海上靶場IP網絡時延分析及對策

邵凌

（91550部隊，遼寧大連，116023）

0 引言

海上靶場通信網絡承載著海軍武器裝備試驗所有實時信息的傳輸，信息傳輸容量大、地域廣，對信息傳輸的實時性要求較高，地面鏈路傳輸的時延要求在100ms以內。目前試驗通信系統主用接入網絡已由DDN過渡到以光寬帶傳輸為基礎的IP網絡，帶寬擴大了，接入更加便利了，但實時性降低了，分組交換體制等各種因素帶來的網絡時延對信息傳輸實時性的影響不容忽視，需采取有效措施以滿足靶場通信保障需求。

1 IP包時延的因素分析

IP包時延等于從發送端到達接收端所經過的轉發路徑中所有轉發段的時延之和，每一個轉發段的時延由四部分組成：傳輸時延、傳播時延、處理時延、排隊時延。

1.1 傳輸時延

傳輸時延為終端將一個數據包從網卡緩存發送到鏈路上，或者從鏈路上收到一個完整數據包到網卡緩存所需要的時間，它與包長、鏈路速率有關。該時延可用下列公式計算：

1.2 傳播時延

傳播時延為端到端各鏈路上信號傳播時延之和，每段鏈路上的傳播時延與鏈路長度、傳輸介質有關。ITU-T G.114建議光信號傳播時延為0.005ms/km，電信號為0.004ms/km。如果實際的物理信號路徑長度無法得到時，可采用直線距離乘以距離修正因子作為路徑長度值的估算值。ITU-T G.826建議的不同直線距離下的距離修正因子及路徑長度估算值見下表。

表1 距離修正因子及路徑長度估算值

1.3 處理時延

處理時延為網絡節點從收到一個IP報文到將該報文放入出端口隊列的時間間隔。目前交換機、路由器、保密機和防火墻等網絡設備，對IP包的處理時延為幾微秒到幾十微秒不等，一般情況下處理時延可以忽略不計。

1.4 排隊時延

排隊時延是網絡節點出端口隊列收到一個IP報文到該報文被發送出去等待的時間間隔。在單隊列情況下，排隊時延實質上就是排在該包之前的IP包全部發送出去的時間。

假設一個IP包前邊有N個包排隊，其中第i個包的包長為Li，附加開銷為ladd，i，傳輸電路速率為R，則該包的排隊時延t排隊為：

由于排隊長度和包長均為隨機變量，所以排隊時延也是一個隨機變量。這是造成IP網時延抖動的主要原因。排隊時延可用M/M/1排隊模型來分析。假定鏈路平均占用率為ρ，則平均排隊長度為：

假定鏈路速率為R，平均包長為,平均包附加開銷為則平均排隊時延

2 靶場IP網絡時延分析

（1）靶場IP網絡時延因素

靶場IP網絡中數據包端到端時延為傳播時延、傳輸時延、處理時延和排隊時延之和。在不考慮傳播時延的情況下，其它3種時延的具體分析如下：傳輸時延為數據包長與鏈路傳輸速率之比，通過控制應用層包長可將傳輸時延控制在合適范圍，當UDP包長為68B，鏈路傳輸速率為2048kbit/s時，傳輸時延約為0.4ms；處理時延為端到端各環節上數據終端、交換機、路由器的處理時延之和。根據IP網實物仿真綜合實驗結果，跨場區傳輸數據時，處理時延小于2ms，其中路由器處理時延小于1ms、交換機處理時延小于1ms；排隊時延與帶寬利用率和信息突發的關系明顯，當網絡輕負荷時，排隊時延很小，基本可以忽略；帶寬利用率和信息突發峰值越高，排隊時延變化就越大，信息突發峰值不高時，即使帶寬利用率高，排隊時延變化也不大。

（2）靶場IP網絡時延分析計算

靶場IP網絡由城域網和廣域網組成。其中城域網由交換機組網，鏈路速率為千兆以上，鏈路平均占用率為30%以下。廣域網由路由器組網，鏈路速率為2M，鏈路占用率為70%。一個端到端的IP包的傳輸經過兩個城域網和一個廣域網，在廣域網最多經過兩個3000km的轉發段。由于城域網鏈路速率高，鏈路占用率低，所以其包時延相對于廣域網來說，可忽略不計。其實時性分析計算結果如表2所示。

表2 靶場IP網絡實時性分析計算結果

96.0%的包相對于最小時延的時延抖動（ms） <5.22 <18.72 <36.72 <72.9

3 靶場IP網絡時延分析結論及應對措施

（1）包時延結論

對于一個確定的端到端鏈路，時延抖動主要由排隊時延變化引起。根據實際測試結果，靶場IP網在帶寬負荷70%以下時的平均時延抖動在0.357ms～20.540ms之間，與理論分析計算結果一致。

在靶場IP網絡中，試驗任務的業務量可以較為準確預知，突發流量較小，網絡平臺采用輕流量負荷設計，可以保證網絡正常情況下帶寬利用率控制在70%以下，在不考慮線路傳輸時延的情況下，能夠滿足業務系統端到端傳輸時延不大于100ms、時延抖動不大于50ms的使用要求。

（2）解決實時性問題的主要技術措施

包時延的不確定性主要是由排隊時延的不確定性引起的。降低網絡流量負荷，減少包長，提高鏈路速率，有助于提高實時性。

一是輕負荷運行。在試驗任務中，信息傳輸需求是明確的，可以準確知道每條鏈路上的信息流量。以此作為傳輸鏈路速率設計的依據，可保證鏈路處于輕負荷運行狀態。處于輕負荷運行的網絡，可明顯減少排隊時延和抖動。

二是端到端的服務質量保證措施。如果發生異常，如廣播風暴，用戶超限發送過多的流量，輕負荷設計運行的網絡還有可能發生網絡擁塞。在這種情況下，為保證重要信息的傳輸不受影響，應采用服務質量保證措施。服務質量保證模型有區分服務和資源預留兩類。一個設備端口上可采用的服務質量保證措施有：流量分類、流量監管和整形；擁塞避免；隊列技術（優先級、加權隊列）等。

參考文獻

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