海上靶场IP网络时延分析及对策

邵凌

（91550部队，辽宁大连，116023）

0 引言

海上靶场通信网络承载着海军武器装备试验所有实时信息的传输，信息传输容量大、地域广，对信息传输的实时性要求较高，地面链路传输的时延要求在100ms以内。目前试验通信系统主用接入网络已由DDN过渡到以光宽带传输为基础的IP网络，带宽扩大了，接入更加便利了，但实时性降低了，分组交换体制等各种因素带来的网络时延对信息传输实时性的影响不容忽视，需采取有效措施以满足靶场通信保障需求。

1 IP包时延的因素分析

IP包时延等于从发送端到达接收端所经过的转发路径中所有转发段的时延之和，每一个转发段的时延由四部分组成：传输时延、传播时延、处理时延、排队时延。

1.1 传输时延

传输时延为终端将一个数据包从网卡缓存发送到链路上，或者从链路上收到一个完整数据包到网卡缓存所需要的时间，它与包长、链路速率有关。该时延可用下列公式计算：

1.2 传播时延

传播时延为端到端各链路上信号传播时延之和，每段链路上的传播时延与链路长度、传输介质有关。ITU-T G.114建议光信号传播时延为0.005ms/km，电信号为0.004ms/km。如果实际的物理信号路径长度无法得到时，可采用直线距离乘以距离修正因子作为路径长度值的估算值。ITU-T G.826建议的不同直线距离下的距离修正因子及路径长度估算值见下表。

表1 距离修正因子及路径长度估算值

1.3 处理时延

处理时延为网络节点从收到一个IP报文到将该报文放入出端口队列的时间间隔。目前交换机、路由器、保密机和防火墙等网络设备，对IP包的处理时延为几微秒到几十微秒不等，一般情况下处理时延可以忽略不计。

1.4 排队时延

排队时延是网络节点出端口队列收到一个IP报文到该报文被发送出去等待的时间间隔。在单队列情况下，排队时延实质上就是排在该包之前的IP包全部发送出去的时间。

假设一个IP包前边有N个包排队，其中第i个包的包长为Li，附加开销为ladd，i，传输电路速率为R，则该包的排队时延t排队为：

由于排队长度和包长均为随机变量，所以排队时延也是一个随机变量。这是造成IP网时延抖动的主要原因。排队时延可用M/M/1排队模型来分析。假定链路平均占用率为ρ，则平均排队长度为：

假定链路速率为R，平均包长为,平均包附加开销为则平均排队时延

2 靶场IP网络时延分析

（1）靶场IP网络时延因素

靶场IP网络中数据包端到端时延为传播时延、传输时延、处理时延和排队时延之和。在不考虑传播时延的情况下，其它3种时延的具体分析如下：传输时延为数据包长与链路传输速率之比，通过控制应用层包长可将传输时延控制在合适范围，当UDP包长为68B，链路传输速率为2048kbit/s时，传输时延约为0.4ms；处理时延为端到端各环节上数据终端、交换机、路由器的处理时延之和。根据IP网实物仿真综合实验结果，跨场区传输数据时，处理时延小于2ms，其中路由器处理时延小于1ms、交换机处理时延小于1ms；排队时延与带宽利用率和信息突发的关系明显，当网络轻负荷时，排队时延很小，基本可以忽略；带宽利用率和信息突发峰值越高，排队时延变化就越大，信息突发峰值不高时，即使带宽利用率高，排队时延变化也不大。

（2）靶场IP网络时延分析计算

靶场IP网络由城域网和广域网组成。其中城域网由交换机组网，链路速率为千兆以上，链路平均占用率为30%以下。广域网由路由器组网，链路速率为2M，链路占用率为70%。一个端到端的IP包的传输经过两个城域网和一个广域网，在广域网最多经过两个3000km的转发段。由于城域网链路速率高，链路占用率低，所以其包时延相对于广域网来说，可忽略不计。其实时性分析计算结果如表2所示。

表2 靶场IP网络实时性分析计算结果

96.0%的包相对于最小时延的时延抖动（ms） <5.22 <18.72 <36.72 <72.9

3 靶场IP网络时延分析结论及应对措施

（1）包时延结论

对于一个确定的端到端链路，时延抖动主要由排队时延变化引起。根据实际测试结果，靶场IP网在带宽负荷70%以下时的平均时延抖动在0.357ms～20.540ms之间，与理论分析计算结果一致。

在靶场IP网络中，试验任务的业务量可以较为准确预知，突发流量较小，网络平台采用轻流量负荷设计，可以保证网络正常情况下带宽利用率控制在70%以下，在不考虑线路传输时延的情况下，能够满足业务系统端到端传输时延不大于100ms、时延抖动不大于50ms的使用要求。

（2）解决实时性问题的主要技术措施

包时延的不确定性主要是由排队时延的不确定性引起的。降低网络流量负荷，减少包长，提高链路速率，有助于提高实时性。

一是轻负荷运行。在试验任务中，信息传输需求是明确的，可以准确知道每条链路上的信息流量。以此作为传输链路速率设计的依据，可保证链路处于轻负荷运行状态。处于轻负荷运行的网络，可明显减少排队时延和抖动。

二是端到端的服务质量保证措施。如果发生异常，如广播风暴，用户超限发送过多的流量，轻负荷设计运行的网络还有可能发生网络拥塞。在这种情况下，为保证重要信息的传输不受影响，应采用服务质量保证措施。服务质量保证模型有区分服务和资源预留两类。一个设备端口上可采用的服务质量保证措施有：流量分类、流量监管和整形；拥塞避免；队列技术（优先级、加权队列）等。

参考文献

[1]戚晓晶,胡晓宇.IP网络性能测试综述[J].中国新技术新产品,2012[5]:27-27.

[2]曹文斌,陈国顺,牛刚.计算机网络测量技术现状及发展趋势[J].现代电子技术,2013，36(3): 47-50.