摘??要： 以IPTV測試儀的網(wǎng)絡層測試功能為研究背景，介紹了IPTV的整體設計框架、網(wǎng)絡層測試指標的算法設計，并在此基礎上探討了利用 IP流量發(fā)生器測試這些指標的設計方案。分析了方案中先進的主從機模式和高效的流量產(chǎn)生算法及調(diào)度算法，給出了測試方案的仿真結(jié)果。結(jié)果表明，方案思路清晰、穩(wěn)定可靠。此方案已應用于IPTV測試儀中，效果良好。
關鍵詞：網(wǎng)絡層指標； IP流量發(fā)生；主從機模式；調(diào)度算法； IPTV測試儀
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隨著數(shù)字媒體娛樂的興起，IPTV吸引了業(yè)界眾多眼球[1-3]，成為全球電信業(yè)投資重點之一。IPTV業(yè)務是伴隨著寬帶互聯(lián)網(wǎng)的飛速發(fā)展而興起的一項新興的互聯(lián)網(wǎng)增值業(yè)務，它利用寬帶互聯(lián)網(wǎng)的基礎設施，以家用電視機和電腦作為主要終端，利用網(wǎng)絡機頂盒STB(Set-TopBox)，通過互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議來傳送電視信號，提供包括電視節(jié)目在內(nèi)的多種數(shù)字媒體服務。IPTV簡單來說就是交互式網(wǎng)絡電視[2-5]，它能為用戶提供電信級的服務和使用簡便的電視式體驗。然而，在融合的環(huán)境中，使用IPTV這樣的應用，服務質(zhì)量和性能測試顯得比以往更加重要。因此，IPTV測試儀應運而生。
IPTV測試儀網(wǎng)絡層質(zhì)量測試，主要指傳統(tǒng)IP網(wǎng)絡層的性能指標，根據(jù)ITU-T Y.1540[3]建議，主要為IP丟包率、IP包時延、IP包抖動及其相關參數(shù)。IPTV用戶最為注重的就是服務質(zhì)量，而網(wǎng)絡的時延、抖動和丟包將導致圖像斑點和馬賽克、圖片模糊和邊緣失真、音頻中斷以及通道更改延遲等，嚴重影響了服務質(zhì)量。因此,本文對網(wǎng)絡層指標的測試設計與實現(xiàn)的研究具有重要意義[1-8]。
1 測試儀的整體框架
IPTV測試儀由軟件和硬件兩部分組成，而對網(wǎng)絡層的測試，主要由硬件部分FPGA模塊的IP流量發(fā)生器實現(xiàn)，如圖1所示。
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本文研究的IPTV測試儀網(wǎng)絡層測試，采用了單MAC主從機測試模式進行主動測試，利用IP流量發(fā)生器自發(fā)自收IP包，分析相應的時間戳和包數(shù)量等參數(shù)，由此計算IP包的時延、抖動和丟包率。
2 網(wǎng)絡層測試指標算法設計
IPTV測試儀網(wǎng)絡層的測試指標主要包括丟包率、時延、抖動及其相關參數(shù)。
2.1 時延和抖動算法設計
在測試中，時延是指測試儀發(fā)送測試包與接收測試包的時間的差值。當音頻和視頻IP包離開發(fā)送端時，按照規(guī)則的間隔均勻地排列。在通過網(wǎng)絡之后，這一均勻的間隔因不同的時延大小而遭到破壞，從而產(chǎn)生抖動。抖動會導致目標終端上音頻和視頻流的不連貫性。
測試時，在發(fā)送的IP 包中加上發(fā)送時間戳，在接收時提取IP包中的時間戳，同時記錄接收時間，接收和發(fā)送的時間的差值即統(tǒng)計時延。
假設發(fā)送IP包的時間戳為SentTimei，接收時間為RecvTimei，i為計算時延值Delayi和抖動值Jitteri的個數(shù)。為了使計算更為精確，采用概率的統(tǒng)計平均算法，取前2m(m=0、1…16,可設置)個值計算平均值,作為預估平均值,即為所求的時延值和抖動值。具體算法如下：
2.2 丟包率算法設計
丟包對視頻播放質(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原因,如帶寬限制、網(wǎng)絡擁塞、鏈路故障以及傳輸錯誤。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)絡擁塞時段相關聯(lián)。
丟包率是指測試中所丟失數(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)測試。假設第j次主測試儀發(fā)送IP包的個數(shù)為IPSentj，接收回來的包為IPRecvj，則丟包率IPLostj為：
為了使計算更為精確，采用概率的統(tǒng)計平均算法，取前2m(m=0、1…16,可設置)個值計算平均值,作為預估平均值，即為所求的丟包率。
以上網(wǎng)絡層指標的測試，采取主動測試模式，利用IP流量發(fā)生器來完成。
3 測試方案設計
3.1主從機測試模式
普通測試儀采用的雙MAC單機測試模式，只能測試單個網(wǎng)絡，測試距離短、范圍小。IPTV測試儀網(wǎng)絡層測試采用的是單MAC主從機測試模式,可遠距離跨網(wǎng)測試，比單機測試模式測試距離更長，范圍更廣，精確度更高。
IPTV測試儀在測試網(wǎng)絡層指標時，可作為主機發(fā)送IP包，可作為從機轉(zhuǎn)發(fā)IP包，也可同時作為主機和從機，同時發(fā)送接收和轉(zhuǎn)發(fā)IP包。如圖2所示。
測試儀A和測試儀B測試網(wǎng)絡1，測試儀B和測試儀C測試網(wǎng)絡2。其中A選擇主機狀態(tài)，發(fā)送接收IP包，分析測試指標。C選擇從機狀態(tài)轉(zhuǎn)發(fā)B發(fā)送的IP包給B。而B則同時作為A的從機和C的主機，負責發(fā)送和接收給C的IP包，同時轉(zhuǎn)發(fā)回A發(fā)送來的IP包。
主從機通信流程圖如圖3所示。
首先主機A發(fā)送連接請求消息，從機B回復連接響應消息。收到回復后，主機A發(fā)送連接建立完成消息并發(fā)送加上發(fā)送時間戳的IP包，從機B接收并轉(zhuǎn)發(fā)回IP包給主機A。主機A根據(jù)返回IP包的數(shù)據(jù)計算時延抖動和丟包率。
3.2 整體設計
測試儀的主從機測試模式以及測試指標參數(shù)提取是采用IP流量發(fā)生器實現(xiàn)的。其主要由控制模塊、 同步模塊、響應模塊、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。具體方案設計如圖4所示。
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控制模塊負責IP流量發(fā)生器與CPU的交互，并控制測試儀處于何種狀態(tài)：主機狀態(tài)、從機狀態(tài)、主從機狀態(tài)；ARP/RARP模塊主要負責ARP/RARP包的處理；同步模塊負責主機向從機發(fā)送連接請求；響應模塊負責從機向主機發(fā)送響應信息；轉(zhuǎn)發(fā)模塊完成主機發(fā)送來的IP包的轉(zhuǎn)發(fā)；IP流量發(fā)生模塊產(chǎn)生主機要發(fā)送的IP包；自身IP包處理模塊完成對從機轉(zhuǎn)發(fā)回的IP包進行分析處理，提取網(wǎng)絡測試指標參數(shù)；接收模塊完成網(wǎng)絡上各種測試包的接收；接收調(diào)度模塊調(diào)度接收到的測試包發(fā)送到相應的模塊處理，如將ARP包送到ARP模塊；發(fā)送模塊負責將各種測試包發(fā)送到網(wǎng)絡；發(fā)送調(diào)度模塊完成各個模塊測試包的發(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IP流量發(fā)生器最重要的模塊。用戶在進行網(wǎng)絡層測試時，啟動IP流量發(fā)生器。用戶輸入每秒產(chǎn)生的IP包的個數(shù)、IP包的長度、IP包的類型、目的IP地址等關鍵參數(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“定點填充、規(guī)律生成”的方案，即一些關鍵信息如測試時間、IP頭長度、IP包總長度等在IP包中分配有固定的位置，且取值會對測試結(jié)果產(chǎn)生影響。對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，取值多少對測試結(jié)果不會產(chǎn)生影響。對于這些信息，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offset=x'01F4' 時，ti<=ti+1。這樣規(guī)律產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，便于測試時檢查傳輸數(shù)據(jù)的正確性和糾錯。
3.4 調(diào)度算法設計
在IPTV測試儀的IP流量發(fā)生器中主要有2個重要的調(diào)度：接收調(diào)度和發(fā)送調(diào)度。測試儀處于不同的狀態(tài)時，采用不同的調(diào)度算法。現(xiàn)在以調(diào)度最為復雜的主從機狀態(tài)為例，介紹2個重要調(diào)度的算法設計。
(1) 接收調(diào)度
接收模塊接收的測試包有4種可能：ARP/RARP包、作為從機要轉(zhuǎn)發(fā)的包、應主機同步包的響應包、作為主機接收回的自身的IP包。
接收調(diào)度就是判斷測試包的類型，接收的是哪種類型的測試包就送到相應的處理模塊進行處理。
(2)發(fā)送調(diào)度
相對接收調(diào)度，發(fā)送調(diào)度要復雜很多。因為測試儀同時處于主機和從機狀態(tài)，它要發(fā)送的測試包有：ARP/RARP包、作為主機自身產(chǎn)生的IP包、請求從機建立連接的同步包、作為從機要轉(zhuǎn)發(fā)回去的IP包。但是幾種測試包可能都在等待發(fā)送。因此發(fā)送調(diào)度模塊采用了“先來先服務，同在看級別”的算法思想。
發(fā)送模塊主要調(diào)度4種測試包的發(fā)送。當4種IP包到來時間不同時，且每次只有1種包需要發(fā)送時，則采用先來先服務FCFS(First Come First Serve)調(diào)度算法,哪種測試包先到達，調(diào)度模塊則將其送到發(fā)送模塊發(fā)送。當有2種或3種測試包在同時等待發(fā)送時，根據(jù)其優(yōu)先級排隊發(fā)送，優(yōu)先發(fā)送級別高的測試包，然后發(fā)送級別低的測試包。本方案中ARP/RARP包的級別最高為1，同步包次之為2，轉(zhuǎn)發(fā)的IP包級別為3，自身IP流量發(fā)生的IP包的級別最低為4。即如果3種包同時需要發(fā)送時，優(yōu)先發(fā)送ARP包。
這種算法思想結(jié)合了經(jīng)典的先來先服務調(diào)度算法和優(yōu)先級調(diào)度算法的優(yōu)點，實現(xiàn)了發(fā)送模塊的最優(yōu)調(diào)度。
4 仿真結(jié)果及分析
測試時，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)送時間戳。接收模塊接收轉(zhuǎn)發(fā)回來的IP包，記錄每個IP包的時延，并統(tǒng)計接收到的IP包個數(shù)，送到上層應用程序進行計算。
為了便于觀察測試結(jié)果，測試輸入如下：選擇主機狀態(tài)，發(fā)送時鐘周期選擇20 ns，1 s發(fā)送50 000個IP包，發(fā)送間隔為3個時鐘周期，IP包頭長度為20個字節(jié)，總長度為64字節(jié)，沒有分片。主機IP地址為10.11.107.75(十六進制表示為0A0B6B4B），從機IP地址為10.11.105.34（十六進制表示為0A0B6922）。發(fā)送時間戳存放在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地址相同都為主機的IP地址，說明主從機連接成功，通信正常。
FPGA模塊有一個公共時鐘計數(shù)器，以時鐘計數(shù)器值作為時間戳，接收和發(fā)送時的計數(shù)器值的差值，乘上時鐘周期即為所求時延。統(tǒng)計接收到的IP包的個數(shù)，在開始接收時鐘與當前時鐘差值等于時鐘頻率時，即接收開始1 s后，輸出和1 s鐘丟包個數(shù)，時間未到時丟包個數(shù)保持為0。從圖5可以看到，接收模塊收到的第6個IP包的發(fā)送時間為0x000001F4，接收時鐘為0x000061AB，時延為124 500(0X00005FB4)個時鐘周期。在未到1 s時，丟包個數(shù)保持為0。
測試結(jié)果與預期結(jié)果完全一致。同時，經(jīng)示波器測試，測試結(jié)果與仿真結(jié)果基本一致。
本文首先介紹了IPTV測試儀的整體框架;然后分析了網(wǎng)絡層測試指標算法，提出了利用IP流量發(fā)生器實現(xiàn)網(wǎng)絡層測試的的設計方案;最后將方案在仿真軟件上進行測試和仿真，并給出了部分結(jié)果。測試表明,本方案思路清晰，實現(xiàn)簡單，程序穩(wěn)定可靠。本方案已應用到“重郵東電IPTV測試儀”中，測試效果良好。
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