LTE网络测试仪IP流量生成技术的研究与实现*

王晓娇，张治中

（重庆邮电大学通信网与测试技术重点实验室 重庆 400065）

1 引言

随着LTE（long term evolution，长期演进）网络规模的扩大、带宽的不断提升，基于全IP的业务应用发展迅速，对网络流量生成技术也提出了新的挑战。部署LTE网络的采集机、交换机、路由器等网络设备的新产品、新协议的开发过程中，IP流量发生器可以在简单的测试环境中，模拟LTE现网的IP数据和流量以及各种异常的数据分组，为生产、测试、研发提供信号源[1]，是网络模拟和网络设备测试中的重要工具。

目前流量生成技术主要基于通用处理器、ASIC（application specific integrated circuit，专用集成电路）专用芯片或FPGA（field programmable gate array，现场可编程门阵列）实现。第一种方法可以模拟较低速率的网络流量；第二种方法是采用专用硬件器件实现，虽然可以生成高速率的流量，满足吉比特线速的速率环境要求，但成本昂贵，实现复杂；而采用可编程器件的方式，利用FPGA可以有效兼顾性能与成本[1～3]。

本文设计了一种基于LTE网络测试仪数据采集平台的IP流量发生器，该硬件平台采用全FPGA架构，重点研究了在Windows平台下用软件方式实现高速流量的生成方法，分析了性能模式和仿真模式两种工作模式的软件设计方案。在性能模式下能够精准地定速、定量发送用户指定长度的单个IP数据分组，在仿真模式下可以发送批量IP数据分组，包括短分组、长分组、超长分组，两者均能同时支持多路发送，拥有很好的灵活性，对LTE网络测试仪的数据采集测试、模拟高速网络环境具有重要的应用价值。

2 总体设计方案

LTE网络测试仪的IP流量发生器基于IP数据采集卡硬件平台进行开发，该硬件平台采用全FPGA架构，其总体模块化设计如图1所示。由于待发送的IP数据分组已封装成MAC帧，因此应用层控制模块直接将待发送的MAC帧依次写入板卡的发送内存中，并与FPGA层的BMD（bus master DMA，总线主控DMA）模块通过约定好的交互机制，控制数据的发送与更新。由于采用新一代总线接口PCI-E X4连接PC机和板卡，BMD模块通过与PCI-E core模块配合，向操作系统申请PCI-E协议事务层的TLP（transaction layer packet，事务层分组），返回的TLP称为CplD（completion with data，携带数据的完成分组）。BMD 中的CplD重组模块对乱序的CplD进行重新排序，按照正确的序列写入发送FIFO中，通过发送调度模块[4]，控制发送的速率和顺序，将IP数据分组送入下一级的MAC模块进行复制、分流处理，最后通过相应的SFP端口将数据发出。由此可见，在数据传输通道已建立的情况下，保证该IP流量发生器功能与性能的关键是应用层控制模块与BMD模块的交互机制设计。

3 性能模式设计方案

3.1 流量控制算法设计

在性能模式下，IP流量发生器可实现单个IP数据分组的多次或无限次发送，重点关注发送速率的可控性，即发送数据的速率可由上层用户进行设定。速率控制的关键在于BMD中发送调度模块的流量控制算法设计，实现方法的基本思想是：在两个相邻MAC帧之间插入一定数量的空闲周期，空闲周期数的取值与BMD模块的FPGA时钟周期有关。

以下对该方案的发送速率进行逐步推导。

发送数据比特率的原始计算式为式（1），其中，Speed为发送速率，mrd_len_real_byte为发送的MAC帧帧长，单位为bit，frm_send_gap为两个相邻MAC帧之间的空闲周期数，periodtrm_clk为时钟周期，[mrd_len_real_byte/8]表示总是向上取整。

在实际应用中，考虑到后级模块会添加4 byte校验位和20 byte的间隙，因此发送速率的修正计算式如下：

若发送特定比特率的数据流，由式（1）反演得到：

其中，ftrm_clk为时钟频率，与periodtrm_clk成倒数关系。从式 （2）可以看出，发送速率Speed与 MAC帧长mrd_len_real_byte成正比，与发送间隙frm_send_gap成反比。因为frm_send_gap≥0，可以通过式（4）得到Speed的理论最大值为：

由于BMD模块实际取时钟频率ftrm_clk为125 MHz，即时钟周期为8 ns，可以达到Speed≤1 Gbit/s的理论上限。又因为在MAC帧长mrd_len_real_byte、时钟周期periodtrm_clk一定的情况下，发送速率Speed只与发送间隙frm_send_gap相关，根据式（2）可得frm_send_gap的计算式为：

因此，上层用户设定发送速率后，应用层控制模块根据发送的MAC帧长与速率，计算出发送间隙数frm_send_gap，其粒度为8 ns。并根据约定好的交互机制，向BMD模块提供该参数，使其根据该空闲周期数，控制MAC帧的发送节奏，以达到定速的目的。

3.2 软件配置流程

IP流量发生器的主控方在PC机端，在性能模式下，是进行单个IP数据分组的发送，因此应用层程序将待发送的IP数据分组拷贝到板卡的发送内存中即可，无需更新数据。然后，根据用户设置的相关参数，配置好相关寄存器，启动数据发送命令，后续的发送控制工作将完全交由BMD模块进行处理。软件配置流程如图2所示。

4 仿真模式设计方案

仿真模式下，IP流量发生器可以实现对一个完整IP数据分组文件的发送，即可发送批量IP数据分组[5]。不同于性能模式，仿真模式发送时会涉及对板卡发送内存的数据更新。经前期测试，如果拷贝一个IP数据分组到发送内存，启动一次发送，再写入下一个分组，再启动一次发送，效率会很低。因此，本方案通过对数据帧进行重新封装，将发送内存划分为若干块，设定读写索引号，实现数据的“边发边写”功能，保证了较理想的发送性能。

4.1 数据帧的封装格式

为了充分利用板卡有限的发送内存空间（硬件平台实际预留了4 MB发送内存），实现一次写入多个IP数据分组，并且BMD可以定位每个IP数据分组，应用层向板卡的发送内存写入数据前，需对数据进行重新封装，封装格式如图3所示。BMD从发送内存提取数据后，首先进行解封装，根据MAC帧长字段可以定位每个MAC帧。

4.2 数据“边发边写”算法设计

4.2.1 发送内存分块

为了提高BMD每次从发送内存读取的数据量，提高处理效率，按8 kbit/s的粒度将板卡发送内存分为大小相同的若干个块，用Block表示，如图4所示。每一个Block可存放若干个数据帧，BMD每次可读取一个或多个Block。

4.2.2 读写索引号

为了能使应用层与BMD更好地识别和控制每一个Block，需要设置读索引号RdIdx和写索引号WdIdx，以对应每一个8 kbit/s的Block，第n个Block对应的读写索引号值为n。上层应用程序负责更新写索引号WdIdx以启动下层发送，下层BMD负责不断轮询WdIdx值的变化以发送数据，并更新读索引号RdIdx以反馈给上层。上层再通过读取RdIdx是否与WdIdx一致，判断下层是否已发送相应数据段，以执行后续发送和数据更新操作。

4.2.3 发送处理流程

数据发送的处理会有以下3种情况：要发送的数据（包括重复发送次数）可一次装入发送内存；第一次可拷贝的数据文件次数大于等于1，但不能把所有数据（包括重复发送次数）一次性装入发送内存中；第一次不能装下一次完整的数据。因此应用控制模块会进行判断，按情况分别处理，处理流程如图5所示。

其中，第3种情况是“边发边写”算法的难点，需要真正地边发送、边更新发送内存的数据。应用层启动发送下一个Block的同时，会更新上一个Block数据，而新写入的数据需要在整个发送文件中重新定位，才能保证发送数据的可靠性和有效性。

5 测试与分析

IP流量发生器的测试界面如图6所示，界面可以选择要发送的数据文件进行参数设定，包括工作模式、发送的MAC帧范围（起始消息号和结束消息号）、重复发送次数、发送比特率、发送端口等内容。配置成功后，可以计算出发送的第一个MAC帧长、MAC帧个数和发送间隔数。将光纤连接网络性能测试仪表作为接收端，以测试发送的速率和接收到的数据帧数，点击启动发送后，统计列表视图会显示各端口的具体发送信息。

表1 性能模式下短分组与长分组的发送速率

表2 仿真模式下IP数据分组发送情况

通过多次测试，对性能模式和仿真模式的发送情况进行了统计，部分结果分别见表1和表2。从表中可以分析出，该IP流量发生器在性能模式下可以进行有效的流量控制，在可容忍的误差范围内实现精准的定速发送；在仿真模式下，可以正确稳定地发送完整的数据文件，且长分组的发送速率可以达到630 Mbit/s，短分组的发送速率达到269 Mbit/s，能够较好地模拟网络流量，满足当前LTE网络测试仪的测试需求。

6 结束语

本文对LTE网络测试仪的IP流量生成技术进行了研究，提出了一种基于LTE网络测试仪数据采集硬件平台的IP流量发生器设计与实现方案，介绍了性能模式和仿真模式下的软件实现方法，重点研究了流量控制算法和数据“边发边写”的软件控制方法。实际测试表明，该IP流量发生器在性能模式下能够实现精准的定速发送，在仿真模式下能够正确稳定地发送批量IP数据，具有良好的发送性能，满足LTE网络测试的流量模拟需求，在LTE网络测试系统中具有重要的应用价值。

1 王一强.IP流量发生器的研究与实现.成都理工大学硕士学位论文,2010

2 Antichi G,Di Pietro A,Ficara D,et al.Design of a high performance traffic generatoron network processor.Digital System Design Architectures,Methods and Tools,DSD’08,2008:438～441

3 张铮,赵荣彩,邰铭等.一种灵活的基于网络处理器的流量生成方法.计算机工程与应用,2007,43(21):137～140

4 陈玉花,张治中,杜西亚.IPTV测试仪网络层测试的设计与实现.电子技术应用,2009(6):102～105,109

5 李明,雒江涛,邓炳光.一种E1多模式数据仿真测试平台的研究与实现.电视技术,2011,35(5):113～116