海上靶場(chǎng)IP網(wǎng)絡(luò)時(shí)延分析及對(duì)策

邵凌

（91550部隊(duì)，遼寧大連，116023）

0 引言

海上靶場(chǎng)通信網(wǎng)絡(luò)承載著海軍武器裝備試驗(yàn)所有實(shí)時(shí)信息的傳輸，信息傳輸容量大、地域廣，對(duì)信息傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性要求較高，地面鏈路傳輸?shù)臅r(shí)延要求在100ms以?xún)?nèi)。目前試驗(yàn)通信系統(tǒng)主用接入網(wǎng)絡(luò)已由DDN過(guò)渡到以光寬帶傳輸為基礎(chǔ)的IP網(wǎng)絡(luò)，帶寬擴(kuò)大了，接入更加便利了，但實(shí)時(shí)性降低了，分組交換體制等各種因素帶來(lái)的網(wǎng)絡(luò)時(shí)延對(duì)信息傳輸實(shí)時(shí)性的影響不容忽視，需采取有效措施以滿(mǎn)足靶場(chǎng)通信保障需求。

1 IP包時(shí)延的因素分析

IP包時(shí)延等于從發(fā)送端到達(dá)接收端所經(jīng)過(guò)的轉(zhuǎn)發(fā)路徑中所有轉(zhuǎn)發(fā)段的時(shí)延之和，每一個(gè)轉(zhuǎn)發(fā)段的時(shí)延由四部分組成：傳輸時(shí)延、傳播時(shí)延、處理時(shí)延、排隊(duì)時(shí)延。

1.1 傳輸時(shí)延

傳輸時(shí)延為終端將一個(gè)數(shù)據(jù)包從網(wǎng)卡緩存發(fā)送到鏈路上，或者從鏈路上收到一個(gè)完整數(shù)據(jù)包到網(wǎng)卡緩存所需要的時(shí)間，它與包長(zhǎng)、鏈路速率有關(guān)。該時(shí)延可用下列公式計(jì)算：

1.2 傳播時(shí)延

傳播時(shí)延為端到端各鏈路上信號(hào)傳播時(shí)延之和，每段鏈路上的傳播時(shí)延與鏈路長(zhǎng)度、傳輸介質(zhì)有關(guān)。ITU-T G.114建議光信號(hào)傳播時(shí)延為0.005ms/km，電信號(hào)為0.004ms/km。如果實(shí)際的物理信號(hào)路徑長(zhǎng)度無(wú)法得到時(shí)，可采用直線距離乘以距離修正因子作為路徑長(zhǎng)度值的估算值。ITU-T G.826建議的不同直線距離下的距離修正因子及路徑長(zhǎng)度估算值見(jiàn)下表。

表1 距離修正因子及路徑長(zhǎng)度估算值

1.3 處理時(shí)延

處理時(shí)延為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)從收到一個(gè)IP報(bào)文到將該報(bào)文放入出端口隊(duì)列的時(shí)間間隔。目前交換機(jī)、路由器、保密機(jī)和防火墻等網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，對(duì)IP包的處理時(shí)延為幾微秒到幾十微秒不等，一般情況下處理時(shí)延可以忽略不計(jì)。

1.4 排隊(duì)時(shí)延

排隊(duì)時(shí)延是網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)出端口隊(duì)列收到一個(gè)IP報(bào)文到該報(bào)文被發(fā)送出去等待的時(shí)間間隔。在單隊(duì)列情況下，排隊(duì)時(shí)延實(shí)質(zhì)上就是排在該包之前的IP包全部發(fā)送出去的時(shí)間。

假設(shè)一個(gè)IP包前邊有N個(gè)包排隊(duì)，其中第i個(gè)包的包長(zhǎng)為L(zhǎng)i，附加開(kāi)銷(xiāo)為ladd，i，傳輸電路速率為R，則該包的排隊(duì)時(shí)延t排隊(duì)為：

由于排隊(duì)長(zhǎng)度和包長(zhǎng)均為隨機(jī)變量，所以排隊(duì)時(shí)延也是一個(gè)隨機(jī)變量。這是造成IP網(wǎng)時(shí)延抖動(dòng)的主要原因。排隊(duì)時(shí)延可用M/M/1排隊(duì)模型來(lái)分析。假定鏈路平均占用率為ρ，則平均排隊(duì)長(zhǎng)度為：

假定鏈路速率為R，平均包長(zhǎng)為,平均包附加開(kāi)銷(xiāo)為則平均排隊(duì)時(shí)延

2 靶場(chǎng)IP網(wǎng)絡(luò)時(shí)延分析

（1）靶場(chǎng)IP網(wǎng)絡(luò)時(shí)延因素

靶場(chǎng)IP網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)包端到端時(shí)延為傳播時(shí)延、傳輸時(shí)延、處理時(shí)延和排隊(duì)時(shí)延之和。在不考慮傳播時(shí)延的情況下，其它3種時(shí)延的具體分析如下：傳輸時(shí)延為數(shù)據(jù)包長(zhǎng)與鏈路傳輸速率之比，通過(guò)控制應(yīng)用層包長(zhǎng)可將傳輸時(shí)延控制在合適范圍，當(dāng)UDP包長(zhǎng)為68B，鏈路傳輸速率為2048kbit/s時(shí)，傳輸時(shí)延約為0.4ms；處理時(shí)延為端到端各環(huán)節(jié)上數(shù)據(jù)終端、交換機(jī)、路由器的處理時(shí)延之和。根據(jù)IP網(wǎng)實(shí)物仿真綜合實(shí)驗(yàn)結(jié)果，跨場(chǎng)區(qū)傳輸數(shù)據(jù)時(shí)，處理時(shí)延小于2ms，其中路由器處理時(shí)延小于1ms、交換機(jī)處理時(shí)延小于1ms；排隊(duì)時(shí)延與帶寬利用率和信息突發(fā)的關(guān)系明顯，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)輕負(fù)荷時(shí)，排隊(duì)時(shí)延很小，基本可以忽略；帶寬利用率和信息突發(fā)峰值越高，排隊(duì)時(shí)延變化就越大，信息突發(fā)峰值不高時(shí)，即使帶寬利用率高，排隊(duì)時(shí)延變化也不大。

（2）靶場(chǎng)IP網(wǎng)絡(luò)時(shí)延分析計(jì)算

靶場(chǎng)IP網(wǎng)絡(luò)由城域網(wǎng)和廣域網(wǎng)組成。其中城域網(wǎng)由交換機(jī)組網(wǎng)，鏈路速率為千兆以上，鏈路平均占用率為30%以下。廣域網(wǎng)由路由器組網(wǎng)，鏈路速率為2M，鏈路占用率為70%。一個(gè)端到端的IP包的傳輸經(jīng)過(guò)兩個(gè)城域網(wǎng)和一個(gè)廣域網(wǎng)，在廣域網(wǎng)最多經(jīng)過(guò)兩個(gè)3000km的轉(zhuǎn)發(fā)段。由于城域網(wǎng)鏈路速率高，鏈路占用率低，所以其包時(shí)延相對(duì)于廣域網(wǎng)來(lái)說(shuō)，可忽略不計(jì)。其實(shí)時(shí)性分析計(jì)算結(jié)果如表2所示。

表2 靶場(chǎng)IP網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)性分析計(jì)算結(jié)果

96.0%的包相對(duì)于最小時(shí)延的時(shí)延抖動(dòng)（ms） <5.22 <18.72 <36.72 <72.9

3 靶場(chǎng)IP網(wǎng)絡(luò)時(shí)延分析結(jié)論及應(yīng)對(duì)措施

（1）包時(shí)延結(jié)論

對(duì)于一個(gè)確定的端到端鏈路，時(shí)延抖動(dòng)主要由排隊(duì)時(shí)延變化引起。根據(jù)實(shí)際測(cè)試結(jié)果，靶場(chǎng)IP網(wǎng)在帶寬負(fù)荷70%以下時(shí)的平均時(shí)延抖動(dòng)在0.357ms～20.540ms之間，與理論分析計(jì)算結(jié)果一致。

在靶場(chǎng)IP網(wǎng)絡(luò)中，試驗(yàn)任務(wù)的業(yè)務(wù)量可以較為準(zhǔn)確預(yù)知，突發(fā)流量較小，網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)采用輕流量負(fù)荷設(shè)計(jì)，可以保證網(wǎng)絡(luò)正常情況下帶寬利用率控制在70%以下，在不考慮線路傳輸時(shí)延的情況下，能夠滿(mǎn)足業(yè)務(wù)系統(tǒng)端到端傳輸時(shí)延不大于100ms、時(shí)延抖動(dòng)不大于50ms的使用要求。

（2）解決實(shí)時(shí)性問(wèn)題的主要技術(shù)措施

包時(shí)延的不確定性主要是由排隊(duì)時(shí)延的不確定性引起的。降低網(wǎng)絡(luò)流量負(fù)荷，減少包長(zhǎng)，提高鏈路速率，有助于提高實(shí)時(shí)性。

一是輕負(fù)荷運(yùn)行。在試驗(yàn)任務(wù)中，信息傳輸需求是明確的，可以準(zhǔn)確知道每條鏈路上的信息流量。以此作為傳輸鏈路速率設(shè)計(jì)的依據(jù)，可保證鏈路處于輕負(fù)荷運(yùn)行狀態(tài)。處于輕負(fù)荷運(yùn)行的網(wǎng)絡(luò)，可明顯減少排隊(duì)時(shí)延和抖動(dòng)。

二是端到端的服務(wù)質(zhì)量保證措施。如果發(fā)生異常，如廣播風(fēng)暴，用戶(hù)超限發(fā)送過(guò)多的流量，輕負(fù)荷設(shè)計(jì)運(yùn)行的網(wǎng)絡(luò)還有可能發(fā)生網(wǎng)絡(luò)擁塞。在這種情況下，為保證重要信息的傳輸不受影響，應(yīng)采用服務(wù)質(zhì)量保證措施。服務(wù)質(zhì)量保證模型有區(qū)分服務(wù)和資源預(yù)留兩類(lèi)。一個(gè)設(shè)備端口上可采用的服務(wù)質(zhì)量保證措施有：流量分類(lèi)、流量監(jiān)管和整形；擁塞避免；隊(duì)列技術(shù)（優(yōu)先級(jí)、加權(quán)隊(duì)列）等。

參考文獻(xiàn)

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