一種基于OPNET的DiffServ+WLAN網絡多媒體端到端QoS性能仿真方法

王再見，邢青青，何國棟，馮友宏

(安徽師范大學 物理與電子信息學院，安徽 蕪湖 241000)

0　引言

建立DiffServ+WLAN(Wireless Local Area Networks)網絡仿真環境深入研究網絡多媒體業務跨域端到端QoS(Quality of Service)性能，對有效開展網絡多媒體業務至關重要。網絡多媒體業務常常在吞吐量、延時、抖動等QoS指標上有嚴格要求，傳輸時需要網絡提供相應的QoS保證[1-2]。但不同類型的網絡具有不同的QoS支持能力，對QoS的理解/解釋可能不同。例如DiffServ與WLAN網絡的QoS定義和實現機制不完全一樣，對業務/服務分類和QoS參數理解也并不一致?？缇W絡域的多媒體業務端到端QoS保證面臨挑戰，因此有必要建立有效的仿真環境用于網絡多媒體業務QoS性能的研究。

DiffServ和IntServ是 IETF(Internet Engineering Task Force)最早提出解決IP網絡QoS的兩個典型方案。DiffServ基于類的體系結構提供定性的QoS支持，具有較好的可擴展性。IntServ使用資源預留協議RSVP(Resource Reservation Protocol)，對節點的存儲能力有很高的要求，存在可擴展問題。WLAN能夠使用戶真正實現隨時、隨地、隨意的寬帶網絡接入，IEEE802.11e使用HCCA(Hybrid Coordination Function-Controlled Channel Access)和EDCA(Enhanced Distributed Channel Access)兩種信道接入方法用于增強QoS保證能力，定義了會話、視頻、盡力而為和背景4種接入類。

未來的通信網絡包含多種不同接入技術，傳輸一個端到端的業務需要跨越多個不同的網絡類型。鑒于DiffServ和WLAN網絡具有典型性，建立有效的DiffServ+WLAN網絡仿真環境針對網絡多媒體業務跨域傳輸端到端QoS性能測試具有重要意義。

文獻[1]設計了Long Term Evolution-WLAN Aggregation網絡，使用OPNET軟件驗證端到端QoS。文獻[4]通過FTP電子郵件業務和HTTP業務在DiffServ和IntServ網絡中測量QoS指標。文獻給出一種UMTS與WLAN異構網絡間端到端QoS映射的方案。

文獻[8]介紹了在移動多媒體網絡中跨層優化端到端服務的QoS保證方法，使多媒體業務例如移動視頻應用得到高可靠的服務質量。文獻[9]使用OPNET軟件對DiffServ網絡端到端QoS進行驗證。文獻[10]使用NS-2仿真軟件驗證在DiffServ網絡中基于QoS模型支持移動實時通信。文獻[11]使用IPv6流標簽在DiffServ場景下研究QoS性能。

國內外學者針對IPv6流標簽提出很多使用方法，如文獻中使用區分服務模式，使用流標簽區分服務的分類方法來代替IntServ和 RSVP[14]；使用流標簽值表示端口號和協議的方式等。北京郵電大學的馬嚴教授及其團隊對20位的流標簽設計了一種新型的定義方法。該改變方法定義簡單，使用方便，加快了網絡對聚合流的處理能力且很好地保障了流標簽的擴展能力。華中科技大學的王迪尼等人[17]設計的流標簽利用前三比特的處理標志進行7種流標簽處理方式，留下一種處理方式進行擴展定義。這種方法利用了前3比特的不同定義包括了國外提出的5種流標簽格式，設計方法豐富、有效，但是因其定義種類多樣，使未定義類型較少，導致靈活性較差。

異構網絡環境中傳輸一個端到端的業務需要跨越多個不同的網絡類型[18]，建立有效的針對網絡多媒體業務跨域傳輸端到端QoS性能測試仿真環境具有重要意義。

在現有的網絡傳輸性能仿真工具中，OPNET軟件使用范圍較廣，與Matlab、NS2等軟件仿真相比，它更規范、更適合分析復雜網絡的性能和行為。OPNET可以自動整理一系列仿真運行結果輸出到文件中，適用于網絡QoS指標的比較分析。但目前主要用于研究單一網絡，供跨域端到端QoS性能分析的仿真環境尚未有效建立。

1　一種IPv6流標簽的使用方法

IPv6的20比特流標簽設置如表1所示，前3比特位定義流標簽的功能，最后一個比特設置為保留位，當中間16個比特位不夠使用時，可使用該保留位。

表1業務流標簽設計

比特位1～34～1718～20功能定義流標簽值流標簽具體功能保留

前3比特位的定義如表1所示。如值為“011”表示PHB標志號的功能，可以用DSCP的值來確定差分服務，第4比特位至第9比特位的值預定義一個DSCP值，第10～12比特位的值預定義為帶寬資源占用等級值，第13～15比特位的值預定義為用戶需求等級值，第16～19比特位的值預定義業務類型編號值，剩下的2比特位作為保留位。

表2流標簽首位3比特的定義表

首位3個比特功能簡述000默認值的設定001隨機數的流標號設定010使用跳到跳的擴展報頭代替流標號011使用PHB標志號100使用端口號和協議號格式101QoS參數值的定義110保留111保留001隨機數的流標號設定

本實驗選擇的網絡多媒體業務為會議視頻流與FTP，其中會議視頻業務設置不同的服務類型(Type of Server,TOS)，Video1 Conference的TOS為EF，對應 DSCP為101110，Video2 Conference的TOS為AF31，對應DSCP為011010，FTP業務的服務類型定義為BF，DSCP為000000。

2　網絡多媒體端到端QoS性能驗證方法

2.1　框架介紹

DiffServ+WLAN網絡拓撲構建如圖1所示，由主模塊和支撐模塊組成，主模塊由業務發送端、DiffServ+WLAN網絡和業務接收端等組成，完成業務在DiffServ+WLAN網絡的傳輸過程，支撐模塊主要用于設置業務參數和業務排隊方法等。

主模塊功能邏輯關系如表3所示。

表3主模塊信息表

模塊名稱功能簡述客戶端按ProfileConfig模塊設置的方法發送指定業務交換機實現業務的轉發路由器連接DiffServ與WLAN網絡IP云支持32個可選數據速率的串行線路接口，通過這些數據速率建模IP流量服務器按ProfileConfig模塊設置的方法接收指定業務

圖1　網絡模型拓撲圖

支撐模塊功能邏輯關系如表4所示。

表4支撐模塊信息表

模塊名稱功能簡述應用業務配置全局對象ApplicationConfig定義客戶端所有產生的應用業務及參數，如所發數據包的大小、發包間隔概率。應用業務：FTP、VideoConference應用業務規格全局對象ProfileConfig進行應用業務規格配置，客戶端在一定時間段內所進行的具體應用業務，如發送時間、發送時間間隔等服務質量配置QosConfig使用業務隊列排隊方法

環境配置流程如圖2所示，指在DiffServ+WLAN網絡拓撲中進行業務參數的配置，配置IPv6流標簽，收集指定統計數據與運行等。

圖2　仿真環境配置流程圖

本文基于OPNET(版本號14.5 Educational Version)，將Pro-C語言和Visual c++6.0軟件相結合，參數設置種類如下：

① 設置應用業務種類；

② 設置業務發送方式；

③ 設置統計數據收集的種類；

④ 設置業務排隊方法為WFQ；

⑤ 配置IPv6地址與流標簽；

⑥ 設置收集數據的顯示方式，設置運行時間。

2.2　軟件功能描述

2.2.1設置業務種類

① 在Application Config設置里的Application Definition里定義FTP和Video Conference這兩種業務種類；

② 定義FTP和Video Conference這兩種業務的應用業務參數，其中Video1 Application與Video2 Application的區別是DSCP值不同。

2.2.2設置業務發送方式

①在Profile Config的設置里的Profile Definition里定義需要配置的FTP Profile 和Video Conference Profile這兩種業務種類；

② 定義FTP和Video Conference這兩種業務的發送方法；

2.2.3設置結果統計參數

① 在工程主面板中點擊工具欄的DES，選擇Choose individual statistic；

② 選擇仿真結果需要統計的參數；Global Statistic中選擇Ethernet中的Delay(sec)，IPv6中的Traffic Dropped(packet/sec)，Video Conferenceing中的Packet Delay Variation、Packet End-to-End Delay(sec)、Traffic Received(packet/sec)和Traffic Sent(packet/sec)；Node Statistic中選擇Video Conferenceing中的Packet Delay Variation、Packet End-to-End Delay(sec)、Traffic Received(packet/sec)和Traffic Sent(packet/sec)。

2.2.4設置業務排隊方法：WFQ

① 在工程主面板中點擊工具欄的Protocol下的IP→QoS→Configuration QoS；

② 配置QoS參數為WFQ。

2.2.5設置IPv6地址和流標簽

Ⅰ.在運行環境中配置IPv6地址。在工程主面板中點擊工具欄的Protocols→IPV6→Auto-Assign IPv6 Address。

Ⅱ.在網絡拓撲中設置流標簽屬性。在進程模型添加該功能屬性，以業務客戶端1(FTP Client)為例。

① 進程模型：打開FTP Client節點模型后，在節點模型中ip_encap進程中打開Interface->Model Attribute，設置復合屬性tos_to_fl，屬性分支為ToS和Flow Label；

② 新添加的屬性提升至網絡層：右擊ip_encap模塊，單擊Edit Attributes，tos_to_fl設置為promoted。

Ⅲ.設置屬性tos_to_fl的值：在網絡層中打開FTP Client節點，單擊Edit Attributes，設tos=0，Flow Label=0。

注意：tos_to_fl值為業務ToS對應的流標簽值。

Ⅳ.在ip_dgram_sup.h 頭文件中的IP數據報的地址中定義int型的flowlabel。

Ⅴ.打開FTP Client節點模型中的ip_encap進程，在雙擊ENCAP的Enter Executive。

① 定義運行中使用的屬性：tos_to_fl和flowlable；

② 判斷網絡中使用的地址為IPv4還是IPv6，若為IPv6，則根據TOS的值定義flowlable的值；

③ 外部C代碼中初始化流標簽值與顯示流標簽值。

④ 在服務器端設置TOS值和流標簽值，后臺程序將流標簽值轉化到相應的ToS值。

a.如步驟Ⅲ中設置,ToS=0,Flow Label=0；

b.雙擊FTP Client打開節點模型，再雙擊節點模型中的ip_encap進程，最后雙擊DECAP的Enter Executive。

設置IPv6地址和流標簽的流程如圖3所示。

圖3　設置IPv6地址和流標簽流程

2.2.6設置運行時間和查看運行結果

① 設置運行時間和方式，本文設600 s；

② 查看運行結果，在工程主面板中點擊工具欄的DES→Results→View Results，選擇需要查看的結果；

③ 選擇查看的參數，查看結果，Scenario1為加入流標簽的DiffServ+WLAN網絡，Scenario2為未加入流標簽的DiffServ+WLAN網絡。

3　仿真

3.1　仿真環境配置

為了準確地驗證DiffServ+WLAN跨域網絡的端到端QoS性能，網絡配置參數如表5所示。

表5網絡配置參數

配置屬性屬性參數客戶端、交換器和路由器之間連接線路的傳輸速率100Mbps路由器與IP云連接線路的傳輸速率44．736Mbps路由器連接線路傳輸速率2．048MbpsIP環境IPv6排隊規則WFQ運行時間600s

3.2　仿真結果

視頻會議業務2(Video2 Conference)的服務類型為確保型轉發31(Assured Forward 31，AF31)，屬于AF中的一種。視頻會議業務3(Video3 Conference)的服務類型為加速型轉發(Expedited Forwarding，EF)，該服務類型優先級要高于AF31，但與優先級EF相差不大。如文獻[5]可知，優先級較高的EF轉發業務流的端到端延時統計要小于優先級低的AF31。如圖4所示，菱形曲線表示Video3 Conference業務的端到端延時，值約為0.046 5 s。星形曲線表示Video2 Conference業務的端到端延時，值約為0.051 s，比Video3Conference業務端到端延時大，但是數值相差較小，驗證了EF的優先級大于AF31。

圖4　業務video2(AF31)和video1(EF)的延時

圖5、圖6和圖7為仿真結果圖，菱形曲線表示加入了流標簽機制的DiffServ+WLAN模擬場景；圖中使用星形曲線表示未加入流標簽機制的DiffServ+WLAN模擬場景。

圖5　視頻會議業務的端到端延時

圖6　視頻會議業務的端到端延時抖動

圖7　IPv6下網絡丟包率

圖5為在不同場景下視頻會議業務的端到端延時結果，在DiffServ+WLAN跨域網絡中未加入流標簽機制時，視頻會議業務的端到端延時約為0.055 s；而加入流標簽機制時視頻會議業務的端到端延時約為0.045 s。由圖5可以看出，在加入流標簽的跨域網絡中，端到端延時可降低0.01 s左右，約降低18.2%。圖6中開始運行時未加入流標簽的網絡拓撲中延時較為不穩定，運行時間達到約3 min時延時抖動逐漸穩定。當網絡運動達到穩定狀態時，加入流標簽機制的網絡拓撲中延時抖動由原網絡的0.000 125降低至0.000 03，延時抖動降低了約76%。由圖7可知，在開始運行階段DiffServ+WLAN網絡的丟包率較高，隨著運行時間的增加，丟包率經過一個大的增加之后逐漸趨于穩定。但總體看來，加入流標簽的DiffServ+WLAN網絡場景中丟包率性能要明顯優于未加入流標簽的DiffServ+WLAN網絡場景，運行至約9 min之后，兩者場景的丟包率差距越來越小。綜上所述，加入流標簽的DiffServ+WLAN網絡場景中的端到端QoS保證要優于未加入流標簽的DiffServ+WLAN網絡場景的網絡性能。其中延時可降低約18.2%，延時抖動降低了約76%，丟包率在初始運行階段網絡性能較好，但在一段時間后丟包率差距逐漸減小。

4　結束語

本文針對DiffServ+WLAN網絡環境下，典型網絡多媒體業務端到端QoS性能研究，設計了一種基于OPNET的DiffServ+WLAN網絡仿真方法。本文主要貢獻如下：① 基于OPNET實現DiffServ+WLAN網絡環境下的典型多媒體業務傳輸的仿真，可靈活設置多媒體流類型和參數，便于獲取各種網絡性能數據(如網絡延時、網絡延時抖動和丟包率等)；② 結合DiffServ和WLAN中業務/服務分類，給出IPv6流標簽的使用方法。本文方法業務類型/參數設置靈活，完整考慮了業務發送、數據包排隊、業務運行時間、統計數據和查看結果等，可擴展性較好、操作方便。

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