實驗室流媒體交換機性能仿真分析

國家摩托車質量監督檢驗中心 楊 棟 方 華 李曙光

?

實驗室流媒體交換機性能仿真分析

國家摩托車質量監督檢驗中心 楊 棟 方 華 李曙光

【摘要】網絡技術的快速發展致使單一的數據流已無法滿足摩托車檢測機構對通信的需求，而多媒體通信等綜合通信正取而代之。基于流媒體業務傳輸特性，IEEE 802.1 AVB工作組制定了IEEE Std 802.1 BATM標準。對該標準的理論結合實踐的仿真工作研究目前已有一些，但多種數據流轉發機制方面的仿真分析尚淺。本文將以此為重點對設備的轉發技術進行研究分析。

【關鍵詞】流媒體；數據傳輸；以太網轉發；摩托車檢測

1 引言

在以往的以太網技術中，偏重于處理單一的靜態非實時數據流。而多媒體實時數據在傳輸過程中與普通異步TCP流存在資源競爭問題，雖然為了解決這一矛盾在網絡結構中引入了服務質量機制及優先級機制，但傳輸過程中產生的過多延遲和抖動，還是降低了網絡的性能。

現在的流媒體傳輸不再是某個單一的業數據流傳輸，而是一種綜合數據流[1]，其由多個數據流復用形成組成。流媒體傳輸網絡的性能指標主要表現在以下三個方面。

（1）可靠性和實時性。為了確保實時場景的感受，對通信系統的可靠性及實時性有著嚴格的要求。

（2）時空約束。將兩個對象建立時間與空間上的約束和關聯。

（3）高帶寬。網絡需具備100Mbps以上的數據傳輸速率，方可滿足多媒體業務的快速轉發及多媒體應用的需要。

隨著摩托車檢測機構對于在檢測中數據形式的更多渴求以及對于數據的傳輸速度、時效性等的進一步需求，如何提高數據實時且精準傳輸尤為重要。基于流媒體交換機的傳輸技術非常符合現實要求，因此對于流媒體交換機在傳輸過程中的特性進行研究有其必要性。本文基于仿真軟件對流媒體交換機的傳輸特性進行驗證，以期達到應用于摩托車檢測機構實驗室多種數據有效傳輸的目的。

2 實時流媒體交換系統仿真

采用OPNET Modeler[2]網絡仿真軟件對流媒體交換系統進行有效性驗證，分別對多種數據交換技術構成的AVB系統進行仿真，并從時延、抖動等角度對系統進行分析對比。

2.1 AVB組件及非AVB組件構成的交換系統

為了滿足交互式流媒體的多種傳輸，采用在相同的一個域內用組播的傳輸方式，實現將AVB組件及其他非AVB組件相互構成的一個網絡互連系統。仿真網絡的拓撲圖如圖2-1中所示。有拓撲圖可看出，在同一個域內多個端子節點其與交換機的拓撲使用具有代表性節點來替代。具體節點表示為：AVB end1和end2、AVB end4和end5為多種流媒體數據流端節點，Non-AVB end3和end6為單一數據端節點，其中AVB為流媒體數據流交換機節點，而Non-AVB為傳統以太網交換機節點。

圖2-1　基于流媒體交換技術的系統仿真拓撲圖

2.2 流媒體性能仿真網絡拓撲結構

圖2-2的網絡拓撲圖代表為流媒體交換系統，不同域結構中的AVB組件及其他非AVB組件以及端節點按照從左至右的順序分布。數據交換開始時，轉發數據庫序列是空的，因為這時交換機的數據交換服務剛剛進入。當交換機收到一幀數據后，幀中的源地址將會被解析出來，同時該幀數據接收時所攜帶的輸入端口號會一同存入轉發數據庫中。

圖2-2　語音視頻交換系統網絡拓撲圖

2.3 流媒體交換機的節點設計

拓撲中對于流媒體數據流交換機節點設計是重點。在本仿真中對于交換機分別設置接收和發送兩組每組四個收發機，每組收、發機相對應仿真拓撲機構中相互連接的四個端口。通信開始時，當接收機接收到不同數據流后，按照等效帶寬的理論，通過分析數據流中幀字段的優先級，按照順序對其進行資源的分配并將其放入相應的隊列中去進行排隊等候，然后再按照指令進行數據幀的轉發。

圖2-3　語音視頻交換機節點模型

2.4 仿真設置及結果分析

在仿真的過程中，考慮到對于流媒體交換機數據傳輸時，延時和延遲抖動時影響其性能的關鍵因素，因此在仿真時設置了端到端的兩個全局統計量，分別為延遲和延遲抖動。在三種數據流的傳輸過程中，視頻和數據流對于延遲和延遲抖動反應不是很敏感，而音頻對于延遲和延遲抖動的反應很敏感，也就是說音頻對于抖動和延遲抖動這種網絡性能要求最為嚴格。為解決這種抖動引起的傳輸不同步、用戶體驗不佳的問題，流媒體交換機數據傳輸時采用優先級的區分及預留協議這些措施來加以解決。而對于摩托車檢測機構來說，音頻的傳輸敏感的問題幾乎不影響試驗的進行，實驗室主要側重的實時、快速的視頻及數據流這兩種數據的傳輸。

3 結論

從直觀上說，即視覺過程不像聽覺那樣靈敏。三種數據流對于延時的要求都很高，過多的延時很可能導致數據傳輸質量的惡化。在實時傳輸過程中，三種數據流都是同步進行傳輸，因此傳輸時的延遲、抖動對其影響都是相同的。過大的抖動會影響數據傳輸時的同步性，對數據質量也構成了極大的影響。在仿真中，三種數據流從端到端之間的延遲和抖動差異較大，在傳輸過程中傳輸的數據幀大小、鏈路速率都相同，但流媒體交換機在數據處理時，采用優先級的區分及預留協議這些措施來減小各種不同數據間對資源的競爭，延時和傳輸質量都得到了很好地控制。對于摩托車檢測機構來說，試驗中的實時監控數據、視頻監控能很好的通過流媒體交換機進行傳輸，保證試驗中實驗過程中誤差的減小和實驗數據的準確。

參考文獻

[1]韓立凱,高寅生,雷偉軍.計算機網絡[M].北京:清華大學出版社,2012.

[2]IEEE Std 802.1QavTM-2009,Forwarding and Queuing Enhancements for Time-Sensitive Streams[S].IEEE:2010.

[3]易軍凱,李志彤.改進的實時流媒體中流量自適應控制機制[J].計算機工程與應用,2013,49(3):101-103.

楊棟（1983—），男，碩士，國家摩托車質量監督檢驗中心助理工程師，主要從事設備管理工作。

作者簡介：