查看的參數(shù)，查看結(jié)果，Scenario1為加入流標簽的DiffServ+WLAN網(wǎng)絡(luò)，Scenario2為未加入流標簽的DiffServ+WLAN網(wǎng)絡(luò)。

3　仿真

3.1　仿真環(huán)境配置

為了準確地驗證DiffServ+WLAN跨域網(wǎng)絡(luò)的端到端QoS性能，網(wǎng)絡(luò)配置參數(shù)如表5所示。

表5網(wǎng)絡(luò)配置參數(shù)

配置屬性屬性參數(shù)客戶端、交換器和路由器之間連接線路的傳輸速率100Mbps路由器與IP云連接線路的傳輸速率44．736Mbps路由器連接線路傳輸速率2．048MbpsIP環(huán)境IPv6排隊規(guī)則WFQ運行時間600s

3.2　仿真結(jié)果

視頻會議業(yè)務2(Video2 Conference)的服務類型為確保型轉(zhuǎn)發(fā)31(Assured Forward 31，AF31)，屬于AF中的一種。視頻會議業(yè)務3(Video3 Conference)的服務類型為加速型轉(zhuǎn)發(fā)(Expedited Forwarding，EF)，該服務類型優(yōu)先級要高于AF31，但與優(yōu)先級EF相差不大。如文獻[5]可知，優(yōu)先級較高的EF轉(zhuǎn)發(fā)業(yè)務流的端到端延時統(tǒng)計要小于優(yōu)先級低的AF31。如圖4所示，菱形曲線表示Video3 Conference業(yè)務的端到端延時，值約為0.046 5 s。星形曲線表示Video2 Conference業(yè)務的端到端延時，值約為0.051 s，比Video3Conference業(yè)務端到端延時大，但是數(shù)值相差較小，驗證了EF的優(yōu)先級大于AF31。

圖4　業(yè)務video2(AF31)和video1(EF)的延時

圖5、圖6和圖7為仿真結(jié)果圖，菱形曲線表示加入了流標簽機制的DiffServ+WLAN模擬場景；圖中使用星形曲線表示未加入流標簽機制的DiffServ+WLAN模擬場景。

圖5　視頻會議業(yè)務的端到端延時

圖6　視頻會議業(yè)務的端到端延時抖動

圖7　IPv6下網(wǎng)絡(luò)丟包率

圖5為在不同場景下視頻會議業(yè)務的端到端延時結(jié)果，在DiffServ+WLAN跨域網(wǎng)絡(luò)中未加入流標簽機制時，視頻會議業(yè)務的端到端延時約為0.055 s；而加入流標簽機制時視頻會議業(yè)務的端到端延時約為0.045 s。由圖5可以看出，在加入流標簽的跨域網(wǎng)絡(luò)中，端到端延時可降低0.01 s左右，約降低18.2%。圖6中開始運行時未加入流標簽的網(wǎng)絡(luò)拓撲中延時較為不穩(wěn)定，運行時間達到約3 min時延時抖動逐漸穩(wěn)定。當網(wǎng)絡(luò)運動達到穩(wěn)定狀態(tài)時，加入流標簽機制的網(wǎng)絡(luò)拓撲中延時抖動由原網(wǎng)絡(luò)的0.000 125降低至0.000 03，延時抖動降低了約76%。由圖7可知，在開始運行階段DiffServ+WLAN網(wǎng)絡(luò)的丟包率較高，隨著運行時間的增加，丟包率經(jīng)過一個大的增加之后逐漸趨于穩(wěn)定。但總體看來，加入流標簽的DiffServ+WLAN網(wǎng)絡(luò)場景中丟包率性能要明顯優(yōu)于未加入流標簽的DiffServ+WLAN網(wǎng)絡(luò)場景，運行至約9 min之后，兩者場景的丟包率差距越來越小。綜上所述，加入流標簽的DiffServ+WLAN網(wǎng)絡(luò)場景中的端到端QoS保證要優(yōu)于未加入流標簽的DiffServ+WLAN網(wǎng)絡(luò)場景的網(wǎng)絡(luò)性能。其中延時可降低約18.2%，延時抖動降低了約76%，丟包率在初始運行階段網(wǎng)絡(luò)性能較好，但在一段時間后丟包率差距逐漸減小。

4　結(jié)束語

本文針對DiffServ+WLAN網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，典型網(wǎng)絡(luò)多媒體業(yè)務端到端QoS性能研究，設(shè)計了一種基于OPNET的DiffServ+WLAN網(wǎng)絡(luò)仿真方法。本文主要貢獻如下：① 基于OPNET實現(xiàn)DiffServ+WLAN網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的典型多媒體業(yè)務傳輸?shù)姆抡妫伸`活設(shè)置多媒體流類型和參數(shù)，便于獲取各種網(wǎng)絡(luò)性能數(shù)據(jù)(如網(wǎng)絡(luò)延時、網(wǎng)絡(luò)延時抖動和丟包率等)；② 結(jié)合DiffServ和WLAN中業(yè)務/服務分類，給出IPv6流標簽的使用方法。本文方法業(yè)務類型/參數(shù)設(shè)置靈活，完整考慮了業(yè)務發(fā)送、數(shù)據(jù)包排隊、業(yè)務運行時間、統(tǒng)計數(shù)據(jù)和查看結(jié)果等，可擴展性較好、操作方便。

[1]Qiao J,Shen X S,Mark J W,et al.Video Quality Provisioning for Millimeter Wave 5G Cellular Networks With Link Outage[J].IEEE Transactions on Wireless Communications,2015,14(10): 5692-5703.

[2]Cheng W,Zhang X,Zhang H.Heterogeneous Statistical QoS Provisioning for Downlink Transmissions over Mobile Wireless Cellular Networks[C]∥Global Communications Conference.IEEE,2014:4622-4628.

[3]Singh K,Jayashree P.Improving WLAN QoS for Multimedia Application Using MAC and Application Layer (MAP) Approach[C]∥International Conference on Recent Trends in Information Technology.IEEE,2014:1-7.

[4]Yildirim A S,Girici T.Cloud Technology and Performance Improvement with Intserv over Diffserv for Cloud Computing[C]∥2014 International Conference on Future Internet of Things and Cloud,2014: 222-229.

[5]Mammeri Z.Framework for Parameter Mapping to Provide End-to-end QoS Guarantees in IntServ/DiffServ Architectures[J].Computer Communications,2005,28(9):1074-1092.

[6]Jain A,Tokekar S.QoS Mapping Approach for UMTS-WLAN Integrated Network[C]∥2016 International Conference on Computational Intelligence & Communication Technology,2016:237-241.

[7]Shifat A S M Z,Chowdhury M Z.Game Theory Based Spectrum Sharing for QoS Provisioning in Heterogeneous Networks[C]∥International Conference on Informatics,Electronics and Vision.IEEE,2016:272-275.

[8]Vo N S,Duong T Q,Zepernick H J，et al.A Cross-Layer Optimized Scheme and Its Application in Mobile Multimedia Networks With QoS Provision[J].IEEE Systems Journal,2016,10(2): 817-830.

[9]張蕾,蘇錦海,張永福.OPNET環(huán)境下DiffServ機制的仿真[J].計算機工程,2007,25(4):94-96.

[10] Hussein L F,Hashim A H A,Habaebi M H,et al.Performance Comparison of (Diff-FH NEMO) Scheme in IPv6-Based Network Mobility[C]∥2016 International Conference on Computer and Communication Engineering (ICCCE),2016: 288-293.

[11] 王洪信.基于IPv6流標簽的QoS研究[D].沈陽：遼寧大學,2011.

[12] Mohamde M,Moumkine N,Adib A.An IPv6 Flow Label Based Approach for IPTV Quality of Service[C]∥2017 International Conference on Wireless Networks and Mobile Communications (WINCOM),2017:1-7.

[13] Heise Netze.Rationale for Update to the IPv6 Flow Label Specification.RFC6437[S],2011.

[14] Modares H,Moravejosharieh A,Lloret J.A Survey on Proxy Mobile IPv6 Handover[J].IEEE Systems Journal,2016,10(1): 208-217.

[15] 孫瓊.下一代互聯(lián)網(wǎng)的報文標識與查找技術(shù)的研究[D].北京:北京郵電大學,2010.

[16] 高程,黃小紅,孫瓊，等.OPNET中支持Flow Label的網(wǎng)絡(luò)模型設(shè)計與實現(xiàn)[J].計算機科學,2009 (03): 284-287.

[17] 王迪尼.IPv6流標簽機制的實現(xiàn)與應用[D].武漢：華中科技大學,2012.

[18] Xu L,Nallanathan A,Yang Y.Video Packet Scheduling with Stochastic QoS for Cognitive Heterogeneous Networks[J].IEEE Transactions on Vehicular Technology,2017,66(8):7518-7526.

[19] Rawal C,Gupta R.A Research on Point to Point QOS in 3G Using OPNET MODELER[C]∥2016 3rd International Conference on Computing for Sustainable Global Development (INDIACom),2016: 796-799.

[20] Yang Shaojun,SHI Haoshan,CHEN Min.Study and Simulation of QOS-based Routing for Wireless Sensor Networks Based on OPNET[J].Journal of Transcluction Technology,2005,18(3):1-5.