［王冠雄 蔡龍騰］

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6LoWPAN無線傳感網(wǎng)性能測試系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

［王冠雄 蔡龍騰］

摘要

為了驗(yàn)證6LoWPAN[1]無線傳感網(wǎng)的性能界限，文章在充分調(diào)研網(wǎng)絡(luò)性能分析參數(shù)、方法和工具的基礎(chǔ)上，探索可行的6LoWPAN性能測量[2]和分析方法，提出相應(yīng)的測試框架和和測試方法[3]，主要設(shè)計(jì)了6LoWPAN無線傳感網(wǎng)的時(shí)間同步測試、時(shí)延測試、和丟包率測試，最后搭建6LoWPAN無線傳感網(wǎng)絡(luò)的性能測試驗(yàn)證平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)6LoWPAN無線傳感網(wǎng)的性能測試。

關(guān)鍵詞：6LoWPAN無線傳感網(wǎng) 性能測試 指標(biāo)

王冠雄

重慶郵電大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院。

蔡龍騰

重慶郵電大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院。

1　前言

6LoWPAN無線傳感網(wǎng)協(xié)議作為一種工業(yè)以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)，其性能問題是其實(shí)現(xiàn)可靠通信的關(guān)鍵技術(shù)之一，因此通過測試網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)臅r(shí)延[4]、吞吐量、時(shí)鐘同步等指標(biāo)可以反映實(shí)時(shí)性的運(yùn)行情況。6LoWPAN無線傳感網(wǎng)性能測試能夠?yàn)楸粶y試網(wǎng)絡(luò)提供一個(gè)客觀的量化指標(biāo)，幫助企業(yè)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)評(píng)估與驗(yàn)收。

性能測試[5]對(duì)于網(wǎng)絡(luò)維護(hù)有重大的實(shí)際意義。對(duì)于一個(gè)已經(jīng)建好的6LoWPAN無線傳感網(wǎng)，通過實(shí)時(shí)性能測試可以檢查網(wǎng)絡(luò)的實(shí)際運(yùn)行情況，通過對(duì)實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)的分析可以及時(shí)的發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)可能出現(xiàn)的問題，并及時(shí)的維護(hù)以降低網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)，增加網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行可靠性。對(duì)于廠家而言，這種可靠性的增加可以節(jié)約生產(chǎn)的維護(hù)成本，提高效率。

目前，對(duì)于其它實(shí)時(shí)以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)的性能測試均有相應(yīng)的測試標(biāo)準(zhǔn)與測試設(shè)備。對(duì)于6LoWPAN無線傳感網(wǎng)絡(luò)，目前常用性能測試方案均不能很好的模擬6LoWPAN通信環(huán)境，因此測試所得的數(shù)據(jù)不能更好的反映網(wǎng)絡(luò)的通信現(xiàn)狀。因此，設(shè)計(jì)一個(gè)6LoWPAN性能測試器，在測試器上設(shè)計(jì)新的實(shí)時(shí)性測試方案，這樣即可以很好的模擬6LoWPAN通信環(huán)境，測試得到的數(shù)據(jù)可更好的反映6LoWPAN無線傳感網(wǎng)的性能。

2　6LoWPAN無線傳感網(wǎng)性能測試研究與分析

2.16LoWPAN無線傳感網(wǎng)通信協(xié)議模型

基于的IEEE 802.15.4[6]協(xié)議的IPv6無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是在IEEE 802.15.4鏈路上傳輸IPv6數(shù)據(jù)包，讓傳感器網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)具有接入互聯(lián)網(wǎng)的能力。IETF成立了6LoWPAN工作組和ROLL工作組。6LoWPAN工作組定義IPv6數(shù)據(jù)包在IEEE 802.15.4網(wǎng)絡(luò)中傳輸規(guī)范也叫6LoWPAN標(biāo)準(zhǔn)，以實(shí)現(xiàn)IPv6無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備和Internet中的設(shè)備互聯(lián)互通。ROLL工作組的任務(wù)是修正現(xiàn)有的路由協(xié)議或者制定新的滿足低功耗松散網(wǎng)絡(luò)需求的路由機(jī)制并提出了新的適合LLN網(wǎng)絡(luò)的IPv6路由協(xié)議——RPL協(xié)議[7]。

6LoWPAN網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧[8]在MAC層和網(wǎng)絡(luò)層之間加了一個(gè)適配層，適配層為IP協(xié)議屏蔽無線傳感器網(wǎng)絡(luò)底層細(xì)節(jié)，如圖1。與傳統(tǒng)TCP/IP協(xié)議模型比較，在6LoWPAN網(wǎng)絡(luò)中，MAC層和物理層協(xié)議主要是比較成熟的IEEE 802.15.4協(xié)議，網(wǎng)絡(luò)層采用IPv6協(xié)議，在網(wǎng)絡(luò)層和MAC層之間增加了一個(gè)6LoWPAN適配層，遵循6LoWPAN協(xié)議。6LoWPAN適配層主要用于完成IPv6協(xié)議對(duì)802.15.4網(wǎng)絡(luò)的適配，提供報(bào)頭壓縮、報(bào)文分片/重組、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)錁?gòu)建、地址自動(dòng)配置和組播支持等功能，各種功能的報(bào)頭采用堆棧的方式封裝在IPv6載荷外層。

圖1　6LoWPAN協(xié)議模型

2.26LoWPAN無線傳感網(wǎng)性能指標(biāo)

6LoWPAN性能測試指標(biāo)主要用來描述運(yùn)行網(wǎng)絡(luò)中的特定性能。IETF的IP網(wǎng)絡(luò)性能測量（IPPM）工作組制定了相應(yīng)的建議和草案，定義了網(wǎng)絡(luò)性能測量的基本框架，并規(guī)范了性能指標(biāo)所必須遵循的標(biāo)準(zhǔn)[9]。根據(jù)不同的用途，可以對(duì)網(wǎng)絡(luò)的多種參數(shù)進(jìn)行測量，包括時(shí)延、丟包率、鏈路的容量和帶寬、流量、連接的平均持續(xù)時(shí)間、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞?。本文主要分析?LoWPAN網(wǎng)絡(luò)的丟包率、時(shí)延和遞交時(shí)間。

丟包率[10]是網(wǎng)絡(luò)交換設(shè)備在不同的負(fù)載和不同幀長的條件下由于缺乏資源或者協(xié)議本身不穩(wěn)定的情況，應(yīng)該正確轉(zhuǎn)發(fā)但是沒有轉(zhuǎn)發(fā)的數(shù)據(jù)包占接收數(shù)據(jù)包的百分比。例如被測路由設(shè)備DUT接收數(shù)據(jù)包為X，轉(zhuǎn)發(fā)的數(shù)據(jù)包為Y，那么丟包率就下面的公式計(jì)算得出：

時(shí)延[11]是指一個(gè)數(shù)據(jù)包從網(wǎng)絡(luò)的一端傳輸?shù)骄W(wǎng)絡(luò)另外一端所需時(shí)間。它主要包括處理時(shí)延、排隊(duì)時(shí)延、發(fā)送時(shí)延以及傳播時(shí)延。其中，一個(gè)6LoWPAN設(shè)備將應(yīng)用層數(shù)據(jù)單元傳輸?shù)搅硪粋€(gè)6LoWPAN應(yīng)用層所需時(shí)間，即應(yīng)用層的端到端時(shí)延，又叫做遞交時(shí)間。

3　6LoWPAN無線傳感網(wǎng)性能測試系統(tǒng)設(shè)計(jì)

根據(jù)對(duì)6LoWPAN協(xié)議及性能測試的分析以及遠(yuǎn)程測試架構(gòu)，設(shè)計(jì)出如圖2所示的6LoWPAN協(xié)議性能測試系統(tǒng)。整個(gè)測試系統(tǒng)由上層的測試服務(wù)器和下層的6LoWPAN協(xié)議硬件測試平臺(tái)構(gòu)成，它們通過網(wǎng)絡(luò)相連接。

圖2　6LoWPAN性能測試系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

系統(tǒng)的測試流程，如圖3。

（1）用戶通過HTTP協(xié)議訪問測試服務(wù)器，建立連接，遞交測試申請，傳遞配置參數(shù)以及控制信息；

（2）測試服務(wù)器和測試設(shè)備通過TCP/IP協(xié)議通信，測試服務(wù)器將設(shè)備配置信息和測試執(zhí)行命令下發(fā)給測試設(shè)備；

（3）6LoWPAN協(xié)議性能測試的測試設(shè)備是測試路由器，測試路由器根據(jù)測試案例可以是一個(gè)或多個(gè)，測試設(shè)備將測試命令下發(fā)給被測設(shè)備；

圖3　6LoWPAN性能測試流程圖

（4）被測設(shè)備根據(jù)測試命令完成測試執(zhí)行，生成測試響應(yīng)；

（5）被測設(shè)備將測試響應(yīng)傳遞給測試設(shè)備；

（6）測試設(shè)備將測試響應(yīng)生成測試數(shù)據(jù)傳遞給測試服務(wù)器；

（7）測試服務(wù)器將測試數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、存儲(chǔ)之后，將測試過程信息和測試結(jié)果信息通過HTTP協(xié)議傳遞給測試用戶；

（8）測試結(jié)束。

3.1丟包率測試實(shí)現(xiàn)

丟包率測試的測試執(zhí)行流程如圖4。

圖4　丟包率測試流程

數(shù)據(jù)解析模塊獲得測試數(shù)據(jù)包后，根據(jù)源地址和目的地址在相應(yīng)節(jié)點(diǎn)的統(tǒng)計(jì)上分別計(jì)數(shù)。根據(jù)序列號(hào)判斷抓包器是否本身丟包，如果抓包器丟包，通過計(jì)算序列號(hào)進(jìn)行值的補(bǔ)償。例如，路由節(jié)點(diǎn)獲得某一節(jié)點(diǎn)此次傳來的序列號(hào)為0x3A,而下一次該路由節(jié)點(diǎn)的序列號(hào)為0x3D,說明抓包器有兩個(gè)數(shù)據(jù)包沒抓到，應(yīng)進(jìn)行數(shù)據(jù)補(bǔ)償

3.2時(shí)延和遞交時(shí)間測試實(shí)現(xiàn)

網(wǎng)絡(luò)時(shí)延[12]主要分為兩類，即單向時(shí)延和往返時(shí)延。單向時(shí)延是指數(shù)據(jù)包從發(fā)送端全部發(fā)送到接收端所需要的時(shí)間，單向時(shí)延的測試必須保證發(fā)送端和接收端保持時(shí)間同步。往返時(shí)延是指數(shù)據(jù)發(fā)送端從發(fā)送數(shù)據(jù)開始，到接受到來自接收端的確認(rèn)這段時(shí)間(接收端在接收到數(shù)據(jù)之后必須馬上發(fā)送確認(rèn))。其中單向延遲的測試為數(shù)據(jù)包從發(fā)送設(shè)備出發(fā)，帶上起始的時(shí)間戳，然后根據(jù)需要可在網(wǎng)絡(luò)層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層分別打上時(shí)間戳，然后傳遞給接收設(shè)備，并打上終止時(shí)間戳。這樣，可通過在發(fā)送設(shè)備上打上的不同時(shí)間戳計(jì)算處理時(shí)延、排隊(duì)時(shí)延以及發(fā)送時(shí)延，而根據(jù)發(fā)送設(shè)備和接受設(shè)備的時(shí)間差可計(jì)算出遞交時(shí)間，如圖5。

圖5　時(shí)延的組成

4　6LoWPAN協(xié)議性能測試系統(tǒng)驗(yàn)證

4.1性能測試平臺(tái)搭建

6LoWPAN協(xié)議性能測試平臺(tái)如圖6。該測試平臺(tái)由3個(gè)測試路由器和多個(gè)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備組成。三個(gè)測試路由器分別充當(dāng)網(wǎng)關(guān)、路由節(jié)點(diǎn)和終端設(shè)備。標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備是4個(gè)路由節(jié)點(diǎn)和40個(gè)終端設(shè)備。標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備和測試路由器一起組成一個(gè)網(wǎng)絡(luò)。

圖6　6LoWPAN協(xié)議測試平臺(tái)

4.2性能測試系統(tǒng)驗(yàn)證

本節(jié)利用ASP.NET開發(fā)的6LoWPAN協(xié)議性能測試軟件對(duì)6LoWPAN協(xié)議的丟包率，時(shí)延和遞交時(shí)間進(jìn)行測試。

4.2.1丟包率測試

根據(jù)對(duì)丟包率性能測試方法的研究，丟包率測試軟件的運(yùn)行效果如圖7。通信配置區(qū)域?yàn)闇y試路由器的IP地址和端口號(hào)的配置。數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)區(qū)域包括網(wǎng)絡(luò)中每個(gè)路由節(jié)點(diǎn)實(shí)際收到數(shù)據(jù)包個(gè)數(shù)，轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包個(gè)數(shù)以及每個(gè)路由節(jié)點(diǎn)的丟包率，還包括整個(gè)網(wǎng)絡(luò)所有路由節(jié)點(diǎn)一共收到數(shù)據(jù)包個(gè)數(shù)和一共轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包個(gè)數(shù)以及總丟包率。其頁面還分別用實(shí)時(shí)柱狀圖和實(shí)時(shí)曲線圖分別顯示了每個(gè)節(jié)點(diǎn)處理數(shù)據(jù)包個(gè)數(shù)和總的丟包率變化情況。

圖7　丟包率測試軟件運(yùn)行效果

4.2.2時(shí)延和遞交時(shí)間測試

時(shí)延和遞交時(shí)間測試軟件的運(yùn)行效果如圖8，包含遞交時(shí)間、排隊(duì)時(shí)延、處理時(shí)延和發(fā)送時(shí)延的結(jié)果曲線圖。在各自曲線下方數(shù)據(jù)表格中能夠查看瞬時(shí)偏差、平均值、最大值、最小值。

圖8　時(shí)延測試軟件運(yùn)行效果圖

5　結(jié)論

本文在認(rèn)真分析6LoWPAN協(xié)議的基礎(chǔ)上，針對(duì)無線傳感網(wǎng)的特點(diǎn)[13]和要求以及RFC2544[14]文檔對(duì)性能測試的要求，研究了6LoWPAN網(wǎng)絡(luò)性能測試的目的和方法，設(shè)計(jì)出針對(duì)6LoWPAN無線傳感網(wǎng)的性能測試平臺(tái)并對(duì)丟包率和時(shí)延進(jìn)行了測試，后續(xù)工作還可以考慮添加時(shí)延抖動(dòng)、鏈路帶寬、路由收斂[15]等性能指標(biāo)的測量。

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收稿日期：（2015-12-15）

DOI:10.3969/j.issn.1006-6403.2016.03.009