一种基于OPNET的DiffServ+WLAN网络多媒体端到端QoS性能仿真方法

王再见，邢青青，何国栋，冯友宏

(安徽师范大学 物理与电子信息学院，安徽 芜湖 241000)

0　引言

建立DiffServ+WLAN(Wireless Local Area Networks)网络仿真环境深入研究网络多媒体业务跨域端到端QoS(Quality of Service)性能，对有效开展网络多媒体业务至关重要。网络多媒体业务常常在吞吐量、延时、抖动等QoS指标上有严格要求，传输时需要网络提供相应的QoS保证[1-2]。但不同类型的网络具有不同的QoS支持能力，对QoS的理解/解释可能不同。例如DiffServ与WLAN网络的QoS定义和实现机制不完全一样，对业务/服务分类和QoS参数理解也并不一致。跨网络域的多媒体业务端到端QoS保证面临挑战，因此有必要建立有效的仿真环境用于网络多媒体业务QoS性能的研究。

DiffServ和IntServ是 IETF(Internet Engineering Task Force)最早提出解决IP网络QoS的两个典型方案。DiffServ基于类的体系结构提供定性的QoS支持，具有较好的可扩展性。IntServ使用资源预留协议RSVP(Resource Reservation Protocol)，对节点的存储能力有很高的要求，存在可扩展问题。WLAN能够使用户真正实现随时、随地、随意的宽带网络接入，IEEE802.11e使用HCCA(Hybrid Coordination Function-Controlled Channel Access)和EDCA(Enhanced Distributed Channel Access)两种信道接入方法用于增强QoS保证能力，定义了会话、视频、尽力而为和背景4种接入类。

未来的通信网络包含多种不同接入技术，传输一个端到端的业务需要跨越多个不同的网络类型。鉴于DiffServ和WLAN网络具有典型性，建立有效的DiffServ+WLAN网络仿真环境针对网络多媒体业务跨域传输端到端QoS性能测试具有重要意义。

文献[1]设计了Long Term Evolution-WLAN Aggregation网络，使用OPNET软件验证端到端QoS。文献[4]通过FTP电子邮件业务和HTTP业务在DiffServ和IntServ网络中测量QoS指标。文献给出一种UMTS与WLAN异构网络间端到端QoS映射的方案。

文献[8]介绍了在移动多媒体网络中跨层优化端到端服务的QoS保证方法，使多媒体业务例如移动视频应用得到高可靠的服务质量。文献[9]使用OPNET软件对DiffServ网络端到端QoS进行验证。文献[10]使用NS-2仿真软件验证在DiffServ网络中基于QoS模型支持移动实时通信。文献[11]使用IPv6流标签在DiffServ场景下研究QoS性能。

国内外学者针对IPv6流标签提出很多使用方法，如文献中使用区分服务模式，使用流标签区分服务的分类方法来代替IntServ和 RSVP[14]；使用流标签值表示端口号和协议的方式等。北京邮电大学的马严教授及其团队对20位的流标签设计了一种新型的定义方法。该改变方法定义简单，使用方便，加快了网络对聚合流的处理能力且很好地保障了流标签的扩展能力。华中科技大学的王迪尼等人[17]设计的流标签利用前三比特的处理标志进行7种流标签处理方式，留下一种处理方式进行扩展定义。这种方法利用了前3比特的不同定义包括了国外提出的5种流标签格式，设计方法丰富、有效，但是因其定义种类多样，使未定义类型较少，导致灵活性较差。

异构网络环境中传输一个端到端的业务需要跨越多个不同的网络类型[18]，建立有效的针对网络多媒体业务跨域传输端到端QoS性能测试仿真环境具有重要意义。

在现有的网络传输性能仿真工具中，OPNET软件使用范围较广，与Matlab、NS2等软件仿真相比，它更规范、更适合分析复杂网络的性能和行为。OPNET可以自动整理一系列仿真运行结果输出到文件中，适用于网络QoS指标的比较分析。但目前主要用于研究单一网络，供跨域端到端QoS性能分析的仿真环境尚未有效建立。

1　一种IPv6流标签的使用方法

IPv6的20比特流标签设置如表1所示，前3比特位定义流标签的功能，最后一个比特设置为保留位，当中间16个比特位不够使用时，可使用该保留位。

表1业务流标签设计

比特位1～34～1718～20功能定义流标签值流标签具体功能保留

前3比特位的定义如表1所示。如值为“011”表示PHB标志号的功能，可以用DSCP的值来确定差分服务，第4比特位至第9比特位的值预定义一个DSCP值，第10～12比特位的值预定义为带宽资源占用等级值，第13～15比特位的值预定义为用户需求等级值，第16～19比特位的值预定义业务类型编号值，剩下的2比特位作为保留位。

表2流标签首位3比特的定义表

首位3个比特功能简述000默认值的设定001随机数的流标号设定010使用跳到跳的扩展报头代替流标号011使用PHB标志号100使用端口号和协议号格式101QoS参数值的定义110保留111保留001随机数的流标号设定

本实验选择的网络多媒体业务为会议视频流与FTP，其中会议视频业务设置不同的服务类型(Type of Server,TOS)，Video1 Conference的TOS为EF，对应 DSCP为101110，Video2 Conference的TOS为AF31，对应DSCP为011010，FTP业务的服务类型定义为BF，DSCP为000000。

2　网络多媒体端到端QoS性能验证方法

2.1　框架介绍

DiffServ+WLAN网络拓扑构建如图1所示，由主模块和支撑模块组成，主模块由业务发送端、DiffServ+WLAN网络和业务接收端等组成，完成业务在DiffServ+WLAN网络的传输过程，支撑模块主要用于设置业务参数和业务排队方法等。

主模块功能逻辑关系如表3所示。

表3主模块信息表

模块名称功能简述客户端按ProfileConfig模块设置的方法发送指定业务交换机实现业务的转发路由器连接DiffServ与WLAN网络IP云支持32个可选数据速率的串行线路接口，通过这些数据速率建模IP流量服务器按ProfileConfig模块设置的方法接收指定业务

图1　网络模型拓扑图

支撑模块功能逻辑关系如表4所示。

表4支撑模块信息表

模块名称功能简述应用业务配置全局对象ApplicationConfig定义客户端所有产生的应用业务及参数，如所发数据包的大小、发包间隔概率。应用业务：FTP、VideoConference应用业务规格全局对象ProfileConfig进行应用业务规格配置，客户端在一定时间段内所进行的具体应用业务，如发送时间、发送时间间隔等服务质量配置QosConfig使用业务队列排队方法

环境配置流程如图2所示，指在DiffServ+WLAN网络拓扑中进行业务参数的配置，配置IPv6流标签，收集指定统计数据与运行等。

图2　仿真环境配置流程图

本文基于OPNET(版本号14.5 Educational Version)，将Pro-C语言和Visual c++6.0软件相结合，参数设置种类如下：

① 设置应用业务种类；

② 设置业务发送方式；

③ 设置统计数据收集的种类；

④ 设置业务排队方法为WFQ；

⑤ 配置IPv6地址与流标签；

⑥ 设置收集数据的显示方式，设置运行时间。

2.2　软件功能描述

2.2.1设置业务种类

① 在Application Config设置里的Application Definition里定义FTP和Video Conference这两种业务种类；

② 定义FTP和Video Conference这两种业务的应用业务参数，其中Video1 Application与Video2 Application的区别是DSCP值不同。

2.2.2设置业务发送方式

①在Profile Config的设置里的Profile Definition里定义需要配置的FTP Profile 和Video Conference Profile这两种业务种类；

② 定义FTP和Video Conference这两种业务的发送方法；

2.2.3设置结果统计参数

① 在工程主面板中点击工具栏的DES，选择Choose individual statistic；

② 选择仿真结果需要统计的参数；Global Statistic中选择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中选择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设置业务排队方法：WFQ

① 在工程主面板中点击工具栏的Protocol下的IP→QoS→Configuration QoS；

② 配置QoS参数为WFQ。

2.2.5设置IPv6地址和流标签

Ⅰ.在运行环境中配置IPv6地址。在工程主面板中点击工具栏的Protocols→IPV6→Auto-Assign IPv6 Address。

Ⅱ.在网络拓扑中设置流标签属性。在进程模型添加该功能属性，以业务客户端1(FTP Client)为例。

① 进程模型：打开FTP Client节点模型后，在节点模型中ip_encap进程中打开Interface->Model Attribute，设置复合属性tos_to_fl，属性分支为ToS和Flow Label；

② 新添加的属性提升至网络层：右击ip_encap模块，单击Edit Attributes，tos_to_fl设置为promoted。

Ⅲ.设置属性tos_to_fl的值：在网络层中打开FTP Client节点，单击Edit Attributes，设tos=0，Flow Label=0。

注意：tos_to_fl值为业务ToS对应的流标签值。

Ⅳ.在ip_dgram_sup.h 头文件中的IP数据报的地址中定义int型的flowlabel。

Ⅴ.打开FTP Client节点模型中的ip_encap进程，在双击ENCAP的Enter Executive。

① 定义运行中使用的属性：tos_to_fl和flowlable；

② 判断网络中使用的地址为IPv4还是IPv6，若为IPv6，则根据TOS的值定义flowlable的值；

③ 外部C代码中初始化流标签值与显示流标签值。

④ 在服务器端设置TOS值和流标签值，后台程序将流标签值转化到相应的ToS值。

a.如步骤Ⅲ中设置,ToS=0,Flow Label=0；

b.双击FTP Client打开节点模型，再双击节点模型中的ip_encap进程，最后双击DECAP的Enter Executive。

设置IPv6地址和流标签的流程如图3所示。

图3　设置IPv6地址和流标签流程

2.2.6设置运行时间和查看运行结果

① 设置运行时间和方式，本文设600 s；

② 查看运行结果，在工程主面板中点击工具栏的DES→Results→View Results，选择需要查看的结果；

③ 选择查看的参数，查看结果，Scenario1为加入流标签的DiffServ+WLAN网络，Scenario2为未加入流标签的DiffServ+WLAN网络。

3　仿真

3.1　仿真环境配置

为了准确地验证DiffServ+WLAN跨域网络的端到端QoS性能，网络配置参数如表5所示。

表5网络配置参数

配置属性属性参数客户端、交换器和路由器之间连接线路的传输速率100Mbps路由器与IP云连接线路的传输速率44．736Mbps路由器连接线路传输速率2．048MbpsIP环境IPv6排队规则WFQ运行时间600s

3.2　仿真结果

视频会议业务2(Video2 Conference)的服务类型为确保型转发31(Assured Forward 31，AF31)，属于AF中的一种。视频会议业务3(Video3 Conference)的服务类型为加速型转发(Expedited Forwarding，EF)，该服务类型优先级要高于AF31，但与优先级EF相差不大。如文献[5]可知，优先级较高的EF转发业务流的端到端延时统计要小于优先级低的AF31。如图4所示，菱形曲线表示Video3 Conference业务的端到端延时，值约为0.046 5 s。星形曲线表示Video2 Conference业务的端到端延时，值约为0.051 s，比Video3Conference业务端到端延时大，但是数值相差较小，验证了EF的优先级大于AF31。

图4　业务video2(AF31)和video1(EF)的延时

图5、图6和图7为仿真结果图，菱形曲线表示加入了流标签机制的DiffServ+WLAN模拟场景；图中使用星形曲线表示未加入流标签机制的DiffServ+WLAN模拟场景。

图5　视频会议业务的端到端延时

图6　视频会议业务的端到端延时抖动

图7　IPv6下网络丢包率

图5为在不同场景下视频会议业务的端到端延时结果，在DiffServ+WLAN跨域网络中未加入流标签机制时，视频会议业务的端到端延时约为0.055 s；而加入流标签机制时视频会议业务的端到端延时约为0.045 s。由图5可以看出，在加入流标签的跨域网络中，端到端延时可降低0.01 s左右，约降低18.2%。图6中开始运行时未加入流标签的网络拓扑中延时较为不稳定，运行时间达到约3 min时延时抖动逐渐稳定。当网络运动达到稳定状态时，加入流标签机制的网络拓扑中延时抖动由原网络的0.000 125降低至0.000 03，延时抖动降低了约76%。由图7可知，在开始运行阶段DiffServ+WLAN网络的丢包率较高，随着运行时间的增加，丢包率经过一个大的增加之后逐渐趋于稳定。但总体看来，加入流标签的DiffServ+WLAN网络场景中丢包率性能要明显优于未加入流标签的DiffServ+WLAN网络场景，运行至约9 min之后，两者场景的丢包率差距越来越小。综上所述，加入流标签的DiffServ+WLAN网络场景中的端到端QoS保证要优于未加入流标签的DiffServ+WLAN网络场景的网络性能。其中延时可降低约18.2%，延时抖动降低了约76%，丢包率在初始运行阶段网络性能较好，但在一段时间后丢包率差距逐渐减小。

4　结束语

本文针对DiffServ+WLAN网络环境下，典型网络多媒体业务端到端QoS性能研究，设计了一种基于OPNET的DiffServ+WLAN网络仿真方法。本文主要贡献如下：① 基于OPNET实现DiffServ+WLAN网络环境下的典型多媒体业务传输的仿真，可灵活设置多媒体流类型和参数，便于获取各种网络性能数据(如网络延时、网络延时抖动和丢包率等)；② 结合DiffServ和WLAN中业务/服务分类，给出IPv6流标签的使用方法。本文方法业务类型/参数设置灵活，完整考虑了业务发送、数据包排队、业务运行时间、统计数据和查看结果等，可扩展性较好、操作方便。

[1]Qiao J,Shen X S,Mark J W,et al.Video Quality Provisioning for Millimeter Wave 5G Cellular Networks With Link Outage[J].IEEE Transactions on Wireless Communications,2015,14(10): 5692-5703.

[2]Cheng W,Zhang X,Zhang H.Heterogeneous Statistical QoS Provisioning for Downlink Transmissions over Mobile Wireless Cellular Networks[C]∥Global Communications Conference.IEEE,2014:4622-4628.

[3]Singh K,Jayashree P.Improving WLAN QoS for Multimedia Application Using MAC and Application Layer (MAP) Approach[C]∥International Conference on Recent Trends in Information Technology.IEEE,2014:1-7.

[4]Yildirim A S,Girici T.Cloud Technology and Performance Improvement with Intserv over Diffserv for Cloud Computing[C]∥2014 International Conference on Future Internet of Things and Cloud,2014: 222-229.

[5]Mammeri Z.Framework for Parameter Mapping to Provide End-to-end QoS Guarantees in IntServ/DiffServ Architectures[J].Computer Communications,2005,28(9):1074-1092.

[6]Jain A,Tokekar S.QoS Mapping Approach for UMTS-WLAN Integrated Network[C]∥2016 International Conference on Computational Intelligence & Communication Technology,2016:237-241.

[7]Shifat A S M Z,Chowdhury M Z.Game Theory Based Spectrum Sharing for QoS Provisioning in Heterogeneous Networks[C]∥International Conference on Informatics,Electronics and Vision.IEEE,2016:272-275.

[8]Vo N S,Duong T Q,Zepernick H J，et al.A Cross-Layer Optimized Scheme and Its Application in Mobile Multimedia Networks With QoS Provision[J].IEEE Systems Journal,2016,10(2): 817-830.

[9]张蕾,苏锦海,张永福.OPNET环境下DiffServ机制的仿真[J].计算机工程,2007,25(4):94-96.

[10] Hussein L F,Hashim A H A,Habaebi M H,et al.Performance Comparison of (Diff-FH NEMO) Scheme in IPv6-Based Network Mobility[C]∥2016 International Conference on Computer and Communication Engineering (ICCCE),2016: 288-293.

[11] 王洪信.基于IPv6流标签的QoS研究[D].沈阳：辽宁大学,2011.

[12] Mohamde M,Moumkine N,Adib A.An IPv6 Flow Label Based Approach for IPTV Quality of Service[C]∥2017 International Conference on Wireless Networks and Mobile Communications (WINCOM),2017:1-7.

[13] Heise Netze.Rationale for Update to the IPv6 Flow Label Specification.RFC6437[S],2011.

[14] Modares H,Moravejosharieh A,Lloret J.A Survey on Proxy Mobile IPv6 Handover[J].IEEE Systems Journal,2016,10(1): 208-217.

[15] 孙琼.下一代互联网的报文标识与查找技术的研究[D].北京:北京邮电大学,2010.

[16] 高程,黄小红,孙琼，等.OPNET中支持Flow Label的网络模型设计与实现[J].计算机科学,2009 (03): 284-287.

[17] 王迪尼.IPv6流标签机制的实现与应用[D].武汉：华中科技大学,2012.

[18] Xu L,Nallanathan A,Yang Y.Video Packet Scheduling with Stochastic QoS for Cognitive Heterogeneous Networks[J].IEEE Transactions on Vehicular Technology,2017,66(8):7518-7526.

[19] Rawal C,Gupta R.A Research on Point to Point QOS in 3G Using OPNET MODELER[C]∥2016 3rd International Conference on Computing for Sustainable Global Development (INDIACom),2016: 796-799.

[20] Yang Shaojun,SHI Haoshan,CHEN Min.Study and Simulation of QOS-based Routing for Wireless Sensor Networks Based on OPNET[J].Journal of Transcluction Technology,2005,18(3):1-5.