作者：陳玉花，張治中，杜西亞

以IPTV測(cè)試儀的網(wǎng)絡(luò)層測(cè)試功能為研究背景，介紹了IPTV的整體設(shè)計(jì)框架、網(wǎng)絡(luò)層測(cè)試指標(biāo)的算法設(shè)計(jì)，并在此基礎(chǔ)上探討了利用IP流量發(fā)生器測(cè)試這些指標(biāo)的設(shè)計(jì)方案。分析了方案中先進(jìn)的主從機(jī)模式和高效的流量產(chǎn)生算法及調(diào)度算法，給出了測(cè)試方案的仿真結(jié)果。結(jié)果表明，方案思路清晰、穩(wěn)定可靠。此方案已應(yīng)用于IPTV測(cè)試儀中，效果良好。

隨著數(shù)字媒體娛樂(lè)的興起，IPTV吸引了業(yè)界眾多眼球，成為全球電信業(yè)投資重點(diǎn)之一。IPTV業(yè)務(wù)是伴隨著寬帶互聯(lián)網(wǎng)的飛速發(fā)展而興起的一項(xiàng)新興的互聯(lián)網(wǎng)增值業(yè)務(wù)，它利用寬帶互聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)設(shè)施，以家用電視機(jī)和電腦作為主要終端，利用網(wǎng)絡(luò)機(jī)頂盒STB（Set-TopBox），通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議來(lái)傳送電視信號(hào)，提供包括電視節(jié)目在內(nèi)的多種數(shù)字媒體服務(wù)。IPTV簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)就是交互式網(wǎng)絡(luò)電視，它能為用戶提供電信級(jí)的服務(wù)和使用簡(jiǎn)便的電視式體驗(yàn)。然而，在融合的環(huán)境中，使用IPTV這樣的應(yīng)用，服務(wù)質(zhì)量和性能測(cè)試顯得比以往更加重要。因此，IPTV測(cè)試儀應(yīng)運(yùn)而生。

IPTV測(cè)試儀網(wǎng)絡(luò)層質(zhì)量測(cè)試，主要指?jìng)鹘y(tǒng)IP網(wǎng)絡(luò)層的性能指標(biāo)，根據(jù)ITU-T Y.1540［3］建議，主要為IP丟包率、IP包時(shí)延、IP包抖動(dòng)及其相關(guān)參數(shù)。IPTV用戶最為注重的就是服務(wù)質(zhì)量，而網(wǎng)絡(luò)的時(shí)延、抖動(dòng)和丟包將導(dǎo)致圖像斑點(diǎn)和馬賽克、圖片模糊和邊緣失真、音頻中斷以及通道更改延遲等，嚴(yán)重影響了服務(wù)質(zhì)量。因此，本文對(duì)網(wǎng)絡(luò)層指標(biāo)的測(cè)試設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)的研究具有重要意義。

1 測(cè)試儀的整體框架

IPTV測(cè)試儀由軟件和硬件兩部分組成，而對(duì)網(wǎng)絡(luò)層的測(cè)試，主要由硬件部分FPGA模塊的IP流量發(fā)生器實(shí)現(xiàn)，如圖1所示。

本文研究的IPTV測(cè)試儀網(wǎng)絡(luò)層測(cè)試，采用了單MAC主從機(jī)測(cè)試模式進(jìn)行主動(dòng)測(cè)試，利用IP流量發(fā)生器自發(fā)自收IP包，分析相應(yīng)的時(shí)間戳和包數(shù)量等參數(shù)，由此計(jì)算IP包的時(shí)延、抖動(dòng)和丟包率。

2 網(wǎng)絡(luò)層測(cè)試指標(biāo)算法設(shè)計(jì)

IPTV測(cè)試儀網(wǎng)絡(luò)層的測(cè)試指標(biāo)主要包括丟包率、時(shí)延、抖動(dòng)及其相關(guān)參數(shù)。

2.1 時(shí)延和抖動(dòng)算法設(shè)計(jì)

在測(cè)試中，時(shí)延是指測(cè)試儀發(fā)送測(cè)試包與接收測(cè)試包的時(shí)間的差值。當(dāng)音頻和視頻IP包離開(kāi)發(fā)送端時(shí)，按照規(guī)則的間隔均勻地排列。在通過(guò)網(wǎng)絡(luò)之后，這一均勻的間隔因不同的時(shí)延大小而遭到破壞，從而產(chǎn)生抖動(dòng)。抖動(dòng)會(huì)導(dǎo)致目標(biāo)終端上音頻和視頻流的不連貫性。

測(cè)試時(shí)，在發(fā)送的IP 包中加上發(fā)送時(shí)間戳，在接收時(shí)提取IP包中的時(shí)間戳，同時(shí)記錄接收時(shí)間，接收和發(fā)送的時(shí)間的差值即統(tǒng)計(jì)時(shí)延。

假設(shè)發(fā)送IP包的時(shí)間戳為SentTimei，接收時(shí)間為RecvTimei，i為計(jì)算時(shí)延值Delayi和抖動(dòng)值Jitteri的個(gè)數(shù)。為了使計(jì)算更為精確，采用概率的統(tǒng)計(jì)平均算法，取前2m（m=0、1…16，可設(shè)置）個(gè)值計(jì)算平均值，作為預(yù)估平均值，即為所求的時(shí)延值和抖動(dòng)值。具體算法如下：

2.2 丟包率算法設(shè)計(jì)

丟包對(duì)視頻播放質(zhì)量有直接的影響，發(fā)生IP數(shù)據(jù)包丟失可能基于多個(gè)原因，如帶寬限制、網(wǎng)絡(luò)擁塞、鏈路故障以及傳輸錯(cuò)誤。數(shù)據(jù)包丟失通常代表了一種突發(fā)式行為，經(jīng)常與網(wǎng)絡(luò)擁塞時(shí)段相關(guān)聯(lián)。

丟包率是指測(cè)試中所丟失數(shù)據(jù)包數(shù)量占所發(fā)送數(shù)據(jù)包的比率，通常在吞吐量范圍內(nèi)測(cè)試。假設(shè)第j次主測(cè)試儀發(fā)送IP包的個(gè)數(shù)為IPSentj，接收回來(lái)的包為IPRecvj，則丟包率IPLostj為：

以上網(wǎng)絡(luò)層指標(biāo)的測(cè)試，采取主動(dòng)測(cè)試模式，利用IP流量發(fā)生器來(lái)完成。

3 測(cè)試方案設(shè)計(jì)

3.1主從機(jī)測(cè)試模式

普通測(cè)試儀采用的雙MAC單機(jī)測(cè)試模式，只能測(cè)試單個(gè)網(wǎng)絡(luò)，測(cè)試距離短、范圍小。IPTV測(cè)試儀網(wǎng)絡(luò)層測(cè)試采用的是單MAC主從機(jī)測(cè)試模式，可遠(yuǎn)距離跨網(wǎng)測(cè)試，比單機(jī)測(cè)試模式測(cè)試距離更長(zhǎng)，范圍更廣，精確度更高。

IPTV測(cè)試儀在測(cè)試網(wǎng)絡(luò)層指標(biāo)時(shí)，可作為主機(jī)發(fā)送IP包，可作為從機(jī)轉(zhuǎn)發(fā)IP包，也可同時(shí)作為主機(jī)和從機(jī)，同時(shí)發(fā)送接收和轉(zhuǎn)發(fā)IP包。如圖2所示。

測(cè)試儀A和測(cè)試儀B測(cè)試網(wǎng)絡(luò)1，測(cè)試儀B和測(cè)試儀C測(cè)試網(wǎng)絡(luò)2。其中A選擇主機(jī)狀態(tài)，發(fā)送接收IP包，分析測(cè)試指標(biāo)。C選擇從機(jī)狀態(tài)轉(zhuǎn)發(fā)B發(fā)送的IP包給B。而B則同時(shí)作為A的從機(jī)和C的主機(jī)，負(fù)責(zé)發(fā)送和接收給C的IP包，同時(shí)轉(zhuǎn)發(fā)回A發(fā)送來(lái)的IP包。

主從機(jī)通信流程圖如圖3所示。

首先主機(jī)A發(fā)送連接請(qǐng)求消息，從機(jī)B回復(fù)連接響應(yīng)消息。收到回復(fù)后，主機(jī)A發(fā)送連接建立完成消息并發(fā)送加上發(fā)送時(shí)間戳的IP包，從機(jī)B接收并轉(zhuǎn)發(fā)回IP包給主機(jī)A。主機(jī)A根據(jù)返回IP包的數(shù)據(jù)計(jì)算時(shí)延抖動(dòng)和丟包率。

3.2 整體設(shè)計(jì)

測(cè)試儀的主從機(jī)測(cè)試模式以及測(cè)試指標(biāo)參數(shù)提取是采用IP流量發(fā)生器實(shí)現(xiàn)的。其主要由控制模塊、同步模塊、響應(yīng)模塊、ARP/RARP模塊、轉(zhuǎn)發(fā)模塊、IP流量發(fā)生模塊、自身IP包處理模塊、發(fā)送模塊、發(fā)送調(diào)度模塊、接收模塊、接收調(diào)度模塊等組成。具體方案設(shè)計(jì)如圖4所示。

控制模塊負(fù)責(zé)IP流量發(fā)生器與CPU的交互，并控制測(cè)試儀處于何種狀態(tài)：主機(jī)狀態(tài)、從機(jī)狀態(tài)、主從機(jī)狀態(tài)；ARP/RARP模塊主要負(fù)責(zé)ARP/RARP包的處理；同步模塊負(fù)責(zé)主機(jī)向從機(jī)發(fā)送連接請(qǐng)求；響應(yīng)模塊負(fù)責(zé)從機(jī)向主機(jī)發(fā)送響應(yīng)信息；轉(zhuǎn)發(fā)模塊完成主機(jī)發(fā)送來(lái)的IP包的轉(zhuǎn)發(fā)；IP流量發(fā)生模塊產(chǎn)生主機(jī)要發(fā)送的IP包；自身IP包處理模塊完成對(duì)從機(jī)轉(zhuǎn)發(fā)回的IP包進(jìn)行分析處理，提取網(wǎng)絡(luò)測(cè)試指標(biāo)參數(shù)；接收模塊完成網(wǎng)絡(luò)上各種測(cè)試包的接收；接收調(diào)度模塊調(diào)度接收到的測(cè)試包發(fā)送到相應(yīng)的模塊處理，如將ARP包送到ARP模塊；發(fā)送模塊負(fù)責(zé)將各種測(cè)試包發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)；發(fā)送調(diào)度模塊完成各個(gè)模塊測(cè)試包的發(fā)送順序。

3.3 IP流量發(fā)生方案

IP流量發(fā)生模塊是整個(gè)IP流量發(fā)生器最重要的模塊。用戶在進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)層測(cè)試時(shí)，啟動(dòng)IP流量發(fā)生器。用戶輸入每秒產(chǎn)生的IP包的個(gè)數(shù)、IP包的長(zhǎng)度、IP包的類型、目的IP地址等關(guān)鍵參數(shù)。IP流量發(fā)生模塊根據(jù)這些信息生成IP流量。

發(fā)送的IP包的生成采用“定點(diǎn)填充、規(guī)律生成”的方案，即一些關(guān)鍵信息如測(cè)試時(shí)間、IP頭長(zhǎng)度、IP包總長(zhǎng)度等在IP包中分配有固定的位置，且取值會(huì)對(duì)測(cè)試結(jié)果產(chǎn)生影響。對(duì)于這樣的信息就要根據(jù)IP包的類型和用戶填寫的信息填充到固定的位置。如圖5中的偽碼所示。

而IP包承載的一些數(shù)據(jù)信息可以是任何隨意的值，取值多少對(duì)測(cè)試結(jié)果不會(huì)產(chǎn)生影響。對(duì)于這些信息，為了避免出現(xiàn)全0，將按一定規(guī)律產(chǎn)生。如偽碼中所示，最高8位為一個(gè)固定前綴ti，低8位為位置偏移量的值offset（以4字節(jié)為單位）。當(dāng)offset=x‘01F4’ 時(shí)，ti《=ti+1。這樣規(guī)律產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，便于測(cè)試時(shí)檢查傳輸數(shù)據(jù)的正確性和糾錯(cuò)。

3.4 調(diào)度算法設(shè)計(jì)

在IPTV測(cè)試儀的IP流量發(fā)生器中主要有2個(gè)重要的調(diào)度：接收調(diào)度和發(fā)送調(diào)度。測(cè)試儀處于不同的狀態(tài)時(shí)，采用不同的調(diào)度算法。現(xiàn)在以調(diào)度最為復(fù)雜的主從機(jī)狀態(tài)為例，介紹2個(gè)重要調(diào)度的算法設(shè)計(jì)。

（1） 接收調(diào)度

接收模塊接收的測(cè)試包有4種可能：ARP/RARP包、作為從機(jī)要轉(zhuǎn)發(fā)的包、應(yīng)主機(jī)同步包的響應(yīng)包、作為主機(jī)接收回的自身的IP包。

接收調(diào)度就是判斷測(cè)試包的類型，接收的是哪種類型的測(cè)試包就送到相應(yīng)的處理模塊進(jìn)行處理。

（2）發(fā)送調(diào)度

相對(duì)接收調(diào)度，發(fā)送調(diào)度要復(fù)雜很多。因?yàn)闇y(cè)試儀同時(shí)處于主機(jī)和從機(jī)狀態(tài)，它要發(fā)送的測(cè)試包有：ARP/RARP包、作為主機(jī)自身產(chǎn)生的IP包、請(qǐng)求從機(jī)建立連接的同步包、作為從機(jī)要轉(zhuǎn)發(fā)回去的IP包。但是幾種測(cè)試包可能都在等待發(fā)送。因此發(fā)送調(diào)度模塊采用了“先來(lái)先服務(wù)，同在看級(jí)別”的算法思想。

發(fā)送模塊主要調(diào)度4種測(cè)試包的發(fā)送。當(dāng)4種IP包到來(lái)時(shí)間不同時(shí)，且每次只有1種包需要發(fā)送時(shí)，則采用先來(lái)先服務(wù)FCFS（First Come First Serve）調(diào)度算法，哪種測(cè)試包先到達(dá)，調(diào)度模塊則將其送到發(fā)送模塊發(fā)送。當(dāng)有2種或3種測(cè)試包在同時(shí)等待發(fā)送時(shí)，根據(jù)其優(yōu)先級(jí)排隊(duì)發(fā)送，優(yōu)先發(fā)送級(jí)別高的測(cè)試包，然后發(fā)送級(jí)別低的測(cè)試包。本方案中ARP/RARP包的級(jí)別最高為1，同步包次之為2，轉(zhuǎn)發(fā)的IP包級(jí)別為3，自身IP流量發(fā)生的IP包的級(jí)別最低為4。即如果3種包同時(shí)需要發(fā)送時(shí)，優(yōu)先發(fā)送ARP包。

這種算法思想結(jié)合了經(jīng)典的先來(lái)先服務(wù)調(diào)度算法和優(yōu)先級(jí)調(diào)度算法的優(yōu)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了發(fā)送模塊的最優(yōu)調(diào)度。

4 仿真結(jié)果及分析

測(cè)試時(shí)，IP流量發(fā)生器接收用戶輸入的數(shù)據(jù)，根據(jù)這些數(shù)據(jù)產(chǎn)生IP包，發(fā)送模塊在和從機(jī)建立連接后，按一定的幀間隔發(fā)送IP包，并在IP包頭后打上發(fā)送時(shí)間戳。接收模塊接收轉(zhuǎn)發(fā)回來(lái)的IP包，記錄每個(gè)IP包的時(shí)延，并統(tǒng)計(jì)接收到的IP包個(gè)數(shù)，送到上層應(yīng)用程序進(jìn)行計(jì)算。

為了便于觀察測(cè)試結(jié)果，測(cè)試輸入如下：選擇主機(jī)狀態(tài)，發(fā)送時(shí)鐘周期選擇20 ns，1 s發(fā)送50 000個(gè)IP包，發(fā)送間隔為3個(gè)時(shí)鐘周期，IP包頭長(zhǎng)度為20個(gè)字節(jié)，總長(zhǎng)度為64字節(jié)，沒(méi)有分片。主機(jī)IP地址為10.11.107.75（十六進(jìn)制表示為0A0B6B4B），從機(jī)IP地址為10.11.105.34（十六進(jìn)制表示為0A0B6922）。發(fā)送時(shí)間戳存放在IP包頭的目的IP地址后。發(fā)送和接收模塊的仿真圖如圖6所示。

從圖中可以看到，接收到的發(fā)送模塊發(fā)送的IP包包頭數(shù)據(jù)與用戶輸入數(shù)據(jù)完全吻合，且IP包數(shù)據(jù)完全按照IP流量產(chǎn)生算法規(guī)律產(chǎn)生。接收模塊接收到的目的IP地址與發(fā)送模塊的源IP地址相同都為主機(jī)的IP地址，說(shuō)明主從機(jī)連接成功，通信正常。

FPGA模塊有一個(gè)公共時(shí)鐘計(jì)數(shù)器，以時(shí)鐘計(jì)數(shù)器值作為時(shí)間戳，接收和發(fā)送時(shí)的計(jì)數(shù)器值的差值，乘上時(shí)鐘周期即為所求時(shí)延。統(tǒng)計(jì)接收到的IP包的個(gè)數(shù)，在開(kāi)始接收時(shí)鐘與當(dāng)前時(shí)鐘差值等于時(shí)鐘頻率時(shí)，即接收開(kāi)始1 s后，輸出和1 s鐘丟包個(gè)數(shù)，時(shí)間未到時(shí)丟包個(gè)數(shù)保持為0。從圖5可以看到，接收模塊收到的第6個(gè)IP包的發(fā)送時(shí)間為0x000001F4，接收時(shí)鐘為 0x000061AB，時(shí)延為124 500（0X00005FB4）個(gè)時(shí)鐘周期。在未到1 s時(shí)，丟包個(gè)數(shù)保持為0。

測(cè)試結(jié)果與預(yù)期結(jié)果完全一致。同時(shí)，經(jīng)示波器測(cè)試，測(cè)試結(jié)果與仿真結(jié)果基本一致。

本文首先介紹了IPTV測(cè)試儀的整體框架;然后分析了網(wǎng)絡(luò)層測(cè)試指標(biāo)算法，提出了利用IP流量發(fā)生器實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)層測(cè)試的的設(shè)計(jì)方案;最后將方案在仿真軟件上進(jìn)行測(cè)試和仿真，并給出了部分結(jié)果。測(cè)試表明，本方案思路清晰，實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，程序穩(wěn)定可靠。本方案已應(yīng)用到“重郵東電IPTV測(cè)試儀”中，測(cè)試效果良好。

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