（光学工程专业论文）无线光通信中性能测量软件的研究.pdf

i 摘 要 无线光通信又称自由空间光通信，是一种无需光纤的通信技术，主要由激光发射 机、光接收机及少量的控制设备组成。作为一种无线接入方式，它综合了光纤通信和 其它无线通信方式的特点，具有高宽带、低成本、安装快捷、机动灵活等优点，因而 在很多领域具有广阔的应用前景。 但是在无线光通信中，由于所涉及的是随机的大气信道，会严重影响无线光通信 系统的稳定性和可靠性。对网络进行网络性能测试能够发现网络瓶颈，优化网络配置， 并进一步发现网络中可能存在的潜在危险。更加有效地进行网络性能管理，提供网络 服务质量的验证和控制，对服务质量指标进行量化、比较和验证，是网络性能测量的 主要目的。 本文结合无线光通信的特点，提出了一种适用于无线光通信系统的网络性能测量 系统，具有安装、操作方便，维护成本低等特点。并且基于嵌入式开发工具，在嵌入 式平台的硬件和软件选型后，进行嵌入式硬件开发板进行软件平台的搭建。本文的重 点在于网络测量系统中的软件设计，基于 socket 套接字的通信原理和 vc+编程技术， 实现了测量模块、通信模块、监测模块，控制模块和存储模块等功能。最后，对论文 工作进行了总结，并给出了进一步改进的建议，为基于无线光通信的网络性能测量实 用化开发提供了有益的参考。 关键词：关键词：无线光通信 网络性能测量 嵌入式 套接字 ii abstract wireless optical communication, a kind of fiber-free communication technology, is also called free space optical communication (fso). it was made up of laser transmitter, optical receiver and some control equipments. as a kind of wireless access technology, wireless optical access has many virtues such as large capacity, low cost, convenient deployment and flexibility since it integrates the advantages of fiber communication and other traditional wireless communication technologies. however, the channel of wireless optical communication is atmosphere channel, which will badly affect the stability and reliability of the wireless optical communication. the main purposes of performance measurement are to detect the bottleneck of the network, optimize the network deployment, to discover the potential risks, to get more effective performance management, to provide the validation and control of the service quality in network, and thus to validate, compare and measure the indicators of service quality. combination of the characteristics of wireless optical communication, this paper introduces a design idea of network performance measurement system, which is used in wireless optical communication system and is expediently fixed and manipulated. based on the embedded hardware development board, we structured a special software platform for this system. the important point is the design of the network performance measurement system in software. this paper include the implementation of measurement module, communication module, stakeout module, control module and storage module based on socket communication and vc+ program technology. finally, the work of this paper and some specific advices were summarized, which pave well the way for the practical development. key words: wireless optical communication network performance measurement embedded socket 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人 或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已 在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 日期： 年 月 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本 人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密， 在 年解密后适用本授权书。 不保密。 （请在以上方框内打“” ） 学位论文作者签名： 指导教师签名： 日期： 年 月 日 日期： 年 月 日 本论文属于 1 1 绪论 1.1 无线光通信的发展 近年来，随着全球通信网络开始大规模扩容，数据业务特别是互联网服务在全球 范围内已经取得了巨大的成功，无论在用户数量还是业务量方面，都始终保持着高速 增长的势头。但是，从用户接入运营商的通信网络的手段来看，传统的窄带电路接入， 如 pstn(公用交换电话网)接入方式，仍然占据着主要地位。接入带宽成为制约高速上 网和宽带业务发展的主要瓶颈，这就是通信技术上的“last mile”问题。提起更高速 度的宽带接入方式，当前主要限于光纤、宽带无线接入 lmds(local multipoint distribution service)、以及 dsl(digital subscribe line)等。如何提供快速、低价的宽带 接入方式，成为迫切需要解决的问题1。而此时，有一种宽带无线接入技术逐渐开始引 起人们注意，它就是光无线宽带接入系统，也称为无线光通信(wireless optical communication)系统或是自由空间光通信(free space optical communication)系统2。 光通信经历了无线光通信和光纤通信两个重要的发展阶段，早期的无线光通信曾 掀起了世界性的研究热潮，但当时的器件技术、系统技术和大气信道光传输特性本身 的不稳定性等诸多客观因素却阻碍其进一步的发展。随着近年来连续波大功率半导体 激光器技术、自适应变焦技术、光波窄带滤波技术、光源稳频技术、信号压缩编码技 术和光学天线的设计制作及安装校准技术的发展和成熟，无线光通信重新浮出了水面。 作为 2006 年 10 大电信热点技术，无线光通信将是今后构筑电信网不可或缺的一项技 术，目前可以实现的最高传输速率已达 2.5gbps3。 无线光通信是利用光束通过大气空间，而不是通过光纤来传送信号。这种技术能 以较灵活的无线方式，在短距离内，以比现有系统低得多的投资，获得大的传送容量。 在不便于光纤铺设的环境或临时事件需要，可作为一种新的选择。在气候条件较好的 城市的高层建筑之间以及军事上也有其使用价值。光无线接入系统在组成结构上与光 纤传输系统非常相似，物理组成也是非常简单的。光无线接入系统的基本组成如图 1.1 所示：在点对点传输的情况下，系统每一端都设有光发射机和光接收机，具有全双工 的通信能力。光发射机的光源受到电信号的调制，并通过光学天线，将光信号经过大 2 气空间送到接收端的光学天线。具有高灵敏度的光接收机，将接收到的光信号转换成 电信号。光无线接入系统的发送端和接收端之间不能有阻挡。 图 1.1 无线光通信系统基本组成 1.2 无线光通信的特点及关键技术 1.2.1 无线光通信的特点 将高速的局域网和千兆以太网连接到运营商的通信网络，必须依靠容量巨大的接 入系统。如何提供快速、低价的宽带接入，成为迫切需要解决的问题。无线光通信作 为宽带无线接入方式之一，具有许多其他接入方式无可比拟的优点，成为未来宽带无 线接入的备选方案之一。无线光通信系统的主要优点有以下几个方面： (1) 无需申请频率使用许可证，频谱资源丰富。目前无线通信方式的频段基本被分 配占有，空间发展余地所剩无几，而 300ghz 以上频率电磁波频段的应用在全球都不 受管制，可免费使用，唯一的要求是设备功率不能超过国际电子技术委员会规定的功 率上限。据国际激光应用的安全标准，半导体激光器的功率在大气无线光通信中一般 要求在 class 3b 以下，即500mw。 (2) 拥有光纤传输的等效作用。理论上，无线大气光通信的传输带宽与光纤通信的 传输带宽相同，只是光纤通信中光信号在光纤介质中传输，而无线大气光通信的光信 光 学 收 发 天 线 以 太 网 终 端 接 口 电 路 编码器 解码器 驱动调制模块 放大调制模块 光电探测器 半导体激光器 网卡 光 学 收 发 天 线 以 太 网 终 端 接 口 电 路 编码器 解码器 驱动调制模块 放大调制模块 光电探测器 半导体激光器 网卡 3 号在大质中传输，因此也被称为“虚拟光纤”通信技术。 (3) 快速链路部署，建网速度快。无线大气光通信系统建设通信网的速度快，无需 埋设光纤，只需在通信节点上进行设备安装，为快速构建宽带网络以及抢占市场和客 户资源提供了极好的解决方案， 适合于临时通信和复杂地形中紧急组网， 如抢险救灾、 大型运动会、战地通信等。 (4) 组网灵活，网络扩展性好。可构建包括点对点、点对多点、环/网状或这些结构 的组合拓扑结构的网络，当添加其它节点时，无线光通信的网状结构无需改变，只要 改变节点数量和配置即可，这使得无线大气光通信易于扩容升级，成为一种适应性很 强的通信方式。 (5) 协议具有透明性。无线大气光通信产品作为一种物理层的传输设备，可适应即 不依赖于任何通信协议，如 sonet、sonet/sdh、atm、fddi、ip 等，以光为传 输机制，任何传输协议均可容易地迭加上去，透明传输电路和数据业务。 (6) 传输安全， 保密性好。 激光的直线定向传播方式使它的发射光束窄、 方向性好、 不可见，很难在空中发现一条业务链路4。因此，无线光通信系统比通常的无线系统 有较高的安全系数，对于军事系统来说这点是极其重要的。 (7) 抗电磁干扰能力强。由于激光的频率极高，不易受到周围各种电磁波的干扰， 因此抗干扰性好。尤其在军事电子对抗的时候，无线大气光通信系统能在强电磁干扰 下快速、准确、正常地通信。 (8) 设备尺寸小。由于光波波长短(约零点几微米到几十微米)，在同样功能情况下， 光收发终端的尺寸比微波、毫米波通信天线尺寸要小许多，具有功耗小、体积小、重 量轻、可灵活拆装等特点。 (9) 实施成本相对低廉。无需进行昂贵的光纤铺设和维护等管道工程施工，其施工 成本约为光缆的 1/101/3。尤其适合于边远地区和特殊地区的通信网络建设。 大气传输信道的自身特性决定了无线光通信不可能获得光纤通信所具有的通信质 量。无线光通信的主要缺点是受信道环境影响大。目前测试表明，在 1 公里以下无线 光通信系统才能获得最佳的效率和通信质量5。另外，由于光束的传输不能受到阻挡， 飞鸟等也会对系统产生影响。影响系统性能指标的另外两个因素是大风和地震。由于 4 系统的收发设备一般都安装在高楼之上，大风引起建筑物的晃动或地震都会造成光路 的偏移。 实际上，经过多年的探索，也逐渐找到了解决问题的办法。首先是大气介质对 光信号的衰减。波长为 850nm 和 1550nm 的光信号，主要的衰减来自雾。如 780nm 的激光在极端晴朗天气条件下的衰减系数只有 0.2db/km(与单模光纤在 1550nm 的损 耗相同)，轻雾只有每公里 50 分贝的损耗，浓雾时可高达每公里 315 分贝6。对于 这种大气现象处理的方式与微波通信中对待雨衰相似，要在系统传输的计算中为光 信号的衰减留有足够的系统功率余度。以便在因为浓雾而出现最大衰减的情况下， 系统仍能接收到满足灵敏度要求的光信号功率。实用的无线光通信系统还需要保证 收发两点之间光信号良好的准直稳定，使发送的光信号在接收端的光斑能够覆盖接 收天线，不会因为大气折射率的起伏而偏离目标。为此需要有意使发射光束展宽。 还有一些产品，采用动态调节的跟踪技术，不仅能应付由大气引起的漂移，还可以 在系统端机所在的建筑物轻微摆动时，保持信号的稳定。此外，激光信号对人体安 全的威胁，也一直受到人们的关注7。所以，无线光通信系统要架在高楼之类不易 接触到的地方。 1.2.2 无线光通信的关键技术 无线光通信的优点在于信息量大、方向性好、发散角小、光能集中、设备轻便、 费用经济等，但它存在的固有缺点主要有：大气传输损耗严重、光束窄导致发射接收 之间瞄准困难、光束传播不能超越障碍等。所以就无线大气光通信这种技术本身而言， 存在一些有待解决或改进的关键性技术问题： (1) 大气信道衰减大及误差随机变化量大的自适应补偿技术问题； (2) 系统光学天线的快速、精确的捕获、跟踪和瞄准技术(atp)； (3) 如何减弱不良的天气条件对系统通信性能的影响，提高系统可靠性； (4) 大功率光源及高速调制技术； (5) 高灵敏度和高抗干扰性的光信号接收技术； (6) 背景噪声的滤除技术； (7) 体积小、重量轻、光学特性好、便于安装和调校的光学收发天线的制作。 5 1.3 无线光通信的国内外研究 1.3.1 国外研究概况 在国外， 无线光通信已经成为学术界和产业界的研究热点， 美国 telecommunication 杂志每年都要评选一次本年度电信领域十大热门技术，无线光通信在 2001 年公布的十 大热门电信技术中排名第四8， 说明这种技术已经得到越来越广泛的重视和认可。 spie 协会的free space laser communication technologies文集中已开始有大量的文章讨 论无线光通信，从 1998 年开始，spie 专门组织了无线光通信(wireless optical communication)会议， 每年召开一次并出版会议文集。 无线光通信也逐渐在全球通信制 造业中热起来，例如，美国军方支持的喷气动力实验室(jpl)在 1999 年做了一项相距 45 公里的水平无线光链路实验9，其用了 4 个 780nm 信标光建立链路，用 840nm 激光 进行通信， 在2000米高空， 空气质量4级的情况下进行通信。 美国军方支持的astro terra 公司以前一直从事卫星光通信，现在投入很大精力进行无线光通信的研究并且推出了 自己的产品 terralink，它能提供通信距离为 8 公里、全双工、协议透明、码率达到 230mbps 的通信能力，以及 622mbps，3.5 公里的通信能力，另外还采用了自动跟踪技 术以补偿建筑物的摇摆10。lucent 公司在 1999 年做了相距 2.4 公里码率为 2.5gbps， 波长为 1550nm 的无线光通信实验，2000 年做了 40gbps 密集波分复用 4.4 公里无线光 通信实验11。 它采用 astro terra 公司设计的接收、 发射共用 schmidt-cassegrain 望远镜 的光学天线。发射端由三个 1550nm 波长激光器和一个 785nm 的信标光激光器组成， 信号光通过掺铒光纤放大，输出功率高达27dbm，接收端通过接收光学天线将光功 率耦合到光纤中再接入 apd。2001 年，lucent 公司做了目前通信容量最大的无线光通 信系统12，采用光纤放大器，可以在 200m 的通信距离实现 20gbps 到 160gbps 码率的 数据通信，其采用的发散角是 0.5mrad，接收孔径为 20cm。目前，将无线光通信系统 成功应用于商业服务比较典型的公司有 terabeam 和 airfiber。 1.3.2 国内研究概况 在国内，无线光通信的研究还处于初级阶段，大多数研究集中在大学和研究 所13 17。1999 年 8 月上海光机所在全国第九次光纤通信暨第十届集成光学学术会议 6 上报导已研制出 34mb/s 无线光通信系统。该系统采用 800nm 红外半导体激光器，激 光功率为 40mw，接收端机的核心是硅 pin 管，在 2km 的传输距离上误码率优于 10-9。 在 2000 年 11 月中国(湖北)科技博览会上， 该所报导的激无线光通信系统传输速率已提 高到 155mb/s。桂林信息产业部第 34 研究所于 1999 年研制出一个近地 4km 的激光大 气通信机。通信光源采用波长为 850nm 的半导体单模量子阱激光器，系统兼容 128/56/512/1024/2048 kb/s 速率。系统进行了长达 360 小时的户外开通试验，这其中经 历了大雾、大雨、小雨、晴天等天气变化，试验结果表明，除能见度极低的大雾天气 外，通信系统都能正常工作，通信质量良好。此外，电子科技大学应用物理研究所对 无线光通信系统专门进行了 atp 技术的研究，采用双回路控制系统实现高精度的跟踪 瞄准。实验选用功率为 5w 的 co2激光器作光源，传输速率为 8.448mb/s，通信距离为 1.6km，由实验测试的误码率数值表明系统能实现对目标的精确跟踪。国内光无线宽带 接入系统的商业应用在 2002 年以前还没有先例。2001 年 12 月，清华同方研究发展中 心致力于“last mile”解决方案的探索，成立了“fso 技术跟踪研究小组”，2002 年 8 月，完成了 1000 米点到点通信样机的检测。2002 年 9 月清华同方网络产品公司对外 宣布， 在无线光通信领域， 该公司推出了光无线链路的自由空间通信产品 owlink e100 系列。该产品的研制成功是国内网络设备厂商在光无线领域的一次重大突破，给国内 的无线网络接入市场注入了新的活力。 1.4 本文的主要内容和意义 激光束在大气中传输时，会受到雾、雨、雪、烟、尘等颗粒的吸收和散射而产生 衰减，并且其衰减量变化是无法预知的。尽管激光的定向性很好，但波束还是会随传 输距离的增加而慢慢变宽，超过一定距离后就难以被正确接收。另外，由于光束的传 输不能受到阻挡，飞鸟等也会对系统产生影响。随着时代的发展，为了使无线光通信 得到更广泛的应用，人们已经发现了很多方法克服这些缺点，例如采用波长为 850nm 和 1550nm 的光信号可以得到最低的衰减性能18； 保留一定的系统功率余度； 发展 apt 即自动跟踪捕获技术等等。 使用简单的网络性能测量技术，可以更好的利用这些技术来改善无线光信道的通 信质量。通过使用网络性能测量，能够得到实时的无线光信道的通信情况，并将这些 7 情况传送到服务器终端。终端可以根据测得的数据判断通信质量，来调节信道参数改 善信道的通信质量，实现信道的自适应调节。 本文的主要内容组织如下： 第一章概述了无线光通信的发展状况，特点，关键技术及国内外研究情况。 第二章提出了基于无线光通信的网络性能测量系统，并阐述系统软件的总体设计 思路。引入网络性能测量的概念，介绍了包括网络性能测量的概念，性能指标，测量 方法。 第三章主要介绍了嵌入式平台的选型工作，硬件开发板选择的是优龙公司生产的 fs4510b；嵌入式操作系统选用的是基于 linux 核心的 uclinux。 第四章完成了系统的嵌入式软件平台搭建，也就是在现有的嵌入式开发板上进行 uclinux 的裁剪和移植工作。 第五章是本文的重点，详细叙述了网络性能测量系统的软件实现过程，重点介绍 了软件功能中的测量模块和通信模块的实现。并且进行软件测试证明系统功能齐全和 系统的稳定性。 第六章对全文进行总结，包括工作内容和对不足进行改良的建议，为基于无线光 通信的网络性能系统进一步实用化开发提供了有益的参考。 8 2 网络性能测量系统设计 2.1 系统结构 网络性能测试系统是本文提出的一种应用于无线光通信系统进行网络性能测量的 嵌入式设备，作为无线光通信系统的一个附加功能。 无线光通信的主要缺点是受信道环境影响大。由于无线光通信中存在许多不稳定 的因素，无线光通信链路会受到不规则的间断性干扰。而本课题所设计的网络性能测 试系统的就是为了判断这种不规则的间断性干扰而进行的实时测量；实时测量的数据 提供给网络终端，终端会通过调节无线光通信设备的参数(最常见方法的就是增加激光 发射功率)来实现信道的稳定，消除这种不规则的间断性干扰对通信质量的影响，实现 自适应的稳定信道质量。 无线光通信系统总的网络拓扑结构如图 2.1 所示。 图 2.1 无线光通信系统网络拓扑结构 在整个网络拓扑结构中，网络测量系统是一个嵌入式设备，拥有两个网络控制芯 片，分别连接着有线网络和光无线信道。嵌入式设备对光无线通信的信道进行性能测 量，并将统计的网络性能指标数据传送到有线网络端的服务器进行存储。 硬件方面， 网络性能测试系统采用一个基于 arm 微处理器的嵌入式系统平台， 具 9 有较强的处理能力。arm 微处理器是一种领先的 16/32 位嵌入式 risc 微处理器，具 有高性能、低成本和高效率的特点。arm 微处理器已经支持网络功能，目前应用广泛 的 arm7 和 arm9 微处理器均设计有以太网 mac 控制器芯片，十分适合进行网络应 用。 软件方面，可以在 arm 微处理器上安装嵌入式 uclinux 操作系统，用来管理应用 程序和硬件设备。由于 uclinux 操作系统采用的 linux 的内核，能够方便的开发出适用 于网络性能测试的应用程序。并且适合用于今后进行扩展应用。 2.2 系统设计 整个网络性能测量系统的设计是基于嵌入式开发来进行的，工作步骤分为三步： 嵌入式软硬件平台选型，嵌入式开发平台搭建，完成系统软件设计。 系统总体软件结构图如下图 2.2 所示。 图 2.2 系统软件结构图 在本系统中，由于嵌入式设备没有显示功能和大的存储空间，因此，需要将统计 的网络性能数据，利用 socket 通信技术传送到远程服务器。在本例中采用简单的 client/server 结构(c/s 结构)，在嵌入式开发板上编写 linux 平台的客户端程序，在服务 器上编写 windows 平台的服务器端程序，将客户端嵌入式开发板上统计的测量结果传 嵌入式硬件平台嵌入式硬件平台 操作系统操作系统 测量模块 通信模块 数据库 通信模块 监 测 模 块 控 制 模 块 存 储 模 块 客户端客户端 服务器端服务器端 图形化界面 10 送到服务器端，并用数据库存储。 在客户端，测量模块是向无线光通信系统的另一端发送测量数据包来进行主动的 单点测量。通信模块是则是利用 socket 技术和服务器进行通信，提供测量数据。 在服务器端，监视模块通过 socket 通信接收客户端信息，实时显示测量信息；控 制模块可以控制客户端测量的开始；存储模块将测量结果存储在本地数据库中。 2.3 网络性能测量介绍 无线信道有多种模型，特别在无线通信系统中，信道一般为衰落型信道，即信道 的时域冲激响应函数的幅度呈起伏特性19。为简化讨论，假设只用“好”与“坏”两 状态模型描述信道的特性就足够了。由于无线光通信系统的先天性特点，当大气信道 质量出现起伏时，为了保证行到出于“好”的状态，需要提高激光发射功率或者其他 手段来保证通信质量。因此对无线光通信系统进行必要的网络性能测试可以给维持网 络通信质量提供数据依据。 2.3.1 网络性能测量的概念 (1) 网络性能的概念 网络性能可以采用以下方式定义20：网络性能是对一系列对于运营商有意义的， 并可用于系统设计、配置、操作和维护的参数进行测量所得到的结果。可见，网络性 能是与终端性能以及用户的操作无关的，是网络本身特性的体现，可以由一系列的性 能参数来测量和描述。 (2) 网络性能参数的概念 对网络性能进行度量和描述的工具就是网络性能参数。ietf 和 itu-t 都各自定义 了一套性能参数，并且还在不断的补充和修订之中。 网络性能参数的制定必须遵循如下几个原则21： 1) 性能参数必须是具体的和有明确定义的； 2) 性能参数的测量方法对于同一参数必须具有可重复性，即在相同条件下多次使 用该方法所获得的测量结果应该相同； 3) 性能参数必须具有公平性，即对同种网络的测量结果不应有差异而对不同网络 11 的测量结果则应出现差异； 4) 性能参数必须有助于用户和运营商了解他们所使用或提供的 pi 网络性能； 5) 性能参数必须排除人为因素； 2.3.2 性能指标的测量与分析 (1) 连接性 连接性也称为可用性、连通性或者可达性，严格说应该是网络的基本能力或属性， 不能称为性能，但 itu-t 建议可以用一些方法进行定量的测量22。目前还提出了连通 率的概念，根据连通率的分布状况建立拟合模型。 (2) 延迟 延迟的定义23是：ip 包穿越一个或多个网段所经历的时间。延迟由固定延迟和可 变延迟两部分组成。固定延迟基本不变，由传播延迟和传输延迟构成；可变延迟由中 间路由器处理延迟和排队等待延迟两部分构成。对于单向延迟测量要求时钟严格同步， 这在实际的测量中很难做到，许多测量方案都采用往返延迟，以避开时钟同步问题。 往返延迟的测量方法是：入口路由器将测量包打上时戳后，发送到出口路由器。 出口路由器一旦接收到测量包便打上时戳，随后立即使该数据包原路返回。入口路由 器接收到返回的数据包之后就可以评估路径的端到端时延。 (3) 丢包率 丢包率的定义是24：丢失的 ip 包与所有的 ip 包的比值。许多因素会导致数据包 在网络上传输时被丢弃，例如数据包的大小以及数据发送时链路的拥塞状况等。 为了评估网络的丢包率，一般采用直接发送测量包来进行测量。对丢包率进行准 确的评估与预测则需要一定的数学模型。目前评估网络丢包率的模型主要有贝努利模 型、马尔可夫模型和隐马尔可夫模型等等。 (4) 带宽 带宽一般分为瓶颈带宽和可用带宽。 瓶颈带宽是指当一条路径(通路)中没有其它背 景流量时， 网络能够提供的最大的吞吐量。 对瓶颈带宽的测量一般采用包对(packet pair) 技术，另外，还有包列等其它测量技术。 可用带宽25是指在网络路径(通路)存在背景流量的情况下， 能够提供给某个业务的 12 最大吞吐量。因为背景流量的出现与否及其占用的带宽都是随机的，所以可用带宽的 测量比较困难。一般采用根据单向延迟变化情况可用带宽进行逼近。 瓶颈带宽反映了路径的静态特征，而可用带宽真正反映了在某一段时间内链路的 实际通信能力，所以可用带宽的测量具有更重要的意义。 (5) 流量参数 itu-t 提出两种流量参数26作为参考：一种是以一段时间间隔内在测量点上观测 到的所有传输成功的 ip 包数量除以时间间隔， 即包吞吐量； 另一种是基于字节吞吐量， 用传输成功的 ip 包总字节数除以时间间隔。 高速网络技术的发展使得对巨大的网络流量进行直接测量几乎不可能，同时，大 量的流量日志也使流量分析变得相当困难。为了解决这一问题，近几年，流量抽样测 量研究已成为高速网络流量测量的研究重点。 2.3.3 网络性能测试方法 (1) 主动测量和被动测量 主动测量27就是通过向网络、服务器或应用发送测试流量，以获取与这些对象相 关的性能指标。其主要优点是不依赖于被测对象的测量能力，且对硬件要求不高；但 另一方面，这种测量方式会给网络增加额外的通信流量，在一定程度上也可能影响测 量的结果。 被动测量是通过监测网络通信状况(例如服务器的性能、资源使用，用户端的业务 性能，以及网络传输状态等)进行的，不会影响网络的正常运行，但它必须依赖测量链 路上的通信流量或被测节点的负载情况，且对硬件性能的要求高。 因此,在很多情况下，网络性能测量是采用主、被动混合的测量方式，即主动测量 和被动测量都是结合着进行的。 (2) 单点测量和多点测量 从测量点的数量来分，网络性能测量可分为单点测量和多点测量28。单点非合作 测量具有相当强的网络探测能力，在研究初期，许多工作都采用单点测量。但由于单 点测量能力有限，搜集的信息不全面，分布式多点测量应运而生，尤其是多点主动测 量，利用多个探测点得到的数据，能够综合出大规模的网络数据和单点所得不到的交 13 叉路由信息。 (3) 网络层测量与应用层测量 应用层测量可以使我们对整个应用的性能有一个清楚的认识，也能提供客户机和 服务器之间、网络链路之间的性能参数，但它很难从低层测量数据中综合分析得到测 量结果。应用层测量常用于对不同提供商提供的业务进行性能比较，对于基于网络平 台的各种业务，其应用层性能的测量正变得越来越重要。随着通信过滤技术的使用日 益广泛， 对 internet 服务提供者(isp)提供的骨干网一般采用网络层测量，以评估其提供 的网络链路或路由器、服务器等网络节点的性能29。 (4) 采样技术 在网络上监测数据包，其目标是通过测量实时监测通信状况，不因任何原因错过 任何数据包。但随着通信速率的日益提高，这个目标变得越来越难以实现。因此，必 须对数据包进行采样。常用的采样方法是周期性采样，它遵循“采样频率必须大于所 采样信号最高频率的两倍”的定理30。但这种方法可能受同步效应的影响，即当被测 量的指标的变化规律与采样频率同步时，采样数据只能部分反映真实的测量数据。当 采取主动测量时，测量发出的测试流量对网络产生的影响，使网络进入一种周期性变 化状态时，这时也可能发生同步效应。因此,常采用随机附加采样的解决算法。 随着网络技术的日益发展、网络业务的日益更新，基于特定应用的性能测量与分 析，更成为今后网络性能研究的重要内容。而随着网络性能相关理论、测量方法、分 析模型研究的逐渐深入、各种测量工具的不断出现，以及大型测量项目的不断开展， 也会不断地推动网络技术向前发展。网络性能的评估是一项复杂的工作，还有许多关 键技术值得研究。 2.4 socket 通信介绍 tcp/ip 是计算机互连最常使用的网络通讯协议，tcp/ip 的核心部分由网络操作系 统的内核实现，应用程序通过编程接口来访问 tcp/ip。套接字(socket)是介于网络应用 层和传输层之间的编程接口，套接字接口提供了访问下层通信协议的大量系统调用和 相应的数据结构。在 linux 中，套接字接口是应用程序访问下层的网络协议的惟一方 法。具体讲：套接字在用户级实现了两个应用程序之间的网络连接和数据交换，所以 14 linux 中的套接字意味着网络上的连接。 socket 分为以下三种类型31: (1) 流式套接字(stream socket)。流式套接字是最常用的套接字类型，文件传送协 议(ftp)即使用流式套接字。 它提供一个面向连接、 可靠的数据传输服务， 数据无差错、 无重复地发送，且按发送顺序接收。内设流量控制，避免数流超限；数据被看作是字 节流，无长度限制。 (2) 数据报套接字(datagram socket)。tcp/ip 协议族中的 udp 协议使用此类接口， 它是无连接的服务，数据通过相互独立的报文进行传输，提供一个无连接服务。数据 包以独立包形式被发送，不提供无错保证，数据可能丢失或重复，并且接收顺序混乱。 (3) 原始套接字(raw socket)。原始套接字接口允许对较低层协议，如 ip、icmp 直接访问。常用于检验新的协议实现或访问。 2.5 小结 本章首先给出了系统总体网络结构图并作详细介绍，分析了网络性能测量系统的 软件设计思路。接着引入网络性能测量的概念，介绍了网络性能指标的测量和网络性 能的测试方法。最后介绍了作为软件实现的关键技术，即 socket 套接字。 15 3 嵌入式软硬件平台选型 3.1 硬件平台选型 3.1.1 选择 samsung s3c4510b 的理由 作为系统的核心，嵌入式处理器的选择对一个系统性能的优劣有着重大影响。对 于嵌入式处理器的选择，通常需要考虑如下两个方面： (1) 从系统功能实现的角度和开发条件的角度进行考虑：芯片的结构(内部是否有 mmu)、系统时钟的速度、片内存储器、外部扩展总线、dma 控制器、uart 数量、 网络控制器以及芯片调试是否方便等因素。同时还要兼顾到该处理器软件应用的难易 程度。如果某款嵌入式处理器已被一种或多种优秀的嵌入式操作系统支持，将大大降 低系统软件设计的难度和工作量， 这对成本极度敏感的嵌入式系统应用是非常有利的。 (2) 从嵌入式产品的某些特殊性以及实际应用时的情况考虑。在无线光通信系统 中，作为一种中间处理设备对网络性能进行监测，对性能及功能要求不高。首先需要 价格低廉，和安装方便。因此必须对嵌入式芯片的价格和体积进行较严格的控制。 通过前面的系统分析已经知道，在系统中，主要需要提供的是以太网接入能力， 因此首先需要选择的是一款支持网络的嵌入式处理器，同时本系统并不要求实现传输 实时视频流等复杂功能，因此也不要求处理器的工作频率很高。综合以上原则及分析 以及实验室现有条件，在系统中选用的是优龙公司生产的基于 arm7tdmi 内核的 samsung s3c4510b 芯片的 fs4510b 嵌入式开发板。 3.1.2 samsung s3c4510b 的优点 相对于其它的网络控制芯片，如：摩托罗拉公司 powerpc 系列中的 mpc850 / 860 (t)，coldfire 系列中的 mcf5272 等等。s3c4510b 有以下优点： (1) s3c4510b 的工作频率为 50mhz，使用高性能的简化指令集 risc，提供 0.9mips/mhz 的三级流水线以提高处理器指令的流动速度。 此外， arm 独有的 thumb 压缩指令集，可大大提高代码密度，节省存储空间。arm 的研究表明，典型 thumb 代码的尺寸仅为同等 arm 代码的 65%， 但在对存储带宽有所限制的应用中可将性能 16 提升至其 160% 。因此，在性能上 s3c4510b 也具有一定的优势。 (2) s3c4510b 内置 10m/100m 以太网控制器，只需再添加物理层接口芯片即可。 (3) 在开发工具方面，由于 arm 内核提供了高性价比且基于 jtag 的调试解决方 案，并且国内有为数众多的公司生产 arm 内核的芯片及其仿真器，价格便宜，如果 采用简单 jtag 接口调试，则只需配置一个几十元的简单 jtag 口即可进行调试，如 果连这个 jtag 接口也自制(制作非常简单)，那成本将非常的低廉。而其余很多芯片 的调试器或仿真器价格动辄上千元。 (4) 在设计资源方面，全球己经有将近 200 多个半导体公司购买了 arm 核，生产 自己的 arm 处理器，这种规模是任何一家公司都无法相比的，包括摩托罗拉。因此， 采用 s3c4510b 芯片将会拥有后面两者无法相比的众多的开发资源和强大的技术支 持。借助于来自第三方开发者的广泛支持，设计者可以使用丰富的标准开发工具和 arm 优化的应用软件。 (5) arm 体系结构目前被公认为是业界领先的 32 位嵌入式 risc 微处理器结构。 所有 arm 处理器共享这一体系结构， 因而确保了开发者转向更高性能的 arm 处理器 时，在软件开发上可以得到最大的回报。 3.1.3 samsung s3c4510b 概述 在进行系统设计之前， 有必要对 arm 芯片 s3c4510b 及其工作原理进行比较详细 的了解，只有对该微处理器的工作原理有了较详细的了解，才能进行特定应用系统的 设计。 samsung 公司的 s3c4510b 是基于以太网应用系统的高性价比 16/32 位 risc 微控 制器， 内含一个由 arm 公司设计的 16/32 位 arm7tdmi risc 处理器核， amr7tdmi 为低功耗、高性能的 16/32 位核，最适合用于对价格及功耗敏感的应用场合。 除了 arm7tdmi 核以外，s3c4510b 比较重要的片内外围功能模块包括32：2 个 带缓冲描述符(buffer descriptor)的 hdlc 通道，2 个 uart 通道，2 个 gdma 通道，2 个 32 位定时器，18 个可编程的 i/o 口。片内的逻辑控制电路包括：中断控制器， dram/sdram 控制器，rom/sram 和 flash 控制器，系统管理器，一个内部 32 位系统总线仲裁器，一个外部存储器控制器。 17 s3c4510b 结构框图如图 3.1 所示。 图 3.1 s3c4510b 结构框图 3.2 软件平台选型 3.2.1 常见的嵌入式操作系统 对于面向通信、网络、信息处理等领域的产品，人们要求其实现的功能复杂、可 靠性高，于是对微处理芯片和软件的应用都提出了更高的要求33。软件开发方面，现 arm7tdmi 32 位 risc cpu ice 断点 cpu 接口 8-kbyte 一体化 cache 4-word 写缓冲 总线路由器 i2c 18 个通用 i/o 口 中断控制器 uart 0.1 32 位定时器 0.1 gdma 0.1 pll 带刷新 控制的 存储器控制器 系统总线 仲裁器 2 通道 hdlc 带 dma 以太网控制器 2 通道 bdma bdma ram 发送缓冲(256 字节) 接收缓冲(256 字节) cam mac tx fifo (80 字节) rx fifo (16 字节) 用于 jtag 的 tap 控制器 6 组 rom sdram flash 4 组 dram 4 组 外部 i/o 设备 外部总线 控制器 远程端口 a、b 控制台 mii 或 7 线 晶振 scl sda 外部总线 请求/应答 32 位系统总线 18 代信息社会的高效性、协同性客观上要求软件的编写便于多人分工合作、编写的软件 具有可重用性。软件则日趋复杂。所有这些迫切需要有一个屏蔽底层硬件的、功能强 大的操作系统来支持。嵌入式操作系统的出现，为人们解决复杂的应用提供了可靠的 保障。嵌入式操作系统一般是基于多任务，实时性的工作模式343536，可以用于解决 复杂的多任务处理工作。 嵌入式操作系统的种类很多，根据是否需要付费，可分为商业操作系统和免费操 作系统。20 世纪 80 年代，商业化的嵌入式操作系统开始得到蓬勃发展。目前国内外己 有几十种商业操作系统可供选择，如 vxworks、psos、 palm os、 nucleus、qnx 、 lynxos 、windows ce 和 hopen os 等，具体如表 3.1 所示。 表 3.1 常见的商业嵌入式操作系统 操作系统 特 点 应用领域 vxworks 良好的可靠性和卓越的实时性，提供抢占和 轮转调度机制的多任务机制 广泛地应用在通信、军事、航空航天 等实时性要求极高的领域中。 psos 高性能、模块化、多任务的实时操作系统 消费电子、工控、网络设备、航空、 汽车、交通、医疗设备等 palm os 提供开放的操作系统应用程序接口(api) 在 pda 市场占有很大的市场份额 nucleus 抢先式多任务实时操作系统，其 95%的代码 是用 ansi c 写成，便于移植 消费电子、网络设备、无线、导航、 办公设备控制、医疗设备等 qnx 分布式、优先级抢占方式、可扩展的实时操 作系统，内核非常小巧，运行速度极快 非常适用于对实时性要求较高的场 合，用于消费电子、电信、汽车领域 lynxos 分布式、嵌入式、可扩展的实时操作系统， 支持线程概念，提供 256 个线程优先级 多用于电信，航空，防御系统等领域 windows ce 多线程，完整优先权，多任务的操作系统， 提供全面的多媒体和 web 浏览体验 实时性能较差，在工业控制系统中应 用较少，多用于消费电子 hopen os 我国具有自主知识产权的实时多任务操作系 统，提供一个微内核及可定制的系统模块。 广泛应用于机顶盒、掌上电脑、数字 电视、通信、汽车电子、家电等领域 这些专用操作系统均属于商业化产品，价格昂贵；而且，由于它们各自的源代码 不公开或仅部分公开，使得每个系统上的应用软件开发问题重重；并且，由于这种封 闭性还导致了商业嵌入式系统在对各种设备的支持方面存在很大的问题，使得对它们 19 的软件移植变得很困难。鉴于此，在系统的设计中没有选择这类操作系统。 3.2.2 选择 uclinux 的理由 uclinux 是嵌入式 linux 的一个分支，是针对微控制领域而设计的 linux 系统。最 初的 uclinux 仅仅支持 p