國(guó)家摩托車(chē)質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心 楊 棟 方 華 李曙光

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實(shí)驗(yàn)室流媒體交換機(jī)性能仿真分析

國(guó)家摩托車(chē)質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心 楊 棟 方 華 李曙光

【摘要】網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的快速發(fā)展致使單一的數(shù)據(jù)流已無(wú)法滿足摩托車(chē)檢測(cè)機(jī)構(gòu)對(duì)通信的需求，而多媒體通信等綜合通信正取而代之?；诹髅襟w業(yè)務(wù)傳輸特性，IEEE 802.1 AVB工作組制定了IEEE Std 802.1 BATM標(biāo)準(zhǔn)。對(duì)該標(biāo)準(zhǔn)的理論結(jié)合實(shí)踐的仿真工作研究目前已有一些，但多種數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制方面的仿真分析尚淺。本文將以此為重點(diǎn)對(duì)設(shè)備的轉(zhuǎn)發(fā)技術(shù)進(jìn)行研究分析。

【關(guān)鍵詞】流媒體；數(shù)據(jù)傳輸；以太網(wǎng)轉(zhuǎn)發(fā)；摩托車(chē)檢測(cè)

1 引言

在以往的以太網(wǎng)技術(shù)中，偏重于處理單一的靜態(tài)非實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)流。而多媒體實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)在傳輸過(guò)程中與普通異步TCP流存在資源競(jìng)爭(zhēng)問(wèn)題，雖然為了解決這一矛盾在網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中引入了服務(wù)質(zhì)量機(jī)制及優(yōu)先級(jí)機(jī)制，但傳輸過(guò)程中產(chǎn)生的過(guò)多延遲和抖動(dòng)，還是降低了網(wǎng)絡(luò)的性能。

現(xiàn)在的流媒體傳輸不再是某個(gè)單一的業(yè)數(shù)據(jù)流傳輸，而是一種綜合數(shù)據(jù)流[1]，其由多個(gè)數(shù)據(jù)流復(fù)用形成組成。流媒體傳輸網(wǎng)絡(luò)的性能指標(biāo)主要表現(xiàn)在以下三個(gè)方面。

（1）可靠性和實(shí)時(shí)性。為了確保實(shí)時(shí)場(chǎng)景的感受，對(duì)通信系統(tǒng)的可靠性及實(shí)時(shí)性有著嚴(yán)格的要求。

（2）時(shí)空約束。將兩個(gè)對(duì)象建立時(shí)間與空間上的約束和關(guān)聯(lián)。

（3）高帶寬。網(wǎng)絡(luò)需具備100Mbps以上的數(shù)據(jù)傳輸速率，方可滿足多媒體業(yè)務(wù)的快速轉(zhuǎn)發(fā)及多媒體應(yīng)用的需要。

隨著摩托車(chē)檢測(cè)機(jī)構(gòu)對(duì)于在檢測(cè)中數(shù)據(jù)形式的更多渴求以及對(duì)于數(shù)據(jù)的傳輸速度、時(shí)效性等的進(jìn)一步需求，如何提高數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)且精準(zhǔn)傳輸尤為重要?；诹髅襟w交換機(jī)的傳輸技術(shù)非常符合現(xiàn)實(shí)要求，因此對(duì)于流媒體交換機(jī)在傳輸過(guò)程中的特性進(jìn)行研究有其必要性。本文基于仿真軟件對(duì)流媒體交換機(jī)的傳輸特性進(jìn)行驗(yàn)證，以期達(dá)到應(yīng)用于摩托車(chē)檢測(cè)機(jī)構(gòu)實(shí)驗(yàn)室多種數(shù)據(jù)有效傳輸?shù)哪康摹?/p>

2 實(shí)時(shí)流媒體交換系統(tǒng)仿真

采用OPNET Modeler[2]網(wǎng)絡(luò)仿真軟件對(duì)流媒體交換系統(tǒng)進(jìn)行有效性驗(yàn)證，分別對(duì)多種數(shù)據(jù)交換技術(shù)構(gòu)成的AVB系統(tǒng)進(jìn)行仿真，并從時(shí)延、抖動(dòng)等角度對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行分析對(duì)比。

2.1 AVB組件及非AVB組件構(gòu)成的交換系統(tǒng)

為了滿足交互式流媒體的多種傳輸，采用在相同的一個(gè)域內(nèi)用組播的傳輸方式，實(shí)現(xiàn)將AVB組件及其他非AVB組件相互構(gòu)成的一個(gè)網(wǎng)絡(luò)互連系統(tǒng)。仿真網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)鋱D如圖2-1中所示。有拓?fù)鋱D可看出，在同一個(gè)域內(nèi)多個(gè)端子節(jié)點(diǎn)其與交換機(jī)的拓?fù)涫褂镁哂写硇怨?jié)點(diǎn)來(lái)替代。具體節(jié)點(diǎn)表示為：AVB end1和end2、AVB end4和end5為多種流媒體數(shù)據(jù)流端節(jié)點(diǎn)，Non-AVB end3和end6為單一數(shù)據(jù)端節(jié)點(diǎn)，其中AVB為流媒體數(shù)據(jù)流交換機(jī)節(jié)點(diǎn)，而Non-AVB為傳統(tǒng)以太網(wǎng)交換機(jī)節(jié)點(diǎn)。

圖2-1　基于流媒體交換技術(shù)的系統(tǒng)仿真拓?fù)鋱D

2.2 流媒體性能仿真網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

圖2-2的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D代表為流媒體交換系統(tǒng)，不同域結(jié)構(gòu)中的AVB組件及其他非AVB組件以及端節(jié)點(diǎn)按照從左至右的順序分布。數(shù)據(jù)交換開(kāi)始時(shí)，轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)庫(kù)序列是空的，因?yàn)檫@時(shí)交換機(jī)的數(shù)據(jù)交換服務(wù)剛剛進(jìn)入。當(dāng)交換機(jī)收到一幀數(shù)據(jù)后，幀中的源地址將會(huì)被解析出來(lái)，同時(shí)該幀數(shù)據(jù)接收時(shí)所攜帶的輸入端口號(hào)會(huì)一同存入轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)庫(kù)中。

圖2-2　語(yǔ)音視頻交換系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D

2.3 流媒體交換機(jī)的節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

拓?fù)渲袑?duì)于流媒體數(shù)據(jù)流交換機(jī)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)是重點(diǎn)。在本仿真中對(duì)于交換機(jī)分別設(shè)置接收和發(fā)送兩組每組四個(gè)收發(fā)機(jī)，每組收、發(fā)機(jī)相對(duì)應(yīng)仿真拓?fù)錂C(jī)構(gòu)中相互連接的四個(gè)端口。通信開(kāi)始時(shí)，當(dāng)接收機(jī)接收到不同數(shù)據(jù)流后，按照等效帶寬的理論，通過(guò)分析數(shù)據(jù)流中幀字段的優(yōu)先級(jí)，按照順序?qū)ζ溥M(jìn)行資源的分配并將其放入相應(yīng)的隊(duì)列中去進(jìn)行排隊(duì)等候，然后再按照指令進(jìn)行數(shù)據(jù)幀的轉(zhuǎn)發(fā)。

圖2-3　語(yǔ)音視頻交換機(jī)節(jié)點(diǎn)模型

2.4 仿真設(shè)置及結(jié)果分析

在仿真的過(guò)程中，考慮到對(duì)于流媒體交換機(jī)數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，延時(shí)和延遲抖動(dòng)時(shí)影響其性能的關(guān)鍵因素，因此在仿真時(shí)設(shè)置了端到端的兩個(gè)全局統(tǒng)計(jì)量，分別為延遲和延遲抖動(dòng)。在三種數(shù)據(jù)流的傳輸過(guò)程中，視頻和數(shù)據(jù)流對(duì)于延遲和延遲抖動(dòng)反應(yīng)不是很敏感，而音頻對(duì)于延遲和延遲抖動(dòng)的反應(yīng)很敏感，也就是說(shuō)音頻對(duì)于抖動(dòng)和延遲抖動(dòng)這種網(wǎng)絡(luò)性能要求最為嚴(yán)格。為解決這種抖動(dòng)引起的傳輸不同步、用戶體驗(yàn)不佳的問(wèn)題，流媒體交換機(jī)數(shù)據(jù)傳輸時(shí)采用優(yōu)先級(jí)的區(qū)分及預(yù)留協(xié)議這些措施來(lái)加以解決。而對(duì)于摩托車(chē)檢測(cè)機(jī)構(gòu)來(lái)說(shuō)，音頻的傳輸敏感的問(wèn)題幾乎不影響試驗(yàn)的進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)室主要側(cè)重的實(shí)時(shí)、快速的視頻及數(shù)據(jù)流這兩種數(shù)據(jù)的傳輸。

3 結(jié)論

從直觀上說(shuō)，即視覺(jué)過(guò)程不像聽(tīng)覺(jué)那樣靈敏。三種數(shù)據(jù)流對(duì)于延時(shí)的要求都很高，過(guò)多的延時(shí)很可能導(dǎo)致數(shù)據(jù)傳輸質(zhì)量的惡化。在實(shí)時(shí)傳輸過(guò)程中，三種數(shù)據(jù)流都是同步進(jìn)行傳輸，因此傳輸時(shí)的延遲、抖動(dòng)對(duì)其影響都是相同的。過(guò)大的抖動(dòng)會(huì)影響數(shù)據(jù)傳輸時(shí)的同步性，對(duì)數(shù)據(jù)質(zhì)量也構(gòu)成了極大的影響。在仿真中，三種數(shù)據(jù)流從端到端之間的延遲和抖動(dòng)差異較大，在傳輸過(guò)程中傳輸?shù)臄?shù)據(jù)幀大小、鏈路速率都相同，但流媒體交換機(jī)在數(shù)據(jù)處理時(shí)，采用優(yōu)先級(jí)的區(qū)分及預(yù)留協(xié)議這些措施來(lái)減小各種不同數(shù)據(jù)間對(duì)資源的競(jìng)爭(zhēng)，延時(shí)和傳輸質(zhì)量都得到了很好地控制。對(duì)于摩托車(chē)檢測(cè)機(jī)構(gòu)來(lái)說(shuō)，試驗(yàn)中的實(shí)時(shí)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)、視頻監(jiān)控能很好的通過(guò)流媒體交換機(jī)進(jìn)行傳輸，保證試驗(yàn)中實(shí)驗(yàn)過(guò)程中誤差的減小和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確。

參考文獻(xiàn)

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楊棟（1983—），男，碩士，國(guó)家摩托車(chē)質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心助理工程師，主要從事設(shè)備管理工作。

作者簡(jiǎn)介：