利用組播及QoS技術(shù)對(duì)IPTV網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行優(yōu)化

虞炳文，白 寧，丁思煒，范利波，劉 暢

(西昌衛(wèi)星發(fā)射中心，四川 西昌 615000)

0 引言

由于現(xiàn)代通訊網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的日益發(fā)達(dá),航天IP業(yè)務(wù)網(wǎng)早已不是單一的數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)了,是一種承載信息、聲音、圖形和視頻內(nèi)容的多功能網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng),而隨著信息發(fā)送服務(wù)的多樣化,業(yè)務(wù)上對(duì)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的質(zhì)量要求也日益嚴(yán)苛,如對(duì)網(wǎng)絡(luò)信息傳輸過程中的延時(shí)、抖動(dòng)和丟包率等的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)要求也愈來愈嚴(yán)格。

航天測(cè)控網(wǎng)是傳統(tǒng)的IP數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò),但隨著網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湟?guī)模的逐漸擴(kuò)大以及監(jiān)視與控制服務(wù)類型的豐富,IPTV,即互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議視頻技術(shù)，伴隨著這幾年的互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展中，得到了大面積的普及和應(yīng)用，IPTV技術(shù)相比較傳統(tǒng)的有限電視技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)電視技術(shù)，有著較為明顯的優(yōu)勢(shì)，比如在畫質(zhì)，人機(jī)交互等方面有著較為明顯的優(yōu)化與提升，另外，IPTV技術(shù)的發(fā)展也得益于網(wǎng)絡(luò)帶寬的迅猛發(fā)展。由于航天測(cè)控網(wǎng)節(jié)點(diǎn)眾多,使用IPTV傳輸圖像信息的帶寬需求巨大,這對(duì)測(cè)控?cái)?shù)據(jù)傳輸和網(wǎng)絡(luò)管理等關(guān)鍵網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)實(shí)時(shí)性可靠性提出了更高的要求。

1 關(guān)鍵技術(shù)介紹

1.1 IPTV技術(shù)

IPTV,即網(wǎng)絡(luò)協(xié)議數(shù)字電視(internet protocol television),也就是利用互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議來進(jìn)行包含視頻業(yè)務(wù)在內(nèi)的多種數(shù)字媒體業(yè)務(wù)的服務(wù)。

IPTV是交互式網(wǎng)絡(luò)廣播電視,是指通過寬帶有線網(wǎng)絡(luò),集合網(wǎng)絡(luò)、多媒體、通信等多項(xiàng)信息技術(shù)于一身,向家庭用戶提供包含數(shù)字電視在內(nèi)的各種互動(dòng)業(yè)務(wù)的新型信息技術(shù)。消費(fèi)者通過家庭即可獲得IPTV業(yè)務(wù)。IPTV既不同于普通的網(wǎng)絡(luò)型有線電視,又不同于典型的數(shù)字電視,由于普通的網(wǎng)絡(luò)有線電視與典型的數(shù)字電視一樣具備了頻分制、定時(shí)、單向播出的特性。所以雖然典型的數(shù)字電視相比于普通網(wǎng)絡(luò)數(shù)字電視有了一些技術(shù)革新,但只有數(shù)據(jù)形態(tài)的變化,并不能觸及具體信息的傳播方式。

IPTV網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)主要是由IP骨干網(wǎng)、IP城域網(wǎng)、有線前端或移動(dòng)電信中央站及其配套的寬帶接入網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)所共同完成的。骨干網(wǎng)與城域網(wǎng)的基礎(chǔ)主要任務(wù),是對(duì)以IP單播或組播方法傳送的視聲音流媒介電視節(jié)目流實(shí)現(xiàn)路由轉(zhuǎn)換與傳送。在有線電視前段或電訊中央站可使用相關(guān)的寬帶接入網(wǎng)絡(luò)時(shí),將IP視聲音流媒介電視節(jié)目流以IP over DOCSIS或IP over DSL的方法,經(jīng)由位于有線電視前段的CMTS鑒定或電訊中央站的數(shù)字用戶線連接復(fù)用器(DSLAM)等裝置,向終端用戶傳送過去。

1.2 組播技術(shù)

組播，是結(jié)合了單播及廣播的特點(diǎn)的，可以跨過網(wǎng)段傳輸數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。通過組播技術(shù),能夠在互聯(lián)網(wǎng)上更高效地進(jìn)行一些多媒體業(yè)務(wù),如網(wǎng)絡(luò)視頻、互聯(lián)網(wǎng)廣播和視頻等網(wǎng)絡(luò)信息業(yè)務(wù)。

IP組播功能的問世有效緩解了互聯(lián)網(wǎng)上用戶數(shù)量不穩(wěn)定的情況。組播消息傳送方(即組播源)只傳遞一個(gè)消息,通過組播路徑技術(shù)對(duì)組播數(shù)據(jù)包構(gòu)建樹型的路徑,所傳送的消息需要盡可能靠后的分叉路口才進(jìn)行復(fù)用與分配。

組播實(shí)質(zhì)上傳輸?shù)囊彩荱DP報(bào)文，UDP報(bào)文常見的兩種傳輸形式，一種是單播，即點(diǎn)對(duì)點(diǎn)傳輸，就是從一臺(tái)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備發(fā)送到另一臺(tái)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，正常情況下，不會(huì)發(fā)送給第三個(gè)人，誰需要，就單獨(dú)給誰獨(dú)一份，換言之，即多少人需要這份數(shù)據(jù)，就需要發(fā)送多少份。

另一種是廣播，即點(diǎn)對(duì)多，就是發(fā)送方發(fā)送出去了，在一定范圍內(nèi)，誰都可以接收，這個(gè)一定范圍，通常認(rèn)為是不跨vlan(之所以說是通常認(rèn)為，還有以路由器為界的，但其實(shí)發(fā)展到現(xiàn)在，路由器和交換機(jī)之間，在功能上的區(qū)別已經(jīng)有些模糊了，只能說側(cè)重點(diǎn)不同)，即只要不涉及跨vlan，目之所及，廣播信息都能過去。

而因此存在的問題也很明顯。

單播存在的問題，因?yàn)橹荒芤粚?duì)一，如果有很多的設(shè)備都想要這個(gè)數(shù)據(jù)，那就需要每個(gè)設(shè)備自己向這個(gè)數(shù)據(jù)發(fā)送者索要，單獨(dú)給一份，因此，十個(gè)人要，發(fā)送者就要發(fā)十分，這顯然非常的冗余。

而廣播存在的問題，廣播在一定范圍內(nèi)，能夠?qū)崿F(xiàn)一對(duì)多的發(fā)送，即發(fā)送者只要發(fā)送一份，數(shù)據(jù)就在局域網(wǎng)內(nèi)部，根據(jù)接收者需求，自行接收即可，但是其中的問題也是顯而易見的，數(shù)據(jù)跨不過vlan，就是數(shù)據(jù)怎么傳輸都只能在這個(gè)局域網(wǎng)內(nèi)部，出不了局域網(wǎng)的大門。

因此，為了解決兩者的弊端，組播應(yīng)運(yùn)而生，組播最重要的兩個(gè)特點(diǎn)，通俗的講，就是走得遠(yuǎn)并且只要傳一份。

組播技術(shù)，即組播協(xié)議，分為IMGPV1，IGMPV2，IGMPV3，根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)景和應(yīng)用對(duì)象的不同，有所區(qū)分。組播協(xié)議有指定的IP網(wǎng)段，即224.XX.XX.XX-238.XX.XX.XX之間的網(wǎng)段，其中，232.XX.XX.XX又具備特別的用處，即用作指定源組播，即SSM模式，與之對(duì)應(yīng)的，余下的組播網(wǎng)段稱之為ASM模式，即任意源組播。

組播的生效模式。雙方約定好組播地址。而后由數(shù)據(jù)的發(fā)送方往指定的組播地址發(fā)送數(shù)據(jù)。組播的接受方如果需要組播的數(shù)據(jù)，則需要接收方申請(qǐng)加入組播，加入組播的操作會(huì)在離接收設(shè)備的最近的交換機(jī)處開始，逐機(jī)往上申請(qǐng)加入，成功后，交換機(jī)會(huì)沿著組播交換機(jī)將數(shù)據(jù)發(fā)送至接收方。如果在同一個(gè)交換機(jī)下有多個(gè)接收者，則數(shù)據(jù)也只需要傳送一份，到末端交換機(jī)時(shí)再分發(fā)。

1.3 QoS技術(shù)

QoS(quality of service)即互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)標(biāo)準(zhǔn),它能夠保證了網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序的端到端的通信質(zhì)量,并在所有互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)經(jīng)過的網(wǎng)絡(luò)路徑上保證了數(shù)據(jù)傳輸?shù)膸?、減少了數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r(shí)延和降低了業(yè)務(wù)網(wǎng)的抖動(dòng),從而提高了業(yè)務(wù)網(wǎng)的數(shù)據(jù)傳輸品質(zhì)[2]。本文根據(jù)航天業(yè)務(wù)網(wǎng)IPTV業(yè)務(wù)對(duì)網(wǎng)絡(luò)帶寬的安全性需求增大的現(xiàn)實(shí)情況,指出了帶寬問題可通過部署組播技術(shù)來處理,而網(wǎng)絡(luò)安全性要求采用QoS(服務(wù)質(zhì)量保障)的方式處理。

當(dāng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中出現(xiàn)擁擠阻塞的情況,則任何的數(shù)據(jù)信息流都有可能被拋棄;而為了滿足對(duì)各種應(yīng)用不同業(yè)務(wù)的需求,它就要求網(wǎng)絡(luò)能按照客戶的需求安排和調(diào)整設(shè)備,為不同類型的數(shù)據(jù)信息流提出差異化的服務(wù)質(zhì)量:關(guān)于實(shí)時(shí)性要求高而較為重要的一類數(shù)據(jù)信息報(bào)文,優(yōu)先進(jìn)行數(shù)據(jù)處理;關(guān)于即時(shí)性要求并不高的一般數(shù)據(jù)信息報(bào)文,以相對(duì)較低的數(shù)據(jù)處理優(yōu)先級(jí),如果網(wǎng)絡(luò)擁擠阻塞則被拋棄。因此QoS業(yè)務(wù)應(yīng)運(yùn)而生。一個(gè)具有高QoS能力的系統(tǒng),能夠?qū)崿F(xiàn)高數(shù)據(jù)傳輸質(zhì)量業(yè)務(wù);凡是面向特定類型的數(shù)據(jù)流,系統(tǒng)能夠給其賦予特定等級(jí)的傳送優(yōu)先權(quán),以區(qū)分其相對(duì)重要性,并通過根據(jù)系統(tǒng)所具有的各種優(yōu)先級(jí)轉(zhuǎn)發(fā)方式、阻塞避免措施等方式,對(duì)此類數(shù)據(jù)流進(jìn)行特定的傳輸服務(wù)。采用了QoS的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議方式,提高了網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行的可預(yù)知度,并能夠合理的安排網(wǎng)絡(luò)帶寬,更合理的使用網(wǎng)絡(luò)資源。

2 IPTV 承載網(wǎng)中的組播設(shè)計(jì)

2.1 組播IPTV承載網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

組播流程的設(shè)計(jì)，以圖1所示拓?fù)鋱D為例。

1)CMS，即核心的媒體系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)，為一級(jí)中心，當(dāng)直播網(wǎng)絡(luò)視頻數(shù)據(jù)發(fā)送出來，會(huì)經(jīng)過此處，而后通過單播協(xié)議下發(fā)到核心路由器，即圖中所使CR設(shè)備,CR路由器發(fā)送的數(shù)據(jù)，也是以單播協(xié)議的方式下發(fā)的，下一站就是IPTV專用的網(wǎng)絡(luò)交換機(jī),而后仍舊是以單播協(xié)議的方式，發(fā)往中央媒體系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)，即圖中HMS設(shè)備。

2)HMS中執(zhí)行組播協(xié)議，具體為組播協(xié)議中的PM-SM協(xié)議，該協(xié)議用于路由器之間的組播路由表交換，將數(shù)據(jù)流量經(jīng)IPTV交換機(jī)以及CR路由器發(fā)送至寬帶接入的服務(wù)器，即圖中所示BRAS，BRAS實(shí)則為一臺(tái)路由器，此時(shí)將IPTV交換機(jī)中連接HMS的端口，作為組播RP點(diǎn)，用作匯聚。

3)BRAS設(shè)備往下傳導(dǎo)數(shù)據(jù)時(shí)，是通過單播協(xié)議的發(fā)送至接收者終端所在網(wǎng)絡(luò)，中間傳導(dǎo)可以經(jīng)光纖網(wǎng)(即圖中OLT設(shè)備)，或接入?yún)R聚交換機(jī)(DS)。

圖1 IPTV承載網(wǎng)物理拓?fù)鋱D

2.2 視頻信號(hào)的組播發(fā)送

組播是一個(gè)SPT樹狀分發(fā)的結(jié)構(gòu)，我們通常稱之為組播樹，從數(shù)據(jù)發(fā)送者送出數(shù)據(jù)(即從一棵樹的樹根處送出數(shù)據(jù))，經(jīng)一系列的組播路由器，即圖中的IPTV交換機(jī)、CR(可以認(rèn)為是樹中的枝節(jié))，一直到指定的樹枝處，到了末端樹枝處(BRAS路由器)下一步就是從枝節(jié)處開始分發(fā)。圖 2所示便是組播樹模型。

圖2 BRAS下IPTV 用戶對(duì)應(yīng)的組播樹

通過組播傳輸數(shù)據(jù)的好處就是可以減少對(duì)帶寬的占用，同一個(gè)視頻數(shù)據(jù)，直到末端才會(huì)進(jìn)行復(fù)制分發(fā)，再主干線路上，始終只需要傳輸一路視頻數(shù)據(jù)。比如,在BRAS下呈三個(gè)用戶可以一起收看發(fā)射地點(diǎn)的塔吊視頻,該視頻信號(hào)流量約2 Mbps。若采用單播方法傳輸,則在每一個(gè)路徑上都需要完成視頻信號(hào)所對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)包復(fù)制工作,需消耗帶寬為6 Mbps(3*2 Mbps);而如果有五千個(gè)用戶同時(shí)觀看,就要耗費(fèi)總帶寬10 Gbps,將會(huì)超過現(xiàn)有路由器的線路帶寬造成阻塞。以組播方法發(fā)送的時(shí)候,組播樹BRAS中的路徑所對(duì)應(yīng)的某一路視頻速率通常為2 Mbps,由BRAS按照目標(biāo)用戶的具體數(shù)加以拷貝。組播形式的流量在傳播方向上要遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于單播方式[5-6]。

圖3中顯示為組播與單播流量的對(duì)比。

圖3 組播和單播的流量比較

組播的缺陷是,無法對(duì)流量進(jìn)行負(fù)載均衡處理。由于多媒體組播樹建立時(shí)不是環(huán)路,所以無法實(shí)現(xiàn)負(fù)載均衡處理。而一旦在多媒體組播樹人中的一個(gè)路徑上存在問題,例如數(shù)據(jù)傳輸品質(zhì)較差或者鏈路阻塞,將會(huì)導(dǎo)致對(duì)IPTV視頻信號(hào)多媒體組播轉(zhuǎn)發(fā)的服務(wù)中斷,所以在多媒體組播樹人中就必須對(duì)組播流量進(jìn)行服務(wù)質(zhì)量保證。同時(shí),由于PIM-SM協(xié)議是按照用戶的實(shí)際需求來分配多媒體組播數(shù)據(jù)包,當(dāng)沒有用戶參與組播分組時(shí),組廣播文不占帶寬,因而通過PIM-SM協(xié)議使用的任意源組播(ASM)模式,所有主機(jī)均能夠產(chǎn)生組播分組,同時(shí)接受并傳輸多媒體組播數(shù)據(jù),使得在IPTV服務(wù)的實(shí)施過程中,非法組播資源能夠采用各種方法加入組播域中,這就需要對(duì)組播源加以控制。

3 IPTV承載網(wǎng)QoS設(shè)計(jì)

QoS技術(shù)的主要目的,是為了高效地向客戶提供從發(fā)送端到接收端的高質(zhì)量業(yè)務(wù)或數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)。在IP局域網(wǎng)上,通過QoS技術(shù)提高了網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)分組的效率。應(yīng)用程序?yàn)榱藢?shí)現(xiàn)端到端的數(shù)據(jù)傳輸,必須同時(shí)通過幾個(gè)物理網(wǎng)絡(luò),或經(jīng)過幾個(gè)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。以實(shí)現(xiàn)整體QoS的三種服務(wù)方式:

盡力傳遞服務(wù)模型(Best-effort Service),最大能力把報(bào)文傳遞至目的地,但卻不能解決分組中發(fā)送數(shù)據(jù)包的延時(shí)、抖動(dòng)和丟包等主要提問。

集成業(yè)務(wù)模型(IntServ),該模型是在數(shù)據(jù)傳輸之前，先讓數(shù)據(jù)發(fā)送者與數(shù)據(jù)接收者進(jìn)行溝通，約定好數(shù)據(jù)資源，并且與沿途的交換機(jī)路由器也進(jìn)行約定，直到數(shù)據(jù)傳送完畢，約定才會(huì)解除，該數(shù)據(jù)傳輸方式有高可靠性，但是對(duì)于網(wǎng)絡(luò)資源的占用非常的嚴(yán)重。

區(qū)別于服務(wù)模型(DiffServ),通過邊界路由器,可以按照各種情況對(duì)報(bào)文類型進(jìn)行了劃分,并對(duì)各種形式的報(bào)文給出了不同的QoS支持,此方式所靈活且多樣耗費(fèi)的網(wǎng)絡(luò)資源小。

因網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)類型較多，選用區(qū)別服務(wù)模型。

QoS協(xié)議能作用在二層和三層網(wǎng)絡(luò)上，在二層網(wǎng)絡(luò)中,數(shù)據(jù)交換是以數(shù)據(jù)幀為基本單元的，可能涉及到交換機(jī)、無線接入設(shè)備(AP)、光網(wǎng)絡(luò)模塊(ONU)。而三層網(wǎng)絡(luò)交換需要路由器、三層網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)、光纖終端(OLT)，當(dāng)然也可以配置無線控制器(AC)實(shí)現(xiàn)無線功能。

典型的Qos的網(wǎng)絡(luò)如圖 4所示。

圖4 QoS部署網(wǎng)絡(luò)圖

QoS的執(zhí)行步驟依次為流分類、流量監(jiān)管、流量整形、擁塞管理、擁塞避免。

1)流分類。是交換機(jī)在接收數(shù)據(jù)時(shí)對(duì)數(shù)據(jù)流量的一個(gè)基本區(qū)分，二層網(wǎng)絡(luò)中通常可以通過數(shù)據(jù)報(bào)文中的802.1P字段進(jìn)行區(qū)分，而三層網(wǎng)絡(luò)中，通常使用DSCP來進(jìn)行區(qū)分，即根據(jù)數(shù)據(jù)包中的相應(yīng)字段，通過MAC地址等信息，對(duì)數(shù)據(jù)類型進(jìn)行區(qū)分，主要是網(wǎng)管數(shù)據(jù)、影像數(shù)據(jù)、任務(wù)數(shù)據(jù)。

2)流量監(jiān)管。為了防止終端傳輸至網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)流量異常而實(shí)施的一個(gè)數(shù)據(jù)監(jiān)管，當(dāng)數(shù)據(jù)流量超過設(shè)置的閾值后，會(huì)觸發(fā)信令捅及承諾訪問數(shù)據(jù)(CAR)功能，對(duì)指定數(shù)據(jù)進(jìn)行限流操作。

3)流量整形。因?yàn)樵诹髁勘O(jiān)管中，通常對(duì)超出閾值的流量是進(jìn)行丟棄操作，這樣對(duì)數(shù)據(jù)流量的安全性不能保證，甚至導(dǎo)致數(shù)據(jù)的丟失，因此設(shè)計(jì)了一套流量整形的協(xié)議，該協(xié)議下，只會(huì)對(duì)超閾值數(shù)據(jù)進(jìn)行緩?fù)ㄐ校粫?huì)丟棄。在實(shí)驗(yàn)中采用了通過流量整形技術(shù)(GTS)。

4)擁塞管理。擁塞管理是在數(shù)據(jù)流量進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)或者路由器時(shí)，入口處已經(jīng)發(fā)生堵塞時(shí)的策略設(shè)置，具體的現(xiàn)象可以體現(xiàn)在發(fā)送者與接收者之間的網(wǎng)絡(luò)時(shí)延上，時(shí)延明顯增大，即認(rèn)為發(fā)生了堵塞，這時(shí)候?qū)?shù)據(jù)根據(jù)業(yè)務(wù)區(qū)分為不同數(shù)據(jù)流，根據(jù)設(shè)置的優(yōu)先級(jí)，進(jìn)行優(yōu)先轉(zhuǎn)發(fā)，對(duì)于重要數(shù)據(jù)可以起到有效保證。通常使用優(yōu)先權(quán)序列(PQ)協(xié)議在二層網(wǎng)絡(luò)起作用，采用加權(quán)公平序列(WFQ)在三層起作用。

5)擁塞避免。與擁塞管理不同的是，該部分內(nèi)容是為了預(yù)防擁塞發(fā)生的策略，當(dāng)有擁塞的趨勢(shì)時(shí)就會(huì)起作用，可以調(diào)節(jié)傳輸流量的大小來避免產(chǎn)生擁塞，常用的協(xié)議有隨機(jī)早期檢測(cè)(RED)。

4 IPTV網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化測(cè)試驗(yàn)證

該部分內(nèi)容介紹了如何使用OPNET軟件實(shí)現(xiàn)對(duì)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的仿真實(shí)驗(yàn)，分別對(duì)單播、組播、組播搭配QOS策略進(jìn)行仿真，對(duì)丟包率、時(shí)延和抖動(dòng)等指標(biāo)進(jìn)行比較，從而驗(yàn)證網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化的有效性。

4.1 仿真軟件介紹

網(wǎng)絡(luò)模擬領(lǐng)域,目前較為常用的網(wǎng)絡(luò)模擬軟件包括Berkeley NS,OMNet++,SSFNET,OPNET等,其中較為知名的是美國OPNET公司的OPNET系列模擬軟件,OPNET系統(tǒng)以面向研發(fā)的OPNET Modeler系統(tǒng)為核心,主要應(yīng)用于大中型公司的智能化網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)設(shè)計(jì)涉及、環(huán)境控制等領(lǐng)域,其系統(tǒng)友好度、模擬效率、內(nèi)存消耗等方面都較為突出。

OPNET是一種常見的網(wǎng)絡(luò)仿真技術(shù)軟件的功能包,它能夠更加精確的解析相對(duì)復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的特性和行為,在常見的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)建模中的任何一個(gè)地方都能夠接入自己的標(biāo)準(zhǔn)的建模,或是使用特定的探頭,用于收集特定的數(shù)據(jù)和并按需要進(jìn)行計(jì)算。通過探頭所進(jìn)行的模擬輸出,能夠以圖形化方法呈現(xiàn)、以數(shù)字方式方式進(jìn)行、或是傳遞到第三方類別的軟件包中去。OPNET產(chǎn)品的基本架構(gòu)大致有三種模板組成,能夠給用戶帶來大量的仿真模型庫,在行業(yè),如咨詢服務(wù)、航空、行政部門、航空、工業(yè)系統(tǒng)集成、軍隊(duì)院校、電訊等方面都被應(yīng)用。

4.2 OPNET仿真設(shè)計(jì)

4.2.1 OPNET建模流程

使用OPNET Modeler進(jìn)行仿真一般可按照6個(gè)步驟進(jìn)行：

1)建立網(wǎng)絡(luò)模型。

2)配置網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?Topology)。使用OPNET所提供的向?qū)?以及通過各相關(guān)編輯器進(jìn)行設(shè)置環(huán)境、配置系統(tǒng)以及創(chuàng)建網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湎到y(tǒng)等的工作操作。

3)配置業(yè)務(wù)(Traffic)。通過選定在該系統(tǒng)上工作的應(yīng)用程序并選擇一個(gè)函數(shù),即可向其進(jìn)行系統(tǒng)分配工作量,即可進(jìn)行系統(tǒng)的建模工作。

4)所收集的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)(Statistics)。統(tǒng)計(jì)測(cè)量是用來對(duì)所模擬系統(tǒng)進(jìn)行可靠性檢查和評(píng)估的一句,通過選擇OPNET給出的所有數(shù)據(jù)指標(biāo)進(jìn)行選擇并獲取數(shù)據(jù)量的方法。

5)運(yùn)行仿真(Simulation)。經(jīng)過前三步的操作,雖然一個(gè)模擬環(huán)境場(chǎng)景已基本形成,但必須透過進(jìn)行模擬來獲取仿真運(yùn)行的信息。

6)觀察分析結(jié)果(ViewAndAnalyze Results)。利用對(duì)同一課題的各種情況(對(duì)應(yīng)不同的方案)的模擬數(shù)據(jù)進(jìn)行研究,即可形成研究論文,可以把有關(guān)圖表從OPNET中輸出到文檔中,以便于研究論文的參考。

為驗(yàn)證網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化效果，使用OPNET進(jìn)行仿真。

4.2.2 仿真網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

4.2.2.1 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D設(shè)計(jì)

1)設(shè)計(jì)一臺(tái)服務(wù)器，作為數(shù)據(jù)的發(fā)送端；

2)設(shè)計(jì)15臺(tái)設(shè)備終端，作為數(shù)據(jù)的接收端；

3)鏈路中添加兩臺(tái)路由器，作為數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)及路由選址。

4)鏈路中添加一臺(tái)交換機(jī)，作為15臺(tái)設(shè)備終端的集群中心，使得設(shè)備終端呈現(xiàn)星形。

數(shù)據(jù)運(yùn)行原理設(shè)計(jì)：

1)數(shù)據(jù)從服務(wù)器發(fā)出。

2)經(jīng)過兩臺(tái)路由器，一臺(tái)交換機(jī)，到達(dá)15臺(tái)數(shù)據(jù)終端。

3)15臺(tái)數(shù)據(jù)終端全部接收相同數(shù)據(jù)。

4)仿真數(shù)據(jù)選用每秒15幀，一幀為240*128像素的視頻數(shù)據(jù)。

根據(jù)如上設(shè)計(jì)，選擇網(wǎng)絡(luò)設(shè)備模型見表1。

表1 OPNET網(wǎng)絡(luò)模型選擇

在組播仿真拓?fù)鋱D中，與單播仿真拓?fù)鋱D不同的是，多了一個(gè)QoS管理的模塊：

圖5 組播及QoS仿真拓?fù)鋱D

在網(wǎng)絡(luò)中，各業(yè)務(wù)的帶寬流量見表2。

表2 業(yè)務(wù)流量統(tǒng)計(jì)表

4.2.2.2 仿真組播設(shè)計(jì)

在opnet中配置組播的基本設(shè)計(jì)需要實(shí)現(xiàn)如下功能。

1)配置終端設(shè)備支持組播協(xié)議，以實(shí)現(xiàn)組播組的加入和退出。

2)配置沿途的路由器支持組播協(xié)議，PIM和IGMP協(xié)議，實(shí)現(xiàn)組播成員的加入和退出，以及組播數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)。

3)在某路由器上指定RP，可以指定自動(dòng)或者靜態(tài)RP。動(dòng)態(tài)RP需要啟動(dòng)RP競(jìng)選機(jī)制。

4)配置數(shù)據(jù)發(fā)送端，數(shù)據(jù)發(fā)送目的地是指定組播地址。

5)配置數(shù)據(jù)接收端，從指定組播組接收數(shù)據(jù)。

4.2.2.3 仿真QoS設(shè)計(jì)

1)配置RED策略。

2)配置流量整形，限速2 Mbps。

3)配置 CAR流量監(jiān)視。

4)配置二層PQ協(xié)議，三層WFQ協(xié)議，均基于業(yè)務(wù)區(qū)分流量，即DSCP。

4.3 OPNET配置

4.3.1 應(yīng)用業(yè)務(wù)配置器(Application Config)

1)即圖 5中的IPTV_application。

2)配置應(yīng)用業(yè)務(wù)，可配置屬性包括但不限于，業(yè)務(wù)名稱(Name)，業(yè)務(wù)類型(如配置Video Conferencing)，具體的業(yè)務(wù)屬性(比如Video Conferencing中的每秒的幀數(shù)，每幀的像素?cái)?shù)，決定了每秒的數(shù)據(jù)流量大小，以及該業(yè)務(wù)的網(wǎng)絡(luò)標(biāo)值)。不同的網(wǎng)絡(luò)標(biāo)識(shí)標(biāo)識(shí)了在網(wǎng)絡(luò)種的不同的數(shù)據(jù)流，不同業(yè)務(wù)下就是以網(wǎng)絡(luò)標(biāo)識(shí)區(qū)分不同的數(shù)據(jù)流，即Symbolic Destination Name，如果要用一個(gè)服務(wù)器，給不同客戶端發(fā)送數(shù)據(jù)流，需要配置不同的業(yè)務(wù)，注意要將不同的業(yè)務(wù)配置不同的策略。

3)在單播中需要配置多個(gè)業(yè)務(wù)，而組播中只需要配置一個(gè)業(yè)務(wù)流。

4.3.2 策略配置器

1)即圖 5中的IPTV_profile。

2)配置業(yè)務(wù)的策略，包含但不僅限于具體某業(yè)務(wù)的啟停時(shí)間，多個(gè)業(yè)務(wù)應(yīng)當(dāng)配置不同的策略。

3)一個(gè)業(yè)務(wù)的一個(gè)業(yè)務(wù)流，因此也就只需要配置一個(gè)策略。

4.3.3 服務(wù)器端配置

4.3.3.1 單播配置

1)即圖 5中的iptv_server工作站。

2)服務(wù)器端配置。屬性配置，這里需要至少配置兩部分內(nèi)容，Applicaitions->Application:Destination Preferences(指定某數(shù)據(jù)流的流向，即發(fā)送目的地，在網(wǎng)絡(luò)設(shè)備中選擇)和Applicaitions->Application:Supported Profiles(指定發(fā)送策略，即什么數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)什么時(shí)候發(fā)送，在策略配置器中配置好的策略中選擇)。

4.3.3.2 組播配置

1)包含單播配置。

2)需要配置啟用組播。IP->IP Host Parameters->Multicast Mode，修改值為Enabled。

3)修改目的地址為指定組播地址，如224.0.6.1。Applicaitions->Application:Destination Preferences->Actual Name->Name，修改為224.0.6.1。

4.3.4 客戶端配置

1)即圖 5中的Client_X系列工作站。

2)客戶端配置。屬性配置，主要配置Applicaitions->Application:Supported Services(支持的應(yīng)用層業(yè)務(wù)，在業(yè)務(wù)配置器中配置好的業(yè)務(wù)中選擇)。

3)需要配置啟用組播。IP->IP Host Parameters->Multicast Mode，修改值為Enabled。

4)配置接收數(shù)據(jù)的組播地址。Applicaitions->Application:Multicasting Specification，配置Application Name為video，配置Membership Addresses為組播地址，即224.0.6.1。

4.3.5 路由器配置

1)啟用組播協(xié)議。IP Multicasting->IP Multicast Parameters->Multicast Routing，修改為Enabled。

2)指定使用組播協(xié)議端口。IP Multicasting->IP Multicast Parameters->Interface Information，建議添加所有UP連接著的端口，Status為enable，Routing Protocol(s)為PIM-SM。

3)啟用PIM協(xié)議。IP Multicasting->PIM Parameters->Status，修改為Enabled。

4)指定使用PIM協(xié)議的端口。IP Multicasting->PIM Parameters->Interface Information。建議添加所有UP連接著的端口，Version為2。

5)指定使用IGMP協(xié)議的端口。IP Multicasting->IGMP Parameters->Interface Information。建議添加所有UP連接著的端口，Status為Enabled， Version為2。

6)配置動(dòng)態(tài)RP。IP Multicasting->PIM Parameters->Auto-RP Configuration下作幾處修改，啟用動(dòng)態(tài)RP，修改Discover為Enabled，啟用映射，Map Configuration->Status為Enabled，Candidate RP Configuration下添加一行，配置Status為Enabled，Address/Interface的值，需要指定某個(gè)連接的端口，可以是這個(gè)端口的名稱，也可以是端口的IP，Candidate RP Configuration->Group Filter Configuration->Groups下添加組播組的地址，比如填寫224.0.6.1/32，添加掩碼。

4.3.6 QoS配置

1)添加QoS配置器，即QoS Attribute Config。見圖 5中的IPTV_QoS。

2)修改FIFO策略為RED。修改QoS配置器的屬性，F(xiàn)IFO Profiles->FIFO Profile->Details->RED Parameters，選擇RED。

3)修改需要配置QoS策略的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，選擇配置在路由器的連接服務(wù)器的端口上。與服務(wù)器連接的路由器端口為IF2，將QoS的配置，配置在端口上。IP->IP QoS Parameters->Interface Information。

4.4 網(wǎng)絡(luò)測(cè)試結(jié)果

4.4.1 服務(wù)器發(fā)送流量比較

以相同硬件環(huán)境仿真運(yùn)行三十分鐘，在單播模式下，和以組播加QoS模式下的數(shù)據(jù)發(fā)送情況相比較，組播加QoS模式的數(shù)據(jù)發(fā)送流量約為單播模式下的九分之一，可見組播加QoS模式下，對(duì)帶寬占用更少。紅線為單播模式，藍(lán)線為組播加QoS模式。

圖6 數(shù)據(jù)總流量前后對(duì)比，單位為包數(shù)每秒

圖7 數(shù)據(jù)視頻流量前后對(duì)比，單位為位每秒

4.4.2 終端接收數(shù)據(jù)情況比較

以相同硬件環(huán)境仿真運(yùn)行三十分鐘。比較數(shù)據(jù)接收情況，可以看見，在本次仿真中，單播和組播的數(shù)據(jù)接收情況幾乎一致，可以認(rèn)為在本次仿真實(shí)驗(yàn)中，兩者丟包情況一致，達(dá)到的效果一致。

圖8 數(shù)據(jù)接收端數(shù)據(jù)接收情況

4.4.3 時(shí)延抖動(dòng)比較

以相同硬件環(huán)境仿真運(yùn)行三十分鐘。比較時(shí)延方差，可以作為時(shí)延抖動(dòng)的依據(jù)，可以看見組播加QoS模式的抖動(dòng)幾乎為0，可以認(rèn)為該模式的時(shí)延抖動(dòng)遠(yuǎn)小于單播。紅線為單播模式，藍(lán)線為組播加QoS模式。

圖9 時(shí)延抖動(dòng)前后對(duì)比

4.4.4 時(shí)延值大小比較

以相同硬件環(huán)境仿真運(yùn)行三十分鐘，比較時(shí)延，可以發(fā)現(xiàn)單播模式的時(shí)延值大約為組播加QoS模式的8倍，因此組播加QoS模式時(shí)延遠(yuǎn)小于單播。紅線為單播模式，藍(lán)線為組播加QoS模式。

圖10 時(shí)延大小前后對(duì)比

5 結(jié)束語

用于承擔(dān)多種功能的試驗(yàn)任務(wù)IP網(wǎng)絡(luò),在網(wǎng)絡(luò)層和數(shù)據(jù)鏈路層的QoS功能是緩解網(wǎng)絡(luò)擁擠唯一可行的方法。本章主要講述了使用OPNET網(wǎng)絡(luò)的仿真軟件,以及構(gòu)建基于組播和QoS技術(shù)的IPTV服務(wù)支撐網(wǎng)的基本流程,并分析仿真結(jié)果。網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行組播和QoS處理時(shí),對(duì)IPTV承載網(wǎng)的大部分網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)進(jìn)行了優(yōu)化和調(diào)整,為業(yè)務(wù)網(wǎng)的主要服務(wù)內(nèi)容節(jié)約了大量網(wǎng)絡(luò)資源。在這里探討了一個(gè)IP地址、VLAN和MAC物理地址的大流量QoS網(wǎng)絡(luò)架構(gòu),也為今后IPTV業(yè)務(wù)的維護(hù)提供了在一個(gè)大型廣域網(wǎng)中不同網(wǎng)絡(luò)接入環(huán)境下的優(yōu)化維護(hù)方案。