卫星网络性能测试技术分析与研究＊

（92941部队96分队 葫芦岛 125001）

1 引言

近年来，卫星无线传输在应急通信中已经展现了其通信距离广、受地面基础设施影响小等优势，作为光纤等有线通信的一个有益补充，在各个领域得到了广泛的应用［1］。不同于传统Internet网络，在卫星传输链路中大时延、窄带宽等独特性使得网络环境变得越来越复杂。随着网络用户和应用需求的日益增多，导致网络负担沉重，网络设备超负荷运转。在实际应用过程中网络资源日趋匮乏，网络瓶颈相继出现，网络性能的下降，可能导致对用户和应用需求进行优先处理，应用大大受到限制［2］。在本文中通过对网络时延、丢包率、带宽、吞吐量等指标测试的分析与研究，改善和提高网络性能，解除网络瓶颈，发现网络中可能存在的潜在危险，更加有效地对网络配置进行优化，是我们进行网络性能测试分析和研究的最终目的。

2 卫通网络传输路径

卫通无线网络包括卫星通信链路和多个网络设备。卫星通信链路由卫星通信传输设备和保密机等设备组成；网络设备由多个节点路由器、交换机及终端组成［3］。其传输路径如图1所示。

图1 卫通无线网络传输路径图

3 网络性能测试描述及指标估算

3．1 网络性能测试描述

在网络性能测试过程中涉及到了测试方式、发送测试包的类型、发送与截取测试包的采样方式等许多内容，其内容的全面性、合理性和有效性可直接影响网络测试结果，网络性能指标测试结果也是判定网络服务质量的关键所在［4］。本文中采用的测试方式包括主动测式和被动测式两类；测试指标包括带宽、时延、时延抖动、丢包率和吞吐量等。

3．2 网络性能指标估算

3．2．1 端到端传输时延

一个IP包在传输过程中从一个终端设备到另一个终端设备，经过路由器、交换机、卫星链路和保密机等多个环节，假设一个IP 包的长度为N字节，那么包分段传输时延tt可表示为

式中：ladd为保密机及链路层的包头总开销，单位为Byte；R为链路传输速率，单位为kb／s。

那么端到端传输一个字节为N的包时延可表示为

式中：Tseg-i为第i段包处理时延；ttre-seg-i为第i段包排队时延；tq-seg-i为第i段包传输时延；lip-seg-i为第i段平均包长度；ladd-seg-i为第i段保密机及链路层的包头总开销，单位为Byte；Rseg-i为第i段链路传输速率，单位为kb／s；TW为卫通链路总时延。

3．2．2 端到端包时延抖动

一个IP包在传输过程中端到端时延抖动为第1段到第M段包时延抖动的总和。

3．2．3 端到端丢包率

丢包率是网络性能指标中重要的参数之一，其大小能映射出链路误码和网络拥塞情况。实际上可通过公式计算出端到端的丢包率，也可借助仪器仪表在实践应用中测得端到端的丢包率［5］：

式中，Pdseg-i为第i段丢包率。

4 性能指标测试工程实例与分析

卫通网络链路作为典型网络环境之一，研究该环境下的网络性能指标，对改善网络环境，提高网络性能尤为重要［6］。针对某专业网络进行了时延、丢包率、带宽、吞吐量等指标测试，进行案例分析。本工程测试采用城域网测试仪器和网络反射器设备配合进行测试，是主动测量与被动测量相结合的网络性能测试模式。

4．1 时延

网络时延是检测网络性能质量十分重要的指标之一，是指网络链路中的总时延［2］，即处理时延、排队时延、传输时延及传播时延的总和，通常情况下可借助网络测试仪表来测得。影响网络时延的因素很多，数据包包长和数据包所通过的网络介质不同都将产生不同的网络时延，如报文长度、发送频率影响发送时延和传播时延，链路的物理媒介如光纤传输、无线卫通传输和节点间单纯的双绞线传输等都将影响传输时延［7］。

在工程实践中时延的测量分为单向时延和往返时延两类，单向时延是指数据包从发送端到接收端的单程时间间隔，在做单程时延测试时需要为设备提供专门的同步时钟，而在采用往返时延时，则不必考虑时钟同步问题，所以在实际的测试中大都采用往返时延测量的方法。往返时延是指数据包从发送端到接收端，再由接收端返回到发送端的往返时间间隔。在进行往返时延测量时，有主动测量方式和被动测量方式两种方法。在采用主动测量方式进行时延测量时是主动向网络发送承载报文，而被动测量方式是利用网络系统本身现有的报文作为承载报文，被动测量存在用户数据被攻击或泄露等网络安全问题，所以目前在网络性能参数测量时主动测量方式被应用广泛。时延测试工程实例如图2所示。

图2 时延测试工程实例

4．2 丢包率

我们把数据传输过程中丢失数据包与所有传输的数据包的比值称为丢包率。丢包率过大将影响网络数据的正常传输，在工程实践中常常会遇到由于通信传输线路信号衰减、交换机端口故障、传送数据包的大小以及网络拥塞等诸多原因导致数据包在网络传输时丢失的现象［8］。Ping命令不仅可以用于连通性测试，也可用来测量丢包率。测试工程实例如图3所示。

图3 丢包率测试工程实例

4．3 带宽

在研究网络带宽过程中不免要涉及到链路带宽、瓶颈带宽和可用带宽等概念，它也是在探究网络性能过程中不可或缺的重要元素。链路带宽是实际网络链路层面上能够提供的最大数据传输带宽。瓶颈带宽和可用带宽研究是与网络路径是否存在背景流量有关，瓶颈带宽是指当网络路径中没有其它背景流量时，网络能够提供的最大的吞吐量；而可用带宽是指在网络路径中存在背景流量的情况下，能够提供的最大吞吐量［9～10］。我们在研究瓶颈带宽的测量过程中在路由不变的条件下，瓶颈带宽相对稳定，测量时一般采用报文对（packet pair）方法和单报文方法（VPS）；由于可用带宽与背景流量相关，且随着路由的变化而不定，所以可用带宽的测量比较困难。对于可用带宽测量也有两种方法：一是报文间隔法，二是报文速率法。

4．4 吞吐量

吞吐量是衡量网络性能的重要参数，在不同的网络层次它将反映出不同的网络容量。在网络性能测试研究时可进行链路层吞吐量的测量和传输层吞吐量的测量，测量手段和方法主要有两类：一类是利用PC 软件测试，另一类是利用专业的仪器仪表测试。吞吐量测试工程实例如图4所示。

图4 吞吐量测试工程实例

5 结语

本文对卫通链路前提下网络性能测试技术的主要方面进行了介绍和分析，并按照某专业网络工程实例，进行了实际测试，测试结果图示分析，对于网络维护和工程实施验收等都有比较重要的指导意义。

［1］刘凡．动态卫星网络性能评估［J］．科学技术与工程，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，黄伟，刘存才．无线信道干扰概率对网络性能影响分析［J］．无线电通信技术，2012，38（1）：10-12．

［4］刘河潮．一种网络丢包的无参考视频质量评估方法［J］．西安电子科技大学学报（自然科学版），2012，39（2）：29-34．

［5］王雷．网络性能测试方法［D］．北京：北京邮电大学硕士学位论文，2005：45-63．

［6］利业鞑．基于局域网的网络性能测试研究［J］．大众科技，2012（3）：34-37．

［7］张宏莉，方滨兴．Internet测量与分析综述［J］．软件学报，2003（14）：18-22．

［8］裴昌幸．现代通信系统与网络测量［M］．北京：人民邮电出版社，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］张峰，雷振明．端到端网络带宽测量技术研究［J］．电信科学，2005，4（2）：74-78．