实验室流媒体交换机性能仿真分析

国家摩托车质量监督检验中心 杨 栋 方 华 李曙光



实验室流媒体交换机性能仿真分析

国家摩托车质量监督检验中心 杨 栋 方 华 李曙光

【摘要】网络技术的快速发展致使单一的数据流已无法满足摩托车检测机构对通信的需求，而多媒体通信等综合通信正取而代之。基于流媒体业务传输特性，IEEE 802.1 AVB工作组制定了IEEE Std 802.1 BATM标准。对该标准的理论结合实践的仿真工作研究目前已有一些，但多种数据流转发机制方面的仿真分析尚浅。本文将以此为重点对设备的转发技术进行研究分析。

【关键词】流媒体；数据传输；以太网转发；摩托车检测

1 引言

在以往的以太网技术中，偏重于处理单一的静态非实时数据流。而多媒体实时数据在传输过程中与普通异步TCP流存在资源竞争问题，虽然为了解决这一矛盾在网络结构中引入了服务质量机制及优先级机制，但传输过程中产生的过多延迟和抖动，还是降低了网络的性能。

现在的流媒体传输不再是某个单一的业数据流传输，而是一种综合数据流[1]，其由多个数据流复用形成组成。流媒体传输网络的性能指标主要表现在以下三个方面。

（1）可靠性和实时性。为了确保实时场景的感受，对通信系统的可靠性及实时性有着严格的要求。

（2）时空约束。将两个对象建立时间与空间上的约束和关联。

（3）高带宽。网络需具备100Mbps以上的数据传输速率，方可满足多媒体业务的快速转发及多媒体应用的需要。

随着摩托车检测机构对于在检测中数据形式的更多渴求以及对于数据的传输速度、时效性等的进一步需求，如何提高数据实时且精准传输尤为重要。基于流媒体交换机的传输技术非常符合现实要求，因此对于流媒体交换机在传输过程中的特性进行研究有其必要性。本文基于仿真软件对流媒体交换机的传输特性进行验证，以期达到应用于摩托车检测机构实验室多种数据有效传输的目的。

2 实时流媒体交换系统仿真

采用OPNET Modeler[2]网络仿真软件对流媒体交换系统进行有效性验证，分别对多种数据交换技术构成的AVB系统进行仿真，并从时延、抖动等角度对系统进行分析对比。

2.1 AVB组件及非AVB组件构成的交换系统

为了满足交互式流媒体的多种传输，采用在相同的一个域内用组播的传输方式，实现将AVB组件及其他非AVB组件相互构成的一个网络互连系统。仿真网络的拓扑图如图2-1中所示。有拓扑图可看出，在同一个域内多个端子节点其与交换机的拓扑使用具有代表性节点来替代。具体节点表示为：AVB end1和end2、AVB end4和end5为多种流媒体数据流端节点，Non-AVB end3和end6为单一数据端节点，其中AVB为流媒体数据流交换机节点，而Non-AVB为传统以太网交换机节点。

图2-1　基于流媒体交换技术的系统仿真拓扑图

2.2 流媒体性能仿真网络拓扑结构

图2-2的网络拓扑图代表为流媒体交换系统，不同域结构中的AVB组件及其他非AVB组件以及端节点按照从左至右的顺序分布。数据交换开始时，转发数据库序列是空的，因为这时交换机的数据交换服务刚刚进入。当交换机收到一帧数据后，帧中的源地址将会被解析出来，同时该帧数据接收时所携带的输入端口号会一同存入转发数据库中。

图2-2　语音视频交换系统网络拓扑图

2.3 流媒体交换机的节点设计

拓扑中对于流媒体数据流交换机节点设计是重点。在本仿真中对于交换机分别设置接收和发送两组每组四个收发机，每组收、发机相对应仿真拓扑机构中相互连接的四个端口。通信开始时，当接收机接收到不同数据流后，按照等效带宽的理论，通过分析数据流中帧字段的优先级，按照顺序对其进行资源的分配并将其放入相应的队列中去进行排队等候，然后再按照指令进行数据帧的转发。

图2-3　语音视频交换机节点模型

2.4 仿真设置及结果分析

在仿真的过程中，考虑到对于流媒体交换机数据传输时，延时和延迟抖动时影响其性能的关键因素，因此在仿真时设置了端到端的两个全局统计量，分别为延迟和延迟抖动。在三种数据流的传输过程中，视频和数据流对于延迟和延迟抖动反应不是很敏感，而音频对于延迟和延迟抖动的反应很敏感，也就是说音频对于抖动和延迟抖动这种网络性能要求最为严格。为解决这种抖动引起的传输不同步、用户体验不佳的问题，流媒体交换机数据传输时采用优先级的区分及预留协议这些措施来加以解决。而对于摩托车检测机构来说，音频的传输敏感的问题几乎不影响试验的进行，实验室主要侧重的实时、快速的视频及数据流这两种数据的传输。

3 结论

从直观上说，即视觉过程不像听觉那样灵敏。三种数据流对于延时的要求都很高，过多的延时很可能导致数据传输质量的恶化。在实时传输过程中，三种数据流都是同步进行传输，因此传输时的延迟、抖动对其影响都是相同的。过大的抖动会影响数据传输时的同步性，对数据质量也构成了极大的影响。在仿真中，三种数据流从端到端之间的延迟和抖动差异较大，在传输过程中传输的数据帧大小、链路速率都相同，但流媒体交换机在数据处理时，采用优先级的区分及预留协议这些措施来减小各种不同数据间对资源的竞争，延时和传输质量都得到了很好地控制。对于摩托车检测机构来说，试验中的实时监控数据、视频监控能很好的通过流媒体交换机进行传输，保证试验中实验过程中误差的减小和实验数据的准确。

参考文献

[1]韩立凯,高寅生,雷伟军.计算机网络[M].北京:清华大学出版社,2012.

[2]IEEE Std 802.1QavTM-2009,Forwarding and Queuing Enhancements for Time-Sensitive Streams[S].IEEE:2010.

[3]易军凯,李志彤.改进的实时流媒体中流量自适应控制机制[J].计算机工程与应用,2013,49(3):101-103.

杨栋（1983—），男，硕士，国家摩托车质量监督检验中心助理工程师，主要从事设备管理工作。

作者简介：