一種基于OPNET的DiffServ+WLAN網(wǎng)絡(luò)多媒體端到端QoS性能仿真方法

王再見，邢青青，何國(guó)棟，馮友宏

(安徽師范大學(xué) 物理與電子信息學(xué)院，安徽 蕪湖 241000)

0　引言

建立DiffServ+WLAN(Wireless Local Area Networks)網(wǎng)絡(luò)仿真環(huán)境深入研究網(wǎng)絡(luò)多媒體業(yè)務(wù)跨域端到端QoS(Quality of Service)性能，對(duì)有效開展網(wǎng)絡(luò)多媒體業(yè)務(wù)至關(guān)重要。網(wǎng)絡(luò)多媒體業(yè)務(wù)常常在吞吐量、延時(shí)、抖動(dòng)等QoS指標(biāo)上有嚴(yán)格要求，傳輸時(shí)需要網(wǎng)絡(luò)提供相應(yīng)的QoS保證[1-2]。但不同類型的網(wǎng)絡(luò)具有不同的QoS支持能力，對(duì)QoS的理解/解釋可能不同。例如DiffServ與WLAN網(wǎng)絡(luò)的QoS定義和實(shí)現(xiàn)機(jī)制不完全一樣，對(duì)業(yè)務(wù)/服務(wù)分類和QoS參數(shù)理解也并不一致。跨網(wǎng)絡(luò)域的多媒體業(yè)務(wù)端到端QoS保證面臨挑戰(zhàn)，因此有必要建立有效的仿真環(huán)境用于網(wǎng)絡(luò)多媒體業(yè)務(wù)QoS性能的研究。

DiffServ和IntServ是 IETF(Internet Engineering Task Force)最早提出解決IP網(wǎng)絡(luò)QoS的兩個(gè)典型方案。DiffServ基于類的體系結(jié)構(gòu)提供定性的QoS支持，具有較好的可擴(kuò)展性。IntServ使用資源預(yù)留協(xié)議RSVP(Resource Reservation Protocol)，對(duì)節(jié)點(diǎn)的存儲(chǔ)能力有很高的要求，存在可擴(kuò)展問題。WLAN能夠使用戶真正實(shí)現(xiàn)隨時(shí)、隨地、隨意的寬帶網(wǎng)絡(luò)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(qiáng)QoS保證能力，定義了會(huì)話、視頻、盡力而為和背景4種接入類。

未來的通信網(wǎng)絡(luò)包含多種不同接入技術(shù)，傳輸一個(gè)端到端的業(yè)務(wù)需要跨越多個(gè)不同的網(wǎng)絡(luò)類型。鑒于DiffServ和WLAN網(wǎng)絡(luò)具有典型性，建立有效的DiffServ+WLAN網(wǎng)絡(luò)仿真環(huán)境針對(duì)網(wǎng)絡(luò)多媒體業(yè)務(wù)跨域傳輸端到端QoS性能測(cè)試具有重要意義。

文獻(xiàn)[1]設(shè)計(jì)了Long Term Evolution-WLAN Aggregation網(wǎng)絡(luò)，使用OPNET軟件驗(yàn)證端到端QoS。文獻(xiàn)[4]通過FTP電子郵件業(yè)務(wù)和HTTP業(yè)務(wù)在DiffServ和IntServ網(wǎng)絡(luò)中測(cè)量QoS指標(biāo)。文獻(xiàn)給出一種UMTS與WLAN異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)間端到端QoS映射的方案。

文獻(xiàn)[8]介紹了在移動(dòng)多媒體網(wǎng)絡(luò)中跨層優(yōu)化端到端服務(wù)的QoS保證方法，使多媒體業(yè)務(wù)例如移動(dòng)視頻應(yīng)用得到高可靠的服務(wù)質(zhì)量。文獻(xiàn)[9]使用OPNET軟件對(duì)DiffServ網(wǎng)絡(luò)端到端QoS進(jìn)行驗(yàn)證。文獻(xiàn)[10]使用NS-2仿真軟件驗(yàn)證在DiffServ網(wǎng)絡(luò)中基于QoS模型支持移動(dòng)實(shí)時(shí)通信。文獻(xiàn)[11]使用IPv6流標(biāo)簽在DiffServ場(chǎng)景下研究QoS性能。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)IPv6流標(biāo)簽提出很多使用方法，如文獻(xiàn)中使用區(qū)分服務(wù)模式，使用流標(biāo)簽區(qū)分服務(wù)的分類方法來代替IntServ和 RSVP[14]；使用流標(biāo)簽值表示端口號(hào)和協(xié)議的方式等。北京郵電大學(xué)的馬嚴(yán)教授及其團(tuán)隊(duì)對(duì)20位的流標(biāo)簽設(shè)計(jì)了一種新型的定義方法。該改變方法定義簡(jiǎn)單，使用方便，加快了網(wǎng)絡(luò)對(duì)聚合流的處理能力且很好地保障了流標(biāo)簽的擴(kuò)展能力。華中科技大學(xué)的王迪尼等人[17]設(shè)計(jì)的流標(biāo)簽利用前三比特的處理標(biāo)志進(jìn)行7種流標(biāo)簽處理方式，留下一種處理方式進(jìn)行擴(kuò)展定義。這種方法利用了前3比特的不同定義包括了國(guó)外提出的5種流標(biāo)簽格式，設(shè)計(jì)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(dǎo)致靈活性較差。

異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中傳輸一個(gè)端到端的業(yè)務(wù)需要跨越多個(gè)不同的網(wǎng)絡(luò)類型[18]，建立有效的針對(duì)網(wǎng)絡(luò)多媒體業(yè)務(wù)跨域傳輸端到端QoS性能測(cè)試仿真環(huán)境具有重要意義。

在現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)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(guī)范、更適合分析復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的性能和行為。OPNET可以自動(dòng)整理一系列仿真運(yùn)行結(jié)果輸出到文件中，適用于網(wǎng)絡(luò)QoS指標(biāo)的比較分析。但目前主要用于研究單一網(wǎng)絡(luò)，供跨域端到端QoS性能分析的仿真環(huán)境尚未有效建立。

1　一種IPv6流標(biāo)簽的使用方法

IPv6的20比特流標(biāo)簽設(shè)置如表1所示，前3比特位定義流標(biāo)簽的功能，最后一個(gè)比特設(shè)置為保留位，當(dāng)中間16個(gè)比特位不夠使用時(shí)，可使用該保留位。

表1業(yè)務(wù)流標(biāo)簽設(shè)計(jì)

比特位1～34～1718～20功能定義流標(biāo)簽值流標(biāo)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(biāo)志號(hào)的功能，可以用DSCP的值來確定差分服務(wù)，第4比特位至第9比特位的值預(yù)定義一個(gè)DSCP值，第10～12比特位的值預(yù)定義為帶寬資源占用等級(jí)值，第13～15比特位的值預(yù)定義為用戶需求等級(jí)值，第16～19比特位的值預(yù)定義業(yè)務(wù)類型編號(hào)值，剩下的2比特位作為保留位。

表2流標(biāo)簽首位3比特的定義表

首位3個(gè)比特功能簡(jiǎn)述000默認(rèn)值的設(shè)定001隨機(jī)數(shù)的流標(biāo)號(hào)設(shè)定010使用跳到跳的擴(kuò)展報(bào)頭代替流標(biāo)號(hào)011使用PHB標(biāo)志號(hào)100使用端口號(hào)和協(xié)議號(hào)格式101QoS參數(shù)值的定義110保留111保留001隨機(jī)數(shù)的流標(biāo)號(hào)設(shè)定

本實(shí)驗(yàn)選擇的網(wǎng)絡(luò)多媒體業(yè)務(wù)為會(huì)議視頻流與FTP，其中會(huì)議視頻業(yè)務(wù)設(shè)置不同的服務(wù)類型(Type of Server,TOS)，Video1 Conference的TOS為EF，對(duì)應(yīng) DSCP為101110，Video2 Conference的TOS為AF31，對(duì)應(yīng)DSCP為011010，F(xiàn)TP業(yè)務(wù)的服務(wù)類型定義為BF，DSCP為000000。

2　網(wǎng)絡(luò)多媒體端到端QoS性能驗(yàn)證方法

2.1　框架介紹

DiffServ+WLAN網(wǎng)絡(luò)拓?fù)錁?gòu)建如圖1所示，由主模塊和支撐模塊組成，主模塊由業(yè)務(wù)發(fā)送端、DiffServ+WLAN網(wǎng)絡(luò)和業(yè)務(wù)接收端等組成，完成業(yè)務(wù)在DiffServ+WLAN網(wǎng)絡(luò)的傳輸過程，支撐模塊主要用于設(shè)置業(yè)務(wù)參數(shù)和業(yè)務(wù)排隊(duì)方法等。

主模塊功能邏輯關(guān)系如表3所示。

表3主模塊信息表

模塊名稱功能簡(jiǎn)述客戶端按ProfileConfig模塊設(shè)置的方法發(fā)送指定業(yè)務(wù)交換機(jī)實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)的轉(zhuǎn)發(fā)路由器連接DiffServ與WLAN網(wǎng)絡(luò)IP云支持32個(gè)可選數(shù)據(jù)速率的串行線路接口，通過這些數(shù)據(jù)速率建模IP流量服務(wù)器按ProfileConfig模塊設(shè)置的方法接收指定業(yè)務(wù)

圖1　網(wǎng)絡(luò)模型拓?fù)鋱D

支撐模塊功能邏輯關(guān)系如表4所示。

表4支撐模塊信息表

模塊名稱功能簡(jiǎn)述應(yīng)用業(yè)務(wù)配置全局對(duì)象ApplicationConfig定義客戶端所有產(chǎn)生的應(yīng)用業(yè)務(wù)及參數(shù)，如所發(fā)數(shù)據(jù)包的大小、發(fā)包間隔概率。應(yīng)用業(yè)務(wù)：FTP、VideoConference應(yīng)用業(yè)務(wù)規(guī)格全局對(duì)象ProfileConfig進(jìn)行應(yīng)用業(yè)務(wù)規(guī)格配置，客戶端在一定時(shí)間段內(nèi)所進(jìn)行的具體應(yīng)用業(yè)務(wù)，如發(fā)送時(shí)間、發(fā)送時(shí)間間隔等服務(wù)質(zhì)量配置QosConfig使用業(yè)務(wù)隊(duì)列排隊(duì)方法

環(huán)境配置流程如圖2所示，指在DiffServ+WLAN網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渲羞M(jìn)行業(yè)務(wù)參數(shù)的配置，配置IPv6流標(biāo)簽，收集指定統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)與運(yùn)行等。

圖2　仿真環(huán)境配置流程圖

本文基于OPNET(版本號(hào)14.5 Educational Version)，將Pro-C語言和Visual c++6.0軟件相結(jié)合，參數(shù)設(shè)置種類如下：

① 設(shè)置應(yīng)用業(yè)務(wù)種類；

② 設(shè)置業(yè)務(wù)發(fā)送方式；

③ 設(shè)置統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)收集的種類；

④ 設(shè)置業(yè)務(wù)排隊(duì)方法為WFQ；

⑤ 配置IPv6地址與流標(biāo)簽；

⑥ 設(shè)置收集數(shù)據(jù)的顯示方式，設(shè)置運(yùn)行時(shí)間。

2.2　軟件功能描述

2.2.1設(shè)置業(yè)務(wù)種類

① 在Application Config設(shè)置里的Application Definition里定義FTP和Video Conference這兩種業(yè)務(wù)種類；

② 定義FTP和Video Conference這兩種業(yè)務(wù)的應(yīng)用業(yè)務(wù)參數(shù)，其中Video1 Application與Video2 Application的區(qū)別是DSCP值不同。

2.2.2設(shè)置業(yè)務(wù)發(fā)送方式

①在Profile Config的設(shè)置里的Profile Definition里定義需要配置的FTP Profile 和Video Conference Profile這兩種業(yè)務(wù)種類；

② 定義FTP和Video Conference這兩種業(yè)務(wù)的發(fā)送方法；

2.2.3設(shè)置結(jié)果統(tǒng)計(jì)參數(shù)

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

② 選擇仿真結(jié)果需要統(tǒng)計(jì)的參數(shù)；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(shè)置業(yè)務(wù)排隊(duì)方法：WFQ

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

② 配置QoS參數(shù)為WFQ。

2.2.5設(shè)置IPv6地址和流標(biāo)簽

Ⅰ.在運(yùn)行環(huán)境中配置IPv6地址。在工程主面板中點(diǎn)擊工具欄的Protocols→IPV6→Auto-Assign IPv6 Address。

Ⅱ.在網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渲性O(shè)置流標(biāo)簽屬性。在進(jìn)程模型添加該功能屬性，以業(yè)務(wù)客戶端1(FTP Client)為例。

① 進(jìn)程模型：打開FTP Client節(jié)點(diǎn)模型后，在節(jié)點(diǎn)模型中ip_encap進(jìn)程中打開Interface->Model Attribute，設(shè)置復(fù)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(wǎng)絡(luò)層：右擊ip_encap模塊，單擊Edit Attributes，tos_to_fl設(shè)置為promoted。

Ⅲ.設(shè)置屬性tos_to_fl的值：在網(wǎng)絡(luò)層中打開FTP Client節(jié)點(diǎn)，單擊Edit Attributes，設(shè)tos=0，F(xiàn)low Label=0。

注意：tos_to_fl值為業(yè)務(wù)ToS對(duì)應(yīng)的流標(biāo)簽值。

Ⅳ.在ip_dgram_sup.h 頭文件中的IP數(shù)據(jù)報(bào)的地址中定義int型的flowlabel。

Ⅴ.打開FTP Client節(jié)點(diǎn)模型中的ip_encap進(jìn)程，在雙擊ENCAP的Enter Executive。

① 定義運(yùn)行中使用的屬性：tos_to_fl和flowlable；

② 判斷網(wǎng)絡(luò)中使用的地址為IPv4還是IPv6，若為IPv6，則根據(jù)TOS的值定義flowlable的值；

③ 外部C代碼中初始化流標(biāo)簽值與顯示流標(biāo)簽值。

④ 在服務(wù)器端設(shè)置TOS值和流標(biāo)簽值，后臺(tái)程序?qū)⒘鳂?biāo)簽值轉(zhuǎn)化到相應(yīng)的ToS值。

a.如步驟Ⅲ中設(shè)置,ToS=0,Flow Label=0；

b.雙擊FTP Client打開節(jié)點(diǎn)模型，再雙擊節(jié)點(diǎn)模型中的ip_encap進(jìn)程，最后雙擊DECAP的Enter Executive。

設(shè)置IPv6地址和流標(biāo)簽的流程如圖3所示。

圖3　設(shè)置IPv6地址和流標(biāo)簽流程

2.2.6設(shè)置運(yùn)行時(shí)間和查看運(yùn)行結(jié)果

① 設(shè)置運(yùn)行時(shí)間和方式，本文設(shè)600 s；

② 查看運(yùn)行結(jié)果，在工程主面板中點(diǎn)擊工具欄的DES→Results→View Results，選擇需要查看的結(jié)果；

③ 選擇查看的參數(shù)，查看結(jié)果，Scenario1為加入流標(biāo)簽的DiffServ+WLAN網(wǎng)絡(luò)，Scenario2為未加入流標(biāo)簽的DiffServ+WLAN網(wǎng)絡(luò)。

3　仿真

3.1　仿真環(huán)境配置

為了準(zhǔn)確地驗(yàn)證DiffServ+WLAN跨域網(wǎng)絡(luò)的端到端QoS性能，網(wǎng)絡(luò)配置參數(shù)如表5所示。

表5網(wǎng)絡(luò)配置參數(shù)

配置屬性屬性參數(shù)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(huán)境IPv6排隊(duì)規(guī)則WFQ運(yùn)行時(shí)間600s

3.2　仿真結(jié)果

視頻會(huì)議業(yè)務(wù)2(Video2 Conference)的服務(wù)類型為確保型轉(zhuǎn)發(fā)31(Assured Forward 31，AF31)，屬于AF中的一種。視頻會(huì)議業(yè)務(wù)3(Video3 Conference)的服務(wù)類型為加速型轉(zhuǎn)發(fā)(Expedited Forwarding，EF)，該服務(wù)類型優(yōu)先級(jí)要高于AF31，但與優(yōu)先級(jí)EF相差不大。如文獻(xiàn)[5]可知，優(yōu)先級(jí)較高的EF轉(zhuǎn)發(fā)業(yè)務(wù)流的端到端延時(shí)統(tǒng)計(jì)要小于優(yōu)先級(jí)低的AF31。如圖4所示，菱形曲線表示Video3 Conference業(yè)務(wù)的端到端延時(shí)，值約為0.046 5 s。星形曲線表示Video2 Conference業(yè)務(wù)的端到端延時(shí)，值約為0.051 s，比Video3Conference業(yè)務(wù)端到端延時(shí)大，但是數(shù)值相差較小，驗(yàn)證了EF的優(yōu)先級(jí)大于AF31。

圖4　業(yè)務(wù)video2(AF31)和video1(EF)的延時(shí)

圖5、圖6和圖7為仿真結(jié)果圖，菱形曲線表示加入了流標(biāo)簽機(jī)制的DiffServ+WLAN模擬場(chǎng)景；圖中使用星形曲線表示未加入流標(biāo)簽機(jī)制的DiffServ+WLAN模擬場(chǎng)景。

圖5　視頻會(huì)議業(yè)務(wù)的端到端延時(shí)

圖6　視頻會(huì)議業(yè)務(wù)的端到端延時(shí)抖動(dòng)

圖7　IPv6下網(wǎng)絡(luò)丟包率

圖5為在不同場(chǎng)景下視頻會(huì)議業(yè)務(wù)的端到端延時(shí)結(jié)果，在DiffServ+WLAN跨域網(wǎng)絡(luò)中未加入流標(biāo)簽機(jī)制時(shí)，視頻會(huì)議業(yè)務(wù)的端到端延時(shí)約為0.055 s；而加入流標(biāo)簽機(jī)制時(shí)視頻會(huì)議業(yè)務(wù)的端到端延時(shí)約為0.045 s。由圖5可以看出，在加入流標(biāo)簽的跨域網(wǎng)絡(luò)中，端到端延時(shí)可降低0.01 s左右，約降低18.2%。圖6中開始運(yùn)行時(shí)未加入流標(biāo)簽的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渲醒訒r(shí)較為不穩(wěn)定，運(yùn)行時(shí)間達(dá)到約3 min時(shí)延時(shí)抖動(dòng)逐漸穩(wěn)定。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)動(dòng)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，加入流標(biāo)簽機(jī)制的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渲醒訒r(shí)抖動(dòng)由原網(wǎng)絡(luò)的0.000 125降低至0.000 03，延時(shí)抖動(dòng)降低了約76%。由圖7可知，在開始運(yùn)行階段DiffServ+WLAN網(wǎng)絡(luò)的丟包率較高，隨著運(yùn)行時(shí)間的增加，丟包率經(jīng)過一個(gè)大的增加之后逐漸趨于穩(wěn)定。但總體看來，加入流標(biāo)簽的DiffServ+WLAN網(wǎng)絡(luò)場(chǎng)景中丟包率性能要明顯優(yōu)于未加入流標(biāo)簽的DiffServ+WLAN網(wǎng)絡(luò)場(chǎng)景，運(yùn)行至約9 min之后，兩者場(chǎng)景的丟包率差距越來越小。綜上所述，加入流標(biāo)簽的DiffServ+WLAN網(wǎng)絡(luò)場(chǎng)景中的端到端QoS保證要優(yōu)于未加入流標(biāo)簽的DiffServ+WLAN網(wǎng)絡(luò)場(chǎng)景的網(wǎng)絡(luò)性能。其中延時(shí)可降低約18.2%，延時(shí)抖動(dòng)降低了約76%，丟包率在初始運(yùn)行階段網(wǎng)絡(luò)性能較好，但在一段時(shí)間后丟包率差距逐漸減小。

4　結(jié)束語

本文針對(duì)DiffServ+WLAN網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，典型網(wǎng)絡(luò)多媒體業(yè)務(wù)端到端QoS性能研究，設(shè)計(jì)了一種基于OPNET的DiffServ+WLAN網(wǎng)絡(luò)仿真方法。本文主要貢獻(xiàn)如下：① 基于OPNET實(shí)現(xiàn)DiffServ+WLAN網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的典型多媒體業(yè)務(wù)傳輸?shù)姆抡妫伸`活設(shè)置多媒體流類型和參數(shù)，便于獲取各種網(wǎng)絡(luò)性能數(shù)據(jù)(如網(wǎng)絡(luò)延時(shí)、網(wǎng)絡(luò)延時(shí)抖動(dòng)和丟包率等)；② 結(jié)合DiffServ和WLAN中業(yè)務(wù)/服務(wù)分類，給出IPv6流標(biāo)簽的使用方法。本文方法業(yè)務(wù)類型/參數(shù)設(shè)置靈活，完整考慮了業(yè)務(wù)發(fā)送、數(shù)據(jù)包排隊(duì)、業(yè)務(wù)運(yùn)行時(shí)間、統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)和查看結(jié)果等，可擴(kuò)展性較好、操作方便。

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