LTE網絡測試儀IP流量生成技術的研究與實現*

王曉嬌，張治中

（重慶郵電大學通信網與測試技術重點實驗室 重慶 400065）

1 引言

隨著LTE（long term evolution，長期演進）網絡規模的擴大、帶寬的不斷提升，基于全IP的業務應用發展迅速，對網絡流量生成技術也提出了新的挑戰。部署LTE網絡的采集機、交換機、路由器等網絡設備的新產品、新協議的開發過程中，IP流量發生器可以在簡單的測試環境中，模擬LTE現網的IP數據和流量以及各種異常的數據分組，為生產、測試、研發提供信號源[1]，是網絡模擬和網絡設備測試中的重要工具。

目前流量生成技術主要基于通用處理器、ASIC（application specific integrated circuit，專用集成電路）專用芯片或FPGA（field programmable gate array，現場可編程門陣列）實現。第一種方法可以模擬較低速率的網絡流量；第二種方法是采用專用硬件器件實現，雖然可以生成高速率的流量，滿足吉比特線速的速率環境要求，但成本昂貴，實現復雜；而采用可編程器件的方式，利用FPGA可以有效兼顧性能與成本[1～3]。

本文設計了一種基于LTE網絡測試儀數據采集平臺的IP流量發生器，該硬件平臺采用全FPGA架構，重點研究了在Windows平臺下用軟件方式實現高速流量的生成方法，分析了性能模式和仿真模式兩種工作模式的軟件設計方案。在性能模式下能夠精準地定速、定量發送用戶指定長度的單個IP數據分組，在仿真模式下可以發送批量IP數據分組，包括短分組、長分組、超長分組，兩者均能同時支持多路發送，擁有很好的靈活性，對LTE網絡測試儀的數據采集測試、模擬高速網絡環境具有重要的應用價值。

2 總體設計方案

LTE網絡測試儀的IP流量發生器基于IP數據采集卡硬件平臺進行開發，該硬件平臺采用全FPGA架構，其總體模塊化設計如圖1所示。由于待發送的IP數據分組已封裝成MAC幀，因此應用層控制模塊直接將待發送的MAC幀依次寫入板卡的發送內存中，并與FPGA層的BMD（bus master DMA，總線主控DMA）模塊通過約定好的交互機制，控制數據的發送與更新。由于采用新一代總線接口PCI-E X4連接PC機和板卡，BMD模塊通過與PCI-E core模塊配合，向操作系統申請PCI-E協議事務層的TLP（transaction layer packet，事務層分組），返回的TLP稱為CplD（completion with data，攜帶數據的完成分組）。BMD 中的CplD重組模塊對亂序的CplD進行重新排序，按照正確的序列寫入發送FIFO中，通過發送調度模塊[4]，控制發送的速率和順序，將IP數據分組送入下一級的MAC模塊進行復制、分流處理，最后通過相應的SFP端口將數據發出。由此可見，在數據傳輸通道已建立的情況下，保證該IP流量發生器功能與性能的關鍵是應用層控制模塊與BMD模塊的交互機制設計。

3 性能模式設計方案

3.1 流量控制算法設計

在性能模式下，IP流量發生器可實現單個IP數據分組的多次或無限次發送，重點關注發送速率的可控性，即發送數據的速率可由上層用戶進行設定。速率控制的關鍵在于BMD中發送調度模塊的流量控制算法設計，實現方法的基本思想是：在兩個相鄰MAC幀之間插入一定數量的空閑周期，空閑周期數的取值與BMD模塊的FPGA時鐘周期有關。

以下對該方案的發送速率進行逐步推導。

發送數據比特率的原始計算式為式（1），其中，Speed為發送速率，mrd_len_real_byte為發送的MAC幀幀長，單位為bit，frm_send_gap為兩個相鄰MAC幀之間的空閑周期數，periodtrm_clk為時鐘周期，[mrd_len_real_byte/8]表示總是向上取整。

在實際應用中，考慮到后級模塊會添加4 byte校驗位和20 byte的間隙，因此發送速率的修正計算式如下：

若發送特定比特率的數據流，由式（1）反演得到：

其中，ftrm_clk為時鐘頻率，與periodtrm_clk成倒數關系。從式 （2）可以看出，發送速率Speed與 MAC幀長mrd_len_real_byte成正比，與發送間隙frm_send_gap成反比。因為frm_send_gap≥0，可以通過式（4）得到Speed的理論最大值為：

由于BMD模塊實際取時鐘頻率ftrm_clk為125 MHz，即時鐘周期為8 ns，可以達到Speed≤1 Gbit/s的理論上限。又因為在MAC幀長mrd_len_real_byte、時鐘周期periodtrm_clk一定的情況下，發送速率Speed只與發送間隙frm_send_gap相關，根據式（2）可得frm_send_gap的計算式為：

因此，上層用戶設定發送速率后，應用層控制模塊根據發送的MAC幀長與速率，計算出發送間隙數frm_send_gap，其粒度為8 ns。并根據約定好的交互機制，向BMD模塊提供該參數，使其根據該空閑周期數，控制MAC幀的發送節奏，以達到定速的目的。

3.2 軟件配置流程

IP流量發生器的主控方在PC機端，在性能模式下，是進行單個IP數據分組的發送，因此應用層程序將待發送的IP數據分組拷貝到板卡的發送內存中即可，無需更新數據。然后，根據用戶設置的相關參數，配置好相關寄存器，啟動數據發送命令，后續的發送控制工作將完全交由BMD模塊進行處理。軟件配置流程如圖2所示。

4 仿真模式設計方案

仿真模式下，IP流量發生器可以實現對一個完整IP數據分組文件的發送，即可發送批量IP數據分組[5]。不同于性能模式，仿真模式發送時會涉及對板卡發送內存的數據更新。經前期測試，如果拷貝一個IP數據分組到發送內存，啟動一次發送，再寫入下一個分組，再啟動一次發送，效率會很低。因此，本方案通過對數據幀進行重新封裝，將發送內存劃分為若干塊，設定讀寫索引號，實現數據的“邊發邊寫”功能，保證了較理想的發送性能。

4.1 數據幀的封裝格式

為了充分利用板卡有限的發送內存空間（硬件平臺實際預留了4 MB發送內存），實現一次寫入多個IP數據分組，并且BMD可以定位每個IP數據分組，應用層向板卡的發送內存寫入數據前，需對數據進行重新封裝，封裝格式如圖3所示。BMD從發送內存提取數據后，首先進行解封裝，根據MAC幀長字段可以定位每個MAC幀。

4.2 數據“邊發邊寫”算法設計

4.2.1 發送內存分塊

為了提高BMD每次從發送內存讀取的數據量，提高處理效率，按8 kbit/s的粒度將板卡發送內存分為大小相同的若干個塊，用Block表示，如圖4所示。每一個Block可存放若干個數據幀，BMD每次可讀取一個或多個Block。

4.2.2 讀寫索引號

為了能使應用層與BMD更好地識別和控制每一個Block，需要設置讀索引號RdIdx和寫索引號WdIdx，以對應每一個8 kbit/s的Block，第n個Block對應的讀寫索引號值為n。上層應用程序負責更新寫索引號WdIdx以啟動下層發送，下層BMD負責不斷輪詢WdIdx值的變化以發送數據，并更新讀索引號RdIdx以反饋給上層。上層再通過讀取RdIdx是否與WdIdx一致，判斷下層是否已發送相應數據段，以執行后續發送和數據更新操作。

4.2.3 發送處理流程

數據發送的處理會有以下3種情況：要發送的數據（包括重復發送次數）可一次裝入發送內存；第一次可拷貝的數據文件次數大于等于1，但不能把所有數據（包括重復發送次數）一次性裝入發送內存中；第一次不能裝下一次完整的數據。因此應用控制模塊會進行判斷，按情況分別處理，處理流程如圖5所示。

其中，第3種情況是“邊發邊寫”算法的難點，需要真正地邊發送、邊更新發送內存的數據。應用層啟動發送下一個Block的同時，會更新上一個Block數據，而新寫入的數據需要在整個發送文件中重新定位，才能保證發送數據的可靠性和有效性。

5 測試與分析

IP流量發生器的測試界面如圖6所示，界面可以選擇要發送的數據文件進行參數設定，包括工作模式、發送的MAC幀范圍（起始消息號和結束消息號）、重復發送次數、發送比特率、發送端口等內容。配置成功后，可以計算出發送的第一個MAC幀長、MAC幀個數和發送間隔數。將光纖連接網絡性能測試儀表作為接收端，以測試發送的速率和接收到的數據幀數，點擊啟動發送后，統計列表視圖會顯示各端口的具體發送信息。

表1 性能模式下短分組與長分組的發送速率

表2 仿真模式下IP數據分組發送情況

通過多次測試，對性能模式和仿真模式的發送情況進行了統計，部分結果分別見表1和表2。從表中可以分析出，該IP流量發生器在性能模式下可以進行有效的流量控制，在可容忍的誤差范圍內實現精準的定速發送；在仿真模式下，可以正確穩定地發送完整的數據文件，且長分組的發送速率可以達到630 Mbit/s，短分組的發送速率達到269 Mbit/s，能夠較好地模擬網絡流量，滿足當前LTE網絡測試儀的測試需求。

6 結束語

本文對LTE網絡測試儀的IP流量生成技術進行了研究，提出了一種基于LTE網絡測試儀數據采集硬件平臺的IP流量發生器設計與實現方案，介紹了性能模式和仿真模式下的軟件實現方法，重點研究了流量控制算法和數據“邊發邊寫”的軟件控制方法。實際測試表明，該IP流量發生器在性能模式下能夠實現精準的定速發送，在仿真模式下能夠正確穩定地發送批量IP數據，具有良好的發送性能，滿足LTE網絡測試的流量模擬需求，在LTE網絡測試系統中具有重要的應用價值。

1 王一強.IP流量發生器的研究與實現.成都理工大學碩士學位論文,2010

2 Antichi G,Di Pietro A,Ficara D,et al.Design of a high performance traffic generatoron network processor.Digital System Design Architectures,Methods and Tools,DSD’08,2008:438～441

3 張錚,趙榮彩,邰銘等.一種靈活的基于網絡處理器的流量生成方法.計算機工程與應用,2007,43(21):137～140

4 陳玉花,張治中,杜西亞.IPTV測試儀網絡層測試的設計與實現.電子技術應用,2009(6):102～105,109

5 李明,雒江濤,鄧炳光.一種E1多模式數據仿真測試平臺的研究與實現.電視技術,2011,35(5):113～116