IP 衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)專用測試網(wǎng)橋設(shè)計與實(shí)現(xiàn)*

趙 倫，喬廬峰，陳慶華，王雷淘

（陸軍工程大學(xué)，江蘇 南京 210001）

0 引言

隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的高速發(fā)展，對衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、協(xié)議體制、關(guān)鍵技術(shù)的研究也在不斷深入[1]。衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)利用地面網(wǎng)中成熟的網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)協(xié)議（Internet Protocol，IP）技術(shù)，通過IP 統(tǒng)一承載，從而與地面網(wǎng)絡(luò)連成一體[2]。然而，網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用范圍越來越大，人們對網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量的要求大大提高，于是更加關(guān)注網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的具體性能指標(biāo)，如吞吐量、誤碼率、丟失率、延遲和抖動等RFC2544標(biāo)準(zhǔn)中的性能指標(biāo)[3]。

目前，針對地面網(wǎng)測試技術(shù)的研究較多且已經(jīng)較為成熟。此外，國外的Agilent、Spirent 和Adtech等公司研制出了多種通用的標(biāo)準(zhǔn)測試設(shè)備[4-5]。這些設(shè)備具有標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)接口，支持豐富的協(xié)議類型，而且測試儀能夠同時模擬成千上萬個用戶的操作行為，測試海量用戶的交換抖動、交換延遲及丟包率等性能。但是衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)測試中，由于專用星載IP 交換機(jī)沒有提供通用的以太網(wǎng)接口，地面網(wǎng)和衛(wèi)星網(wǎng)的數(shù)據(jù)鏈路（Media Access Control，MAC）層協(xié)議也不同，并且衛(wèi)星網(wǎng)還具有大量的專用協(xié)議，因此通用的標(biāo)準(zhǔn)測試設(shè)備不能直接測試衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)。

為了解決當(dāng)前衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)測試中無法采用通用的標(biāo)準(zhǔn)測試設(shè)備直接測試的問題，本文設(shè)計并實(shí)現(xiàn)了一種IP 衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)專用測試網(wǎng)橋。專用的測試網(wǎng)橋在數(shù)據(jù)鏈路層實(shí)現(xiàn)協(xié)議轉(zhuǎn)換，對業(yè)務(wù)的轉(zhuǎn)發(fā)處理采用全硬件方案實(shí)現(xiàn)，并提供通用的以太網(wǎng)接口，從而能夠采用通用測試設(shè)備對衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)直接測試。

1 衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)測試需求

人們對網(wǎng)絡(luò)測試技術(shù)的研究隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的進(jìn)步不斷深入。初期，網(wǎng)絡(luò)傳輸速率很低，針對網(wǎng)絡(luò)的測試方法主要是進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)協(xié)議一致性測試。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)一步發(fā)展后，網(wǎng)絡(luò)承載的業(yè)務(wù)逐步增多，人們對網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的具體性能指標(biāo)更加關(guān)注，如吞吐量、誤碼率、丟失率、延遲和抖動等，這時進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)測試的的主要方法是對網(wǎng)絡(luò)環(huán)境進(jìn)行仿真模擬，并利用網(wǎng)絡(luò)測試設(shè)備生成專門的測試流量來測量交換機(jī)、路由器和網(wǎng)橋等設(shè)備的性能。近幾年，隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的轉(zhuǎn)發(fā)速率越來越高，并且使用了很多復(fù)雜的服務(wù)質(zhì)量（Quality of Service，QoS）支持技術(shù)，網(wǎng)絡(luò)流量的仿真和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備QoS 功能的測試也成為目前網(wǎng)絡(luò)測試研究的熱點(diǎn)[6]。IP 交換技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)相當(dāng)成熟，國內(nèi)對IP交換機(jī)進(jìn)行測試的設(shè)備也有很多，但一般都采用通用的標(biāo)準(zhǔn)測試設(shè)備來測試。

目前，采用通用測試設(shè)備測試衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)時，往往需要接入帶路由功能的專用衛(wèi)星終端適配設(shè)備進(jìn)行端口擴(kuò)展和適配。圖1 為采用帶路由功能的終端適配器進(jìn)行衛(wèi)星網(wǎng)測試的場景。

圖1 采用帶路由功能的終端適配器進(jìn)行測試

專用衛(wèi)星終端適配設(shè)備通常需要完成MAC 層協(xié)議轉(zhuǎn)換、路由查找處理和業(yè)務(wù)轉(zhuǎn)發(fā)處理等功能。這種測試方法不僅增加了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜度，而且測試得到的指標(biāo)是經(jīng)過了帶路由功能的衛(wèi)星終端適配器的測試結(jié)果，因此延遲和抖動難以預(yù)測并且難以精確測得被測交換機(jī)的實(shí)際指標(biāo)。此外，使用該種方法進(jìn)行測試時，較難實(shí)現(xiàn)模擬同時接入大量（如1 000 個以上）用戶終端，這是因?yàn)橐粋€端口適配終端只能接一個用戶終端，不能對被測系統(tǒng)同時接入海量終端的行為進(jìn)行模擬測試。

網(wǎng)絡(luò)延遲和抖動控制、多用戶接入模擬和MAC層協(xié)議轉(zhuǎn)換等問題是衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)測試中需要重點(diǎn)解決的問題。延遲和抖動的控制可以確保交換指標(biāo)的精確，多用戶接入模擬可以確保同時接入1 000 個用戶測試，MAC 層協(xié)議轉(zhuǎn)換可以確保采用通用的標(biāo)準(zhǔn)測試設(shè)備直接測試衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)。

2 測試網(wǎng)橋結(jié)構(gòu)設(shè)計

針對上述衛(wèi)星網(wǎng)測試需求，本方案設(shè)計了衛(wèi)星網(wǎng)專用測試網(wǎng)橋。在測試中，專用測試網(wǎng)橋自己不能獨(dú)立和完整地構(gòu)成測試系統(tǒng)，需要和通用網(wǎng)絡(luò)測試儀等設(shè)備配合，才能對衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行全面的測試。如圖2 所示，在衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)測試系統(tǒng)中，測試網(wǎng)橋提供以太網(wǎng)業(yè)務(wù)接口，可以與運(yùn)行專用測試軟件的PC 機(jī)、商用路由器及寬帶網(wǎng)絡(luò)測試儀相連，完成被測設(shè)備的協(xié)議、性能和業(yè)務(wù)交換等測試。

圖2 衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)測試系統(tǒng)構(gòu)成

專用測試網(wǎng)橋是具備完全檢測功能的專用設(shè)備，主要用途是驗(yàn)證星載路由器的各項(xiàng)功能，包括數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)能力（吞吐量、延遲和丟包率等）、路由處理能力（協(xié)議一致性、路由學(xué)習(xí)和路由收斂等）等[7]。

圖3 為根據(jù)專用測試網(wǎng)橋功能需求設(shè)計的測試網(wǎng)橋總體框架。該框架主要由查表與分類模塊、協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊組成。查表與分類模塊的主要功能是根據(jù)以太網(wǎng)MAC 幀的類型、目的MAC 地址、目的IP 地址、運(yùn)輸層數(shù)據(jù)包類型和運(yùn)輸層端口號等信息對數(shù)據(jù)幀進(jìn)行分類。自動學(xué)習(xí)其源MAC 地址與源IP 地址的對應(yīng)關(guān)系形成源IP 地址-源MAC地 址（Source Internet Protocol-Source Media Access Control，SIP-SMAC）映射表。協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊主要功能是完成以太網(wǎng)MAC 層協(xié)議與衛(wèi)星網(wǎng)MAC 層協(xié)議的轉(zhuǎn)換，將標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)幀格式轉(zhuǎn)換為衛(wèi)星鏈路幀格式。

圖3 測試網(wǎng)橋總體框架

2.1 測試網(wǎng)橋數(shù)據(jù)處理流程

測試網(wǎng)橋數(shù)據(jù)處理流程如圖4 所示。

圖4 測試網(wǎng)橋數(shù)據(jù)處理流程

專用測試網(wǎng)橋中上行方向上，從以太網(wǎng)端口進(jìn)來的MAC幀被接收后先進(jìn)入一個查表與分類電路。該電路根據(jù)以太網(wǎng)MAC 幀的類型、目的MAC 地址、目的IP 地址、運(yùn)輸層數(shù)據(jù)包類型和運(yùn)輸層端口號等信息對數(shù)據(jù)幀進(jìn)行分類。上行的MAC 幀被分為兩類，一類是用戶IP 幀，另一類是與專用協(xié)議測試有關(guān)的管控IP 幀。對于用戶IP 幀，查表與分類電路自動學(xué)習(xí)其源MAC 地址與源IP 地址的對應(yīng)關(guān)系，并存儲在本地表格中，然后用戶MAC 幀根據(jù)映射規(guī)則被轉(zhuǎn)換成衛(wèi)星網(wǎng)用戶MAC 幀，如數(shù)據(jù)流①所示。對于管控IP 幀，其運(yùn)輸層是一個具有特殊用戶數(shù)據(jù)報協(xié)議（User Datagram Protocol，UDP）端口的報文。UDP 中的凈荷是一個完整的衛(wèi)星網(wǎng)管控MAC 幀。該幀由運(yùn)行在PC 機(jī)上的多用戶模擬軟件或網(wǎng)控中心模擬軟件產(chǎn)生。對于管控IP 幀，現(xiàn)場可編程門陣列（Field-Programmable Gate Array，F(xiàn)PGA）將其以太網(wǎng)幀頭、IP 頭和UDP 頭剝離，直接發(fā)出，如數(shù)據(jù)流②所示。測試網(wǎng)橋與被測交換機(jī)之間除了業(yè)務(wù)接口外，還有狀態(tài)信息接口。測試網(wǎng)橋要模擬調(diào)制解調(diào)器向交換機(jī)發(fā)送狀態(tài)幀。在測試網(wǎng)橋中，狀態(tài)幀由測試網(wǎng)橋管理軟件通過配置界面發(fā)出，沿著數(shù)據(jù)流③所示的路徑發(fā)出。

下行方向上的流程與上行相反。用戶IP 幀通過查找上行時建立的映射表獲得目的IP 地址和目的MAC 地址的關(guān)系，使得網(wǎng)絡(luò)測試儀或者PC 機(jī)可以正確地接收用戶數(shù)據(jù)幀，如數(shù)據(jù)流④所示。管控衛(wèi)星MAC 幀被封裝在指定的UDP 連接之中并發(fā)送給相應(yīng)的主機(jī)，由專用的測試軟件進(jìn)行解析處理，如數(shù)據(jù)流⑤所示。從交換機(jī)發(fā)給調(diào)制解調(diào)器的各種狀態(tài)和配置幀通過數(shù)據(jù)流⑥進(jìn)入嵌入式CPU，然后通過以太網(wǎng)口進(jìn)入測試網(wǎng)橋管理程序加以分析和處理。

2.2 基于哈希散列的地址學(xué)習(xí)

以太網(wǎng)交換機(jī)中一般都有轉(zhuǎn)發(fā)表查找電路。轉(zhuǎn)發(fā)表查找電路進(jìn)行地址查找時，線性查找是最簡單的方法，但以太網(wǎng)的MAC 地址位寬為48 bits，使用線性查找時需要的存儲深度為248，占用存儲空間太大。哈希函數(shù)是一種壓縮映射，可以把任意長度的輸入通過散列算法轉(zhuǎn)換成特定長度的輸出。哈希散列既是一種存儲方法也是一種查找方法，其本質(zhì)是在記錄的存儲位置和它的關(guān)鍵字之間建立一個確定的對應(yīng)關(guān)系f，使得每個關(guān)鍵字key對應(yīng)一個存儲位置f(key)?；诠Ｉ⒘械牟檎宜惴ㄒ恢笔侨藗兊难芯恐攸c(diǎn)，它能實(shí)現(xiàn)精確匹配查找，且具有查找速度快、更新簡單且易于用硬件實(shí)現(xiàn)的優(yōu)點(diǎn)[8]。因此，以太網(wǎng)交換機(jī)中轉(zhuǎn)發(fā)表查找常用的方法之一是采用哈希散列查找。通過哈希散列查找可以把一個248的空間映射到一個較小的空間里。當(dāng)哈希散列表的深度是1 kB 時，48 bits 的目的MAC 地址，經(jīng)過哈希散列查找后，得到一個位寬為10 bits 的數(shù)值，可以節(jié)省存儲空間。專用測試網(wǎng)橋中需要把從以太網(wǎng)接收的MAC 幀的源MAC 地址和源IP 地址的對應(yīng)關(guān)系進(jìn)行學(xué)習(xí)并存儲在本地的哈希散列表里面。上行方向上，把MAC 幀的源IP 地址作為關(guān)鍵字key，把MAC 幀的源MAC 地址作為結(jié)果存儲在哈希散列表里面。下行方向上以衛(wèi)星鏈路幀收到的衛(wèi)星鏈路幀的目的IP 地址作為關(guān)鍵字key，來檢索哈希散列表，得到地面以太網(wǎng)中對應(yīng)的MAC 地址，從而形成以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀。

本文中要實(shí)現(xiàn)模擬同時接入大量用戶終端，如1 000 個以上的用戶終端，需要10 bits 的索引值來對這1 000 條數(shù)據(jù)流進(jìn)行查找。因此，需要將32 bits 的IP 地址映射成為10 bits 的索引值，并通過哈希函數(shù)建立從32 bits IP 地址集合到10 bits 哈希索引的映射關(guān)系。如圖5 所示，IP 地址哈希散列查找電路中，采用CRC-16 函數(shù)作為哈希函數(shù)，把32 bits 的IP 地址進(jìn)行散列運(yùn)算，得到位寬為10 bits 的哈希散列值，然后去尋址哈希散列值。針對目的IP 地址進(jìn)行CRC-16 運(yùn)算得到16 bits 的散列值，然后將計算結(jié)果的低10 位映射到1 kB 的地址空間中，該值就是CRC-16 函數(shù)計算出的哈希值。

圖5 IP 地址哈希散列查找電路

哈希查找中很重要的問題是解決哈希沖突，通常采用多桶哈希或者哈希鏈表。本方案采用哈希鏈表方法解決哈希沖突。以該哈希值為索引在哈希鏈表中進(jìn)行精確匹配查找，當(dāng)查找數(shù)據(jù)流較多，需要更大的地址空間時，比如說深度增大到2 kB 時，可以取CRC-16 計算結(jié)果的低11 位作為哈希值進(jìn)行匹配查找。這樣可以根據(jù)查找數(shù)據(jù)的數(shù)量進(jìn)行靈活調(diào)整。

2.3 協(xié)議轉(zhuǎn)換電路

地面網(wǎng)絡(luò)MAC 協(xié)議和衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的MAC 協(xié)議不同，所承載的業(yè)務(wù)也不同。使用通用網(wǎng)絡(luò)測試儀無法直接對衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行測量，需要通過專用測試網(wǎng)橋?qū)崿F(xiàn)MAC 層協(xié)議轉(zhuǎn)換，完成以太網(wǎng)MAC 層協(xié)議與衛(wèi)星自定義MAC 層協(xié)議的轉(zhuǎn)換。上行方向，通過協(xié)議轉(zhuǎn)換電路將以太網(wǎng)幀格式轉(zhuǎn)換為衛(wèi)星鏈路幀格式；下行方向，通過協(xié)議轉(zhuǎn)換電路將衛(wèi)星鏈路幀格式轉(zhuǎn)換為以太網(wǎng)幀格式。

地面網(wǎng)中，標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)幀格式如圖6 所示。以太網(wǎng)幀格式中的數(shù)據(jù)部分是遵循網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議封裝的數(shù)據(jù)包，可能是IP 包、地址解析協(xié)議（Address Resolution Protocol，ARP）包或反向地址轉(zhuǎn)換協(xié)議包（Reverse Address Resolution Protocol，RARP）等。

圖6 以太網(wǎng)幀格式

衛(wèi)星鏈路幀格式如圖7 所示，協(xié)議轉(zhuǎn)換中需要增加配置的MAC 幀的頭部信息來生成衛(wèi)星鏈路的MAC 幀。

圖7 衛(wèi)星鏈路幀格式

本文采用FPGA 芯片作為核心芯片，對以太網(wǎng)MAC 幀的源MAC 地址和源IP 地址的對應(yīng)關(guān)系進(jìn)行學(xué)習(xí)等處理，并建立關(guān)系映射表，完成以太網(wǎng)協(xié)議與衛(wèi)星鏈路協(xié)議之間的相互轉(zhuǎn)換功能。根據(jù)系統(tǒng)功能需求將系統(tǒng)分為數(shù)據(jù)上行和數(shù)據(jù)下行兩部分。

圖8 為上行部分協(xié)議轉(zhuǎn)換電路。上級查表與分類電路對接收的以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包進(jìn)行處理，提取源MAC 地址、目的MAC 地址、幀類型、源IP 地址和目的IP 地址等信息，并將其存入幀頭緩存存儲器中，其余數(shù)據(jù)信息存入數(shù)據(jù)緩存存儲器中。協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊查找網(wǎng)橋配置管理電路建立的哈希表，通過索引查找對應(yīng)標(biāo)簽表，得到每個以太網(wǎng)幀對應(yīng)衛(wèi)星鏈路幀幀頭中特定的字段內(nèi)容（如圖7 中的S-MPLS標(biāo)簽）。協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊采用截取法，從以太網(wǎng)幀的6 Bytes 8 bits 的目的MAC 地址中，截取其中2 Bytes 16 bits 直接作為衛(wèi)星鏈路幀的目的MAC 地址，形成衛(wèi)星鏈路幀。將幀頭、幀長、數(shù)據(jù)等相關(guān)信息分別存入相應(yīng)的緩存中，供后級電路調(diào)用。

圖8 上行部分協(xié)議轉(zhuǎn)換電路

數(shù)據(jù)下行部分負(fù)責(zé)接收衛(wèi)星鏈路數(shù)據(jù)包，對其完成對衛(wèi)星鏈路協(xié)議與以太網(wǎng)協(xié)議的轉(zhuǎn)換等功能，并通過網(wǎng)口發(fā)送出去。

圖9 為下行部分協(xié)議轉(zhuǎn)換電路。協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊負(fù)責(zé)從上級輸入電路中讀取緩存存儲器中的幀頭、幀長和數(shù)據(jù)信息。根據(jù)幀頭信息中的目的MAC 地址和目的IP 地址查找上行方向查表與分類電路自動學(xué)習(xí)建立的哈希表，得到對應(yīng)的以太網(wǎng)幀目的MAC 地址和目的IP 地址，將衛(wèi)星鏈路幀轉(zhuǎn)換為以太網(wǎng)幀。

圖9 下行部分協(xié)議轉(zhuǎn)換電路

3 仿真結(jié)果與分析

專用測試網(wǎng)橋采用Xilinx 的xc6vlx240t FPGA實(shí)現(xiàn)，開發(fā)環(huán)境采用Xilinx 集成開發(fā)環(huán)境ISE14.7，電路核心模塊采用Verilog HDL 編程實(shí)現(xiàn)，并用仿真軟件Modelim SE10.6d 進(jìn)行測試仿真。

3.1 ARP 地址學(xué)習(xí)仿真

上行方向上，從以太網(wǎng)端口向?qū)Ｓ脺y試網(wǎng)橋發(fā)送ARP 幀，接收MAC 控制器接收該數(shù)據(jù)幀并交給后級電路。后級電路收到ARP 請求幀后將其源IP 和源MAC 存入采用哈希表實(shí)現(xiàn)的ARP 表內(nèi)，此時的ARP源IP 地址(arp_sip)32’h12345678，源MAC 地址(arp_smac)為48’hbbbbbbbbbbbb，ack 信號拉高后說明地址學(xué)習(xí)完成。此后，以太網(wǎng)ARP 幀轉(zhuǎn)換為衛(wèi)星網(wǎng)ARP 幀，通過后續(xù)的專用接口發(fā)出，如圖10 所示。

圖10 ARP 地址學(xué)習(xí)仿真結(jié)果

3.2 上行方向發(fā)送用戶幀仿真

圖11 為以太網(wǎng)MAC 幀到衛(wèi)星MAC 幀的轉(zhuǎn)換過程。輸入數(shù)據(jù)開始信號（sof）為高電平時，電路開始接收來自交換結(jié)構(gòu)的地面數(shù)據(jù)幀，data_fifo_wr拉高將地面數(shù)據(jù)幀緩存。隨后data_fifo_rd 拉高讀出緩存的地面MAC 幀，為節(jié)省處理的時鐘周期，邊讀取邊進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換，data_fifo_wr_0 拉高將轉(zhuǎn)換后生成的衛(wèi)星網(wǎng)專用MAC 幀存入發(fā)送FIFO 內(nèi)等待發(fā)送。

圖11 以太網(wǎng)MAC 幀到衛(wèi)星MAC 幀的轉(zhuǎn)換

3.3 下行方向發(fā)送用戶幀仿真

圖12 為從衛(wèi)星網(wǎng)向以太網(wǎng)發(fā)送用戶幀的仿真波形，衛(wèi)星MAC 幀中承載的IP 包通過查找上行時建立的映射表獲得目的IP 地址和目的MAC 地址的對應(yīng)關(guān)系，將衛(wèi)星網(wǎng)用戶MAC 幀轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)幀發(fā)出的仿真過程。根據(jù)上行方向上ARP 學(xué)習(xí)獲得的源IP地址和源MAC 地址的對應(yīng)關(guān)系，在下行方向上使用從衛(wèi)星MAC 幀中提取的目的IP 地址（search_ip），即32’h12345678，查找哈希表得到48 位目的MAC 地址（search_result_da），即48’hbbbbbbbbbbbb，然后就可以將衛(wèi)星網(wǎng)用戶幀轉(zhuǎn)換為以太網(wǎng)用戶幀發(fā)出。

圖12 下行用戶數(shù)據(jù)幀處理波形

4 結(jié)語

本文設(shè)計實(shí)現(xiàn)了一種IP 衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)專用測試網(wǎng)橋，并介紹了關(guān)鍵模塊的功能結(jié)構(gòu)。仿真結(jié)果表明該電路實(shí)現(xiàn)了對輸入數(shù)據(jù)幀的地址學(xué)習(xí)、上行方向和下行方向以太網(wǎng)MAC 幀與衛(wèi)星網(wǎng)MAC 幀之間的格式相互轉(zhuǎn)換，滿足了專用測試網(wǎng)橋測試功能需求。整個電路采用FPGA 以全硬件方式實(shí)現(xiàn)，額外引入的延遲和抖動小，可以滿足衛(wèi)星網(wǎng)測試需求。