传输控制协议网络系统中卫星链路模拟器的设计

1概述

一种用于测量和控制的TCP/IP网络系统传输多媒体信息，包括视频、语音和实时数据。由于系统运行在不可达的环境中，其业务承载能力和传输质量的评估需要在仿真系统上进行，包括搭建网络实验平台、设计合理的测量方法、开发综合软件进行性能测试。通过在仿真平台上测量信号传输质量和网络性能，整理分析测试数据，设计实际网络配置，评估实际网络性能。该网络包括具有长链路的卫星接入信道，并且传输速率可以任意设置。

为了实现上述目标，开展了以下工作：搭建具有大延迟特性和莱斯噪声的卫星仿真链路的仿真网络实验平台；接入带宽可以手动设置，最大传输速率2Mb/s，可变速率n？64KB/s；模拟接入多路数字视频和语音，通过增加或减少服务数量来控制网络后台流量；(3)在一定的背景流量条件下，通过增加或减少可控速率的数据业务来衡量网络传输容量和信号传输质量，包括链路可用带宽、链路时延和时延抖动、数据信号丢包率等。(4)根据实测数据，分析网络参数与传输质量的关系，绘制曲线，总结模型，为网络设计和通道租赁提供依据。

双卫星链路模拟器的设计

在卫星信道上使用TCP协议进行高速数据传输时，会受到BDP(延迟带宽积)的限制。TCP采用超时重传策略进行流量控制，其窗口字节(TCP协议中为16位)限制了数据传输性能。传统TCP中的16位窗口将最大延迟带宽积限制在64K，这极大地限制了长延迟链路上的吞吐量。(向同步轨道卫星传输数据，延时约200ms)，可以得到64kb/0.2=320k。为了适应这个特点，应该允许有一个“大窗口”存在，这样可以同时在信道上传输更多的数据包，可以缓解延迟带来的影响。TCP会在避免拥塞的前提下，逐渐增加窗口值来提高传输效率。

在卫星通信中，高误码率也是一个必须注意的特点。与其他无线通信方式一样，信息容易受到白噪声和突发性噪声的干扰，气候等各种因素都会影响信道的误码特性。在数据接收端，TCP判断数据是否受到“校验和”的干扰，有“校验和”错误的数据包将被丢弃。但在数据开始时，TCP假设数据到达不正确的主要原因是信道拥塞，会调整传输窗口以适应信道特性。这样数据传输速率会逐渐降低，导致卫星通信效率低下。

如上所述，实验网络中的卫星信道模拟器将具有以下特点：只涉及星地链路；卫星链路模拟器主要考虑两个基本特性：传输延迟和无线误码。

对于卫星信道传输延迟，建议采用环形存储结构。由于FPGA的片上存储资源有限，卫星信道的传输延迟在几毫秒到几百毫秒之间变化很大，所以传输延迟的模拟是通过外部的SDRAM来实现的，每个信道都通过独立的I/O缓冲器和FIFO与SDRAM相连。

卫星信道误码包括传播损耗、衰落、多普勒频移和噪声。根据对卫星信道的理论研究，卫星信道可以用各种模型来建模，如C.LOO模型、CORRAZA模型等。所有这些模型都假设信道的衰落特性服从一定的概率分布特性。卫星信道中自由传输损耗、天线增益、极化损耗和转发器功率损耗的特性最终影响接收机的信噪比。因此，从仿真的角度来看，整个卫星信道可以看作是由直接影响信噪比的AGWN信道和影响衰落特性的多径衰落信道组成。假设多径衰落信道具有直接分量，信道的衰落特性具有莱斯分布。

信道模拟模块的框图如图1所示。

图1卫星信道模拟器结构示意图

带卫星接入链路的变带宽网络实验模型

图2是根据项目需求设计搭建的网络实验平台。特点是：SDH构成一个传输带宽为155 MB/s的环形骨干网；2m速率的PCM终端，手动可设置n？64Kb/s以太网端口，实验中设置网络瓶颈带宽；卫星信道模拟器，模拟具有长时延带宽积的卫星信道，用于改进TCP协议的默认窗口，增加卫星链路的最大吞吐量。

图2具有卫星接入链路的可变带宽实验网络模型

网络测量方法研究

网络测量的方法和工具有很多，可以分为主动测量和被动测量。通过向网络注入探测流量进行主动测量，通过结果响应数据获取网络状态信息；被动测量是在网络的主入口和主出口监控和记录网络中的分组流量，对其进行测量，从中提取数据，并对其进行分析，得到网络状态信息。

在网络评价中，确定网络绩效指标或衡量标准是关键，它直接影响网络评价的内容、全面性、合理性和有效性。例如，带宽、延迟、延迟抖动、分组丢失率、流量或吞吐量是众所周知的度量。目前，网络测量指标由IPPM IETFs(知识产权性能指标)定义

分为RFC已经定义的指标和目前还是IETF中的一个草案的指标，前者包括连通性（RFC 2678）、单向延迟（RFC 2679）、单向包丢失（RFC 2680）、往返延迟（RFC 2681），后者包括瞬间包延迟变化、IP包延迟变化、单向丢失模式采样。

4.1 测试方法及性能参数选择

本项目采用主动测试方法：在网络上布置测试机器，主动发送测试流量，如，从A端到B端，获得两端点间的测试结果信息。

本项目选择的网络测量内容包括带宽、时延、时延抖动、丢包率、流量和吞吐量等。

4.2 试验要点

①将实验网络设为某专用网络带宽，逐步加大业务，测量信息丢包率、时延和时延抖动等指标，目测视频传输的质量情况，标定上述指标的可容忍度。

②在给定业务容量情况下，逐步调低网络传输速率，按照标定指标进行判断，得出传输给定业务的所需的最小带宽。

③加入卫星信道模拟器，逐步加入噪声或加大时延，测试信息传输丢包率的变化情况，绘制丢包率、时延、噪声功率的双变量曲线。

④变化业务数，记录视频质量变化、各段带宽值的变化、各段时延值变化，丢包率指标变化，查找专用网络在带宽和时延上的“瓶颈”。这里的时延专指传播时延，不包括传输时延，因为传输时延已经由瓶颈带宽反映出来。

4.3 测试程序架构

测量程序采用Winpcap+Winsock的层次化测量架构。

Winpcap源于BPF（Berkley Packet Filter）和libpcap函数库，支持Win32的网络监测程序设计。Winsock是人们很熟悉的Windows套接字编程工具，源于 Berkley Socket技术。这两款网络开发工具各有特色，结合使用可以取长补短，提高软件开发的效率，增强软件的运行性能。Winpcap支持网络原始数据包的接收和发送，绕开了TCP/IP协议栈，有利于高速的数据包检测和分析；支持对数据包的过滤，只处理应用程序感兴趣的数据，可以提高程序运行性能，减少系统开销，但不能为端到端的应用提供面向连接和无连接的网络服务。

Winsock是建立在TCP/IP协议栈之上的程序开发工具，提供面向连接和的连接得网络服务，可以大大降低程序开发工作量。但是，网络程序必须从协议栈获取数据包，增加了运行的开销，降低了性能；由于链路层帧首部在提交给IP层之前就已经去掉，不便于网络低层的数据分析，应用范围有限。

图3 测量程序架构

程序采用三层架构：网络接口层、网络层、测试层。

其中网络接口层就是网卡驱动程序模块，负责程序与网络设备间的交互。

网络层包括两部分：一个是基于NPF（网络数据包过滤器）的网络模块，一个是基于TCP/IP的网络模块。

测试层通过Winpcap编程接口来访问NPF，检测出原始数据包并获取数据包到达时刻；通过Winsock编程接口来访问TCP/IP，获取TCP会话信息。主从程序测试层均包括两个基本功能模块：数据包检测和TCP会话。数据包检测模块利用Winpcap接口获取网络中的原始数据包，测量开始后，主程序数据包检测模块直接解析出发送端计算机发出的数据包IP标识，记录进主测试窗口，从程序的数据包检测模块直接解析出接收端计算机接收的数据包IP标识，记录进从测试窗口，同时记录视频包的达到时刻；TCP会话模块利用Winsock接口建立主从程序间的TCP连接，控制测量步骤，并交互测量过程中获取的数据。窗口调节模块利用这两个基本功能动态调整测试窗口尺寸。根据正确接收的数据包和主程序通知确认的数据包序列，从程序的丢包确认模块检查数据包的丢失情况，并把丢包数据反馈给主程序。根据反馈的丢包信息，主程序的丢包率计算分析模块计算丢包率。从程序的延迟计算模块通过时间提取，计算相继到达视频包的延迟，并通过TCP会话连接将最后的延迟统计值返回给主程序的延迟获取模块。

5 结论

通过将测量软件用于实验平台进行测试，验证了所选性能测量指标的可用性和测量方法的有效性。特别针对专用网络的具体情况，制定了适合网络承载业务传输的优先级方案，提出了改进网络性能的方案措施，为项目顺利结题打下了基础。在今后的工作中，将根据目标任务书要求，加强故障管理功能研究，并把网络性能测试和故障定位技术推广到新一代自组织网络中。在卫星信道模拟器方面，将把研究具有星际网络的综合性多功能模拟器作为目标。

本文作者的创新点是：（1）试验平台的可变速率设计为网络可用带宽的测试提供了条件；（2）引入卫星信道模拟器，实现大时延信道的TCP/IP传输研究。

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