衛星網絡性能測試技術分析與研究＊

（92941部隊96分隊 葫蘆島 125001）

1 引言

近年來，衛星無線傳輸在應急通信中已經展現了其通信距離廣、受地面基礎設施影響小等優勢，作為光纖等有線通信的一個有益補充，在各個領域得到了廣泛的應用［1］。不同于傳統Internet網絡，在衛星傳輸鏈路中大時延、窄帶寬等獨特性使得網絡環境變得越來越復雜。隨著網絡用戶和應用需求的日益增多，導致網絡負擔沉重，網絡設備超負荷運轉。在實際應用過程中網絡資源日趨匱乏，網絡瓶頸相繼出現，網絡性能的下降，可能導致對用戶和應用需求進行優先處理，應用大大受到限制［2］。在本文中通過對網絡時延、丟包率、帶寬、吞吐量等指標測試的分析與研究，改善和提高網絡性能，解除網絡瓶頸，發現網絡中可能存在的潛在危險，更加有效地對網絡配置進行優化，是我們進行網絡性能測試分析和研究的最終目的。

2 衛通網絡傳輸路徑

衛通無線網絡包括衛星通信鏈路和多個網絡設備。衛星通信鏈路由衛星通信傳輸設備和保密機等設備組成；網絡設備由多個節點路由器、交換機及終端組成［3］。其傳輸路徑如圖1所示。

圖1 衛通無線網絡傳輸路徑圖

3 網絡性能測試描述及指標估算

3．1 網絡性能測試描述

在網絡性能測試過程中涉及到了測試方式、發送測試包的類型、發送與截取測試包的采樣方式等許多內容，其內容的全面性、合理性和有效性可直接影響網絡測試結果，網絡性能指標測試結果也是判定網絡服務質量的關鍵所在［4］。本文中采用的測試方式包括主動測式和被動測式兩類；測試指標包括帶寬、時延、時延抖動、丟包率和吞吐量等。

3．2 網絡性能指標估算

3．2．1 端到端傳輸時延

一個IP包在傳輸過程中從一個終端設備到另一個終端設備，經過路由器、交換機、衛星鏈路和保密機等多個環節，假設一個IP 包的長度為N字節，那么包分段傳輸時延tt可表示為

式中：ladd為保密機及鏈路層的包頭總開銷，單位為Byte；R為鏈路傳輸速率，單位為kb／s。

那么端到端傳輸一個字節為N的包時延可表示為

式中：Tseg-i為第i段包處理時延；ttre-seg-i為第i段包排隊時延；tq-seg-i為第i段包傳輸時延；lip-seg-i為第i段平均包長度；ladd-seg-i為第i段保密機及鏈路層的包頭總開銷，單位為Byte；Rseg-i為第i段鏈路傳輸速率，單位為kb／s；TW為衛通鏈路總時延。

3．2．2 端到端包時延抖動

一個IP包在傳輸過程中端到端時延抖動為第1段到第M段包時延抖動的總和。

3．2．3 端到端丟包率

丟包率是網絡性能指標中重要的參數之一，其大小能映射出鏈路誤碼和網絡擁塞情況。實際上可通過公式計算出端到端的丟包率，也可借助儀器儀表在實踐應用中測得端到端的丟包率［5］：

式中，Pdseg-i為第i段丟包率。

4 性能指標測試工程實例與分析

衛通網絡鏈路作為典型網絡環境之一，研究該環境下的網絡性能指標，對改善網絡環境，提高網絡性能尤為重要［6］。針對某專業網絡進行了時延、丟包率、帶寬、吞吐量等指標測試，進行案例分析。本工程測試采用城域網測試儀器和網絡反射器設備配合進行測試，是主動測量與被動測量相結合的網絡性能測試模式。

4．1 時延

網絡時延是檢測網絡性能質量十分重要的指標之一，是指網絡鏈路中的總時延［2］，即處理時延、排隊時延、傳輸時延及傳播時延的總和，通常情況下可借助網絡測試儀表來測得。影響網絡時延的因素很多，數據包包長和數據包所通過的網絡介質不同都將產生不同的網絡時延，如報文長度、發送頻率影響發送時延和傳播時延，鏈路的物理媒介如光纖傳輸、無線衛通傳輸和節點間單純的雙絞線傳輸等都將影響傳輸時延［7］。

在工程實踐中時延的測量分為單向時延和往返時延兩類，單向時延是指數據包從發送端到接收端的單程時間間隔，在做單程時延測試時需要為設備提供專門的同步時鐘，而在采用往返時延時，則不必考慮時鐘同步問題，所以在實際的測試中大都采用往返時延測量的方法。往返時延是指數據包從發送端到接收端，再由接收端返回到發送端的往返時間間隔。在進行往返時延測量時，有主動測量方式和被動測量方式兩種方法。在采用主動測量方式進行時延測量時是主動向網絡發送承載報文，而被動測量方式是利用網絡系統本身現有的報文作為承載報文，被動測量存在用戶數據被攻擊或泄露等網絡安全問題，所以目前在網絡性能參數測量時主動測量方式被應用廣泛。時延測試工程實例如圖2所示。

圖2 時延測試工程實例

4．2 丟包率

我們把數據傳輸過程中丟失數據包與所有傳輸的數據包的比值稱為丟包率。丟包率過大將影響網絡數據的正常傳輸，在工程實踐中常常會遇到由于通信傳輸線路信號衰減、交換機端口故障、傳送數據包的大小以及網絡擁塞等諸多原因導致數據包在網絡傳輸時丟失的現象［8］。Ping命令不僅可以用于連通性測試，也可用來測量丟包率。測試工程實例如圖3所示。

圖3 丟包率測試工程實例

4．3 帶寬

在研究網絡帶寬過程中不免要涉及到鏈路帶寬、瓶頸帶寬和可用帶寬等概念，它也是在探究網絡性能過程中不可或缺的重要元素。鏈路帶寬是實際網絡鏈路層面上能夠提供的最大數據傳輸帶寬。瓶頸帶寬和可用帶寬研究是與網絡路徑是否存在背景流量有關，瓶頸帶寬是指當網絡路徑中沒有其它背景流量時，網絡能夠提供的最大的吞吐量；而可用帶寬是指在網絡路徑中存在背景流量的情況下，能夠提供的最大吞吐量［9～10］。我們在研究瓶頸帶寬的測量過程中在路由不變的條件下，瓶頸帶寬相對穩定，測量時一般采用報文對（packet pair）方法和單報文方法（VPS）；由于可用帶寬與背景流量相關，且隨著路由的變化而不定，所以可用帶寬的測量比較困難。對于可用帶寬測量也有兩種方法：一是報文間隔法，二是報文速率法。

4．4 吞吐量

吞吐量是衡量網絡性能的重要參數，在不同的網絡層次它將反映出不同的網絡容量。在網絡性能測試研究時可進行鏈路層吞吐量的測量和傳輸層吞吐量的測量，測量手段和方法主要有兩類：一類是利用PC 軟件測試，另一類是利用專業的儀器儀表測試。吞吐量測試工程實例如圖4所示。

圖4 吞吐量測試工程實例

5 結語

本文對衛通鏈路前提下網絡性能測試技術的主要方面進行了介紹和分析，并按照某專業網絡工程實例，進行了實際測試，測試結果圖示分析，對于網絡維護和工程實施驗收等都有比較重要的指導意義。

［1］劉凡．動態衛星網絡性能評估［J］．科學技術與工程，2013，13（7）：1671-1815．

［2］Gozdecki J，Jajszczyk A，Stankiewicz R．Quality of Service Terminology in IP Networks［J］．IEEE Communications Magazine Mar，2003，41（3）：153-159．

［3］王浩波，黃偉，劉存才．無線信道干擾概率對網絡性能影響分析［J］．無線電通信技術，2012，38（1）：10-12．

［4］劉河潮．一種網絡丟包的無參考視頻質量評估方法［J］．西安電子科技大學學報（自然科學版），2012，39（2）：29-34．

［5］王雷．網絡性能測試方法［D］．北京：北京郵電大學碩士學位論文，2005：45-63．

［6］利業韃．基于局域網的網絡性能測試研究［J］．大眾科技，2012（3）：34-37．

［7］張宏莉，方濱興．Internet測量與分析綜述［J］．軟件學報，2003（14）：18-22．

［8］裴昌幸．現代通信系統與網絡測量［M］．北京：人民郵電出版社，2008：142-188．

［9］Keys K，Moore D，Estan C．A．robust system for accurate real-time summaries of interner traffic［C］／／2005 ACM SIGMETRICS International Conference．New York ACM，2005：85-96．

［10］張峰，雷振明．端到端網絡帶寬測量技術研究［J］．電信科學，2005，4（2）：74-78．