衛(wèi)星綜合通信業(yè)務(wù)流量管控實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

摘要：受鏈路帶寬和信道質(zhì)量不穩(wěn)定的影響，寬帶衛(wèi)星通信系統(tǒng)在提供綜合通信業(yè)務(wù)服務(wù)時，需要進(jìn)行流量管控和帶寬分配限制來避免數(shù)據(jù)包阻塞造成的服務(wù)質(zhì)量下降。文章設(shè)計(jì)了流控網(wǎng)關(guān)，搭建了衛(wèi)星通信場景下的多業(yè)務(wù)流量管控實(shí)驗(yàn)環(huán)境，并進(jìn)行了帶寬分配功能測試、TCP協(xié)議吞吐率測試和帶寬限制下的話音業(yè)務(wù)體驗(yàn)測試等實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)效果顯示，流控網(wǎng)關(guān)有效執(zhí)行了流量管控功能，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)可以用于衛(wèi)星綜合通信業(yè)務(wù)的場景模擬測試實(shí)驗(yàn)。

關(guān)鍵詞：衛(wèi)星通信；流量控制；實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

中圖分類號：TN919.85；TP319.8

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引言

隨著寬帶衛(wèi)星通信技術(shù)的發(fā)展，天基寬帶互聯(lián)網(wǎng)將與地面網(wǎng)絡(luò)、第5代移動通信系統(tǒng)（5G）相互融合，形成下一代天地一體化的信息網(wǎng)絡(luò)^［1］。衛(wèi)星通信信道受到降雨、云層等天氣變化以及衛(wèi)星自身運(yùn)動的影響，無法像地面有線網(wǎng)絡(luò)一樣保持穩(wěn)定的帶寬和信息速率。因此，當(dāng)衛(wèi)通基站為多個用戶提供服務(wù)時，需要對用戶業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)流進(jìn)行分級管控，以提升帶寬利用率和用戶服務(wù)體驗(yàn)。

Linux系統(tǒng)中的流量控制框架Traffic Control（TC）是一個輕量級的網(wǎng)絡(luò)流量控制工具，具有網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包過濾和分類管控功能，已被廣泛應(yīng)用于提升帶寬利用率和防火墻設(shè)計(jì)^［2-3］。本文利用TC流量分類管控技術(shù)對衛(wèi)通基站網(wǎng)關(guān)進(jìn)行流量管控，用衛(wèi)星調(diào)制解調(diào)器（modem）、4G微基站、VoIP網(wǎng)關(guān)等設(shè)備搭建了衛(wèi)星通信多業(yè)務(wù)場景模擬測試實(shí)驗(yàn)環(huán)境，并進(jìn)行了帶寬分配功能測試、TCP協(xié)議吞吐率測試、語音業(yè)務(wù)體驗(yàn)測試等實(shí)驗(yàn)。

1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 衛(wèi)星通信場景

在衛(wèi)星通信業(yè)務(wù)中，用戶使用衛(wèi)通基站接入衛(wèi)星射頻鏈路，實(shí)現(xiàn)用戶側(cè)與衛(wèi)星地面站側(cè)的物理連接，用戶業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)通過衛(wèi)星信道經(jīng)地面站中轉(zhuǎn)后接入國際互聯(lián)網(wǎng)。根據(jù)用戶資源需求，衛(wèi)星運(yùn)營商為用戶衛(wèi)通基站分配頻點(diǎn)、帶寬、符號速率、調(diào)制編碼方式等衛(wèi)星信道配置參數(shù)。如圖1所示，用戶側(cè)的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包經(jīng)過交換機(jī)接入衛(wèi)通基站的網(wǎng)絡(luò)接口，經(jīng)過衛(wèi)星鏈路通信協(xié)議轉(zhuǎn)換后與地面站側(cè)衛(wèi)通設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，最后由IP路由設(shè)備接入國際互聯(lián)網(wǎng)。

衛(wèi)星通信時，由于受到信道物理帶寬限制和鏈路質(zhì)量不穩(wěn)定的影響，丟包、時延、抖動等現(xiàn)象比地面網(wǎng)絡(luò)更為明顯。在同樣的丟包、時延、抖動指標(biāo)下，用戶對不同業(yè)務(wù)的體驗(yàn)感受不同，例如同一丟包率下，用戶實(shí)時話音通信時的體驗(yàn)比瀏覽網(wǎng)頁時要差，所以需要對實(shí)時話音業(yè)務(wù)進(jìn)行帶寬優(yōu)先級保障以改善用戶體驗(yàn)。此外，在帶寬受限通信時，類似上傳下載等大數(shù)據(jù)量的傳輸業(yè)務(wù)會擠占帶寬，導(dǎo)致用戶的其他業(yè)務(wù)被阻塞，用戶服務(wù)質(zhì)量顯著下降，因此，在多用戶多業(yè)務(wù)的通信場景下有必要進(jìn)行業(yè)務(wù)分類和流量分級管控以滿足多用戶的綜合業(yè)務(wù)通信服務(wù)需求。

1.2 流量控制原理

Linux系統(tǒng)自帶的流量控制框架（TC）提供了功能強(qiáng)大的可供擴(kuò)展的QoS控制模型，可以實(shí)現(xiàn)輕量級的流量控制和帶寬管理。TC可以根據(jù)IP和協(xié)議端口對網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包進(jìn)行分類設(shè)置，對分類數(shù)據(jù)進(jìn)行帶寬限制和優(yōu)先級配置，以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包的流量管控。TC控制模塊在配置規(guī)則上由3部分組成，分別為隊(duì)列規(guī)則（Queueing Disciplines）、分類（Classes）和過濾（Filter/classifier）。隊(duì)列規(guī)則決定數(shù)據(jù)的發(fā)送方式，有接收數(shù)據(jù)、發(fā)送數(shù)據(jù)和重新編排3種隊(duì)列規(guī)則，即入口隊(duì)列、出口隊(duì)列、重排隊(duì)列^［2-3］。網(wǎng)卡接收到數(shù)據(jù)包進(jìn)行分類識別后，交給各自的入口隊(duì)列，依據(jù)入口隊(duì)列規(guī)則對數(shù)據(jù)包做標(biāo)識進(jìn)行數(shù)據(jù)包過濾、流量控制或者丟棄數(shù)據(jù)包處理。

如圖2所示，數(shù)據(jù)從網(wǎng)絡(luò)適配器進(jìn)入后，過濾模塊首先識別出不同的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用并進(jìn)行分類標(biāo)記，再由分類器依據(jù)分類規(guī)則將不同標(biāo)記的數(shù)據(jù)包分配至不同的隊(duì)列，最后由隊(duì)列調(diào)度算法對各個隊(duì)列中的數(shù)據(jù)包進(jìn)行排列后從適配器流出。每個隊(duì)列上掛載一個流量整形器，用來實(shí)現(xiàn)流量的限速等功能，從而通過分類、優(yōu)先級排列、限速實(shí)現(xiàn)流量管控。

1.3 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)架構(gòu)

用戶業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)主要包括話音業(yè)務(wù)、蜂窩網(wǎng)業(yè)務(wù)和互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)。在室內(nèi)有線實(shí)驗(yàn)環(huán)境下，使用蜂窩微基站、核心網(wǎng)設(shè)備、VoIP話音設(shè)備、衛(wèi)星調(diào)制解調(diào)器等設(shè)備按圖3所示架構(gòu)搭建測試實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。用戶側(cè)與衛(wèi)星地面站側(cè)通過衛(wèi)星調(diào)制解調(diào)器連接，在用戶側(cè)的衛(wèi)星調(diào)制解調(diào)器前配置TC流控網(wǎng)關(guān)執(zhí)行流量管控功能。用戶側(cè)的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包在經(jīng)過流控網(wǎng)關(guān)時，由流控網(wǎng)關(guān)按設(shè)定的調(diào)度規(guī)則進(jìn)行重新排列后進(jìn)入用戶側(cè)衛(wèi)星調(diào)制解調(diào)器，實(shí)現(xiàn)與地面站側(cè)的設(shè)備互通。

1.4 流控網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)

圖3中的TC流控網(wǎng)關(guān)設(shè)備基于Linux系統(tǒng)的雙網(wǎng)卡設(shè)備實(shí)現(xiàn)，網(wǎng)卡e1連接用戶交換機(jī)，網(wǎng)卡e2連接用戶調(diào)制解調(diào)器網(wǎng)口。TC流控網(wǎng)關(guān)的功能模塊組成如圖4所示，在Linux系統(tǒng)下通過配置腳本對隊(duì)列規(guī)則、分類參數(shù)和過濾參數(shù)進(jìn)行配置，配置腳本經(jīng)協(xié)議格式適配后由處理模塊進(jìn)行處理，實(shí)現(xiàn)對不同網(wǎng)段、IP、協(xié)議端口號的帶寬分配和優(yōu)先級設(shè)置。

用戶配置模塊主要實(shí)現(xiàn)按網(wǎng)段、IP地址或協(xié)議端口號進(jìn)行帶寬分配、優(yōu)先級設(shè)置等管理配置的操作功能。

適配模塊主要完成用戶配置模塊與處理模塊間的協(xié)議轉(zhuǎn)換。

腳本編輯模塊根據(jù)用戶的配置操作實(shí)現(xiàn)腳本的添加、修改和刪除，即實(shí)現(xiàn)TC配置腳本的自動化生成。

流量識別模塊對網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包進(jìn)行識別并打上標(biāo)記，供后面的分類模塊使用，主要識別網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包的IP地址和協(xié)議端口號。

流量分類模塊根據(jù)用戶策略，控制數(shù)據(jù)包按分類標(biāo)記進(jìn)入分類隊(duì)列。

隊(duì)列調(diào)度模塊按流量配置策略對所有隊(duì)列區(qū)分服務(wù)進(jìn)行優(yōu)先級控制。

流量整形模塊使用緩沖區(qū)和令牌桶限制某一連接的流量與突發(fā)，使報文以比較均勻的速度向外發(fā)送。當(dāng)報文的發(fā)送速度過快時，首先在緩沖區(qū)進(jìn)行緩存，在令牌桶的控制下再均勻地發(fā)送這些被緩沖的報文。

路由配置模塊根據(jù)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)實(shí)現(xiàn)輸入網(wǎng)口和輸出網(wǎng)口間路由信息的配置。

2 測試實(shí)驗(yàn)

2.1 帶寬分配功能測試

按圖3的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)架構(gòu)進(jìn)行綜合業(yè)務(wù)場景模擬測試，檢驗(yàn)帶寬限制和優(yōu)先級設(shè)置的效果。設(shè)置調(diào)制解調(diào)器上下行信息速率均為5 Mbps，在TC流控網(wǎng)關(guān)上為VoIP設(shè)備分配帶寬550 Kbit、4 G微基站分配帶寬2 Mbit，普通上網(wǎng)設(shè)備分配帶寬2.4 Mbit。同時，按協(xié)議端口進(jìn)行了帶寬占比和優(yōu)先級設(shè)置，具體配置如圖5所示。

測試人員對各終端設(shè)備進(jìn)行操作，使網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包流量超過設(shè)置帶寬，記錄進(jìn)入調(diào)制解調(diào)器的各協(xié)議端口速率，查看實(shí)測速率與限制帶寬是否一致。表1為各分配帶寬的實(shí)測速率記錄，可以看出，實(shí)測速率與分配帶寬一致，TC流控網(wǎng)關(guān)對各協(xié)議端口有效執(zhí)行了帶寬限制。

2.2 TCP協(xié)議吞吐率測試

TCP協(xié)議采用應(yīng)答確認(rèn)、慢啟動和重傳機(jī)制，對衛(wèi)星通信這種長時延場景，TCP協(xié)議的最大吞吐率會受到限制^［4］。本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)架構(gòu)中，在TC流控網(wǎng)關(guān)上設(shè)置數(shù)據(jù)包時延參數(shù)，測試具體物理帶寬限制下不同時延的TCP協(xié)議吞吐率。設(shè)置調(diào)制解調(diào)器符號速率為40 Msps，調(diào)制方式為QPSK，分別測試1/4編碼（信息帶寬20 Mbit）、3/5編碼（信息帶寬48 Mbit）、8/9編碼（信息帶寬71 Mbit）方式下的TCP協(xié)議在200 ms、400 ms、600 ms、800 ms和1 000 ms時延下的數(shù)據(jù)吞吐率，測試結(jié)果如圖6所示。從圖6可以看出，在信息帶寬20 Mbit限制下，時延增加，吞吐率下降不明顯。在信息帶寬48 Mbit和71 Mbit限制時，在時延小于400 ms時，吞吐率隨時延增大快速下降。時延大于600 ms時，3種帶寬限制下的數(shù)據(jù)吞吐率差距變小，此時TCP協(xié)議最大吞吐率受到長時延的制約，不會隨著可用帶寬的增加而改善。從測試結(jié)果看，對寬帶業(yè)務(wù)，必須考慮衛(wèi)星通信長時延對TCP協(xié)議吞吐率的影響，長時延下需要進(jìn)行TCP加速處理來改善性能。

2.3 話音體驗(yàn)測試

用戶對實(shí)時話音通信較為敏感，在TC流控網(wǎng)關(guān)上進(jìn)行帶寬限制，記錄不同帶寬限制下的用戶通話體驗(yàn)，以獲取滿足用戶使用體驗(yàn)需求時的最小帶寬值。表2記錄了不同帶寬限制下的3分鐘通話體驗(yàn)，在保證通話質(zhì)量的前提下，1路話音業(yè)務(wù)所需最小帶寬約為344 Kbit，2路話音所需最小帶寬約為680 Kbit，3路話音所需最小帶寬約為1 024 Kbit。

從表2的測試結(jié)果可以得出，單路話音的帶寬需求為344 Kbit，小于該帶寬時，用戶的通話體驗(yàn)會受到影響，帶寬分配時需要參考話音業(yè)務(wù)數(shù)量分配足夠的帶寬，并設(shè)置高優(yōu)先級來保證服務(wù)質(zhì)量。

3 結(jié)語

本文對衛(wèi)星綜合通信多業(yè)務(wù)場景，設(shè)計(jì)了流控網(wǎng)關(guān)和實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)架構(gòu)，進(jìn)行了帶寬分配功能測試、TCP協(xié)議吞吐率測試和話音體驗(yàn)測試。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，Linux系統(tǒng)自帶的TC流控框架能夠有效執(zhí)行帶寬分配、時延設(shè)置、優(yōu)先級設(shè)置等控制功能。本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)可以用于業(yè)務(wù)流量管控策略設(shè)計(jì)和TCP加速性能測試以及衛(wèi)星綜合通信業(yè)務(wù)的場景模擬實(shí)驗(yàn)。

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（編輯 李春燕）

Design of traffic control experiment for satellite integrated communication service

Chen Gang， Yu Chenjing， Zhu Feng

（Shanghai Tsingshen Technology Development Co.， Ltd.， Shanghai 201306， China）

Abstract： Influenced by the instability of satellite RF link and channel quality， broadband satellite communication systems need to implement traffic control and bandwidth allocation restrictions when providing integrated communication services to avoid the degradation of service quality caused by packet congestion. The flow control gateway is designed， and the flow control experimental environment is built for the simulation test of satellite integrated communication business scenarios. The bandwidth allocation function， TCP protocol throughput， and voice service experience under bandwidth limitation are tested using the environment. The test results show that the test environment can effectively control the traffic of communication services and achieve the simulation test of satellite integrated communication service scenarios.

Key words： satellite communication; traffic control; experimental design