基于PCAP的TD_LTE基站业务数据吞吐率测试技术

1、44TELECO MM U NICAT IONS TECHNOLOGY /2011·8基于PCAP的TD-LTE 基站业务数据吞吐率 测试技术当前,T D-L T E T D D项目研发工作正在 如火如荼地进行,相应的测试工作也在紧张地 同步进行。该项目是关系到T D-L T E基站能否 在国际通信产业中占有优势地位、保持可持续 发展的重要项目,并且对巩固高速无线通信在 通信领域已经建立的地位和成果具有十分重要 的战略意义。在T D-L T E T D D基站开发中,L2的设计 开发复杂、技术含量高、难度大,因而L2的 测试和开发在T D-L T E项目研发中起着举足轻 重的作用。T

2、 D-L T E基站的测试主要有4个阶 段:第一阶段是单元测试,采用白盒方式进行 测试,主要测试L2各个单元是否符合系统设 计;第二阶段为子系统测试,该阶段实行黑盒 测试,同时设置L1和L3的模拟仿真模块,以模拟系统流程;第三阶段为调制板集成测试 (Modem Integration Test,MIT,在MIT环 境中,采用真实的测试U E和除L3外的整个无 线通信链路;第四阶段为系统测试ST(System Test,该测试系统是真实无线通信环境的实 验室模型。M I T系统介于U T和S T系统之间, 起着承上启下的“桥梁”作用。各测试阶段的 逻辑模型如图1所示。高速率的下行数据是L T E

3、-T D D系统的优势 之一,其峰值速率最高可超过300 Mbit/s,因此 峰值数据吞吐率被视为M I T的一个重要的测试 点。以下将着重介绍通过低成本的软件方式实现 高速数据发送,从而实现高速率的测试目标。用软件方式实现高速率数据发送,主要涉 及两个问题,一方面是数据发送机制,另一方 面是定时机制。不同的数据发送机制将对最大 数据发送速率产生根本的影响,而定时机制将张能闫书磊李昊上海贝尔股份有限公司首先讲述了TD-LTE MIT环境及基站业务数据吞吐率测试需求,其次分析比较了几种常规数据吞吐率测试 方法,最后分析了利用PCAP进行MIT环境下,基站在承载多小区、多用户时的最高业务数据吞吐率

4、测试 技术。TD-LTE eNodeB MIT PCAPLTE 技术与应用特别报道45www. ttm . 会影响控制数据发送速率的精确性。 数据发送机制主要有基于UDP Socket 套接字的数据发送机制和基于P C A P的 数据发送机制两种。定时机制主要也 有两种执行机制:一种是系统函数定 时,如sleep、usleep和nanosleep等,另 一种是循环等待机制。3.1 基于UDP Socket套接字的数据发送机制UDP Socket套接字是较为传统 的 数 据 发 送 机 制 , 配 置 方 式 成 熟 、 稳定,应用广泛。由于L T E T D D系 统 中 需 要 模 拟 同

5、时 向 多 用 户 传 输 数 据 , 这 样 导 致 使 用 套 接 字 时 要 建 立 多 个 端 口 的 连 接 , 加 上 可 能 由 操 作 系 统 、 网 卡 、 网 络 等 相 关 软 硬 件 及环 境 带 来 的 局 限 性 , 这 种 数 据 发 送 方 法 有 很 大 的 局 限 性 , 其 峰 值 速 率 只能达到100 Mbit/s,无法满足实际 测试的需求。3.2 基于PCAP的数据发送机制P C A P是网络交互中应用非常广 泛的收发函数,它支持以各种模式高速率、高准确率地收发网络中的数据 包。与UDP Socket套接字不同,使用 P C A P机制所发送的数据属

6、原始数据, 没有经过任何网络封装。这意味着使 用P C A P机制的数据发送速度将大大高 于使用UDP Socket套接字的方式。对 比两种数据发送机制,基于P C A P的 数据发送机制更灵活,更能满足L T E TDD系统的测试需求。3.3 系统函数定时机制使用系统函数s l e e p、u s l e e p和 nanosleep等设置的定时机制的最小延时精度分别是秒、微秒和纳秒。系统 调 用 这 类 函 数 时 , 采 用 非 独 占 式 运 行 , 即 C P U 的 使 用 权 会 同 时 交 给 其 他 的 线 程 或 程 序 。 在 执 行 定 时 操 作 时 , 定 时 机

7、制 基 于 内 核 时 钟 实 现 , 受L i n u x内核时钟实现的影响,无法 达到纳秒级精度。实际证明,s l e e p 的 最 小 精 度 只 能 达 到 秒 级 , 不 能 有 效地控制数据发送的速度,usleep和 n a n o s l e e p类似,最小精度只能达到2 ms。通过分析,使用系统函数定时 只能达到毫秒级的精度,无法满足大 流量数据发送需求。3.4 循环等待机制循环等待机制的原理是通过设置 循环次数以消耗程序运行时间,从而 达到定时的目的。这种机制没有最小 延时精度的限制,可以通过调节循环 次数灵活地调节延时长短,最小可以 到C P U的机器周期。该方法的缺点

8、是 程序运行期间其他线程或程序的运行 效率将受到影响。循环等待机制主要通过如下3种 方式实现。第一种方法是指令校准法。查阅 相关C P U指令手册,计算出每一次循图1测试阶段的逻辑模型图2UDP数据包封装格式循环机制 优点缺点指令校准法 时延较短时精确对CPU资源完全独占,时延较长时 不精确经验统计法 时延较短时精确,可移植性高 需要占用较多CPU资源,时延较长 时不精确系统时间校准法精确,可移植性高需要占用较多CPU资源表1各循环定时机制优缺点CodingSource Port(16 bitUDP Package Length(16 bitDestination Port(16bitUDP

9、CheckSum(16 bitDataDeliveryDeliveryDeliveryL3 SimulatorL3 SimulatorL3 SimulatorL3 SimulatorBug DetectedBug DetectedBug DetectedBug DetectedL2 HostL2L2/L1L3/L2/L1L1 SimulatorL1 SimulatorTest UETest UE46TELECO MM U NICAT IONS TECHNOLOGY /2011·8环需要耗费多长时间,进而通过控制 循环次数来精确控制延时。这种方法 的优点是定时精准、准确性高、稳定 性好

10、,但由于汇编指令需要对应C P U 版本,导致兼容性下降,延时的准确 度也将大打折扣。另外,由于系统会 自动优化循环耗时,因此实际设置的 循环次数与延时并非线性关系,在循 环次数上升到一定值时,延时的增长 将变得非常缓慢。第 二 种 方 法 是 经 验 统 计 法 。 设 置 一 个 合 适 的 循 环 次 数 N , 使 延 时T (s比较适中。通过循环次数与延时的对比,获得延时因子 T/N,该延时 因子表征了在当前系统状态下,循环 次数与延时之间的关系。假设发送数 据包长度为 L e n (By t e,吞吐率为Throughput (Mbit/s的数据,则发送两个数据包之间延时相应时间所

11、需的循 环次数 n 可由公式(1得出。 (8(1N TLen n ×××= (1第三种方法是系统时间校准法。 在程序循环伊始,调用gettimeofday 函 数 获 取 系 统 时 间 , 循 环 体 内 通 过 gettimeofday函数获取系统时间,并将 获取的时间与开始时间做差,当其超 过设定的延时长度之后,执行数据发 送,并立即跳出循环,如此反复。这 种延时机制可将误差控制在1 s内。3种不同循环定时机制的优缺点 见表1。使用P C A P机制发送的数据属于 原始数据,未经过任何网络封装,数 据封装工作需由程序开发者完成。在 I P网络中,数据的发送依

12、赖于正确的 数据头。如果数据封装不正确,数据 将无法正确地发送到对端,因此,使 用P C A P机制发送数据首先要解决的问 题是数据的封装。以 U D P 数 据 为 例 , 用 户 数 据 首 先被封装成U D P数据包。U D P头共8个字节,分别是源端口号、目的端口 号 、 U D P 包 长 度 和 U D P 校 验 和 。 其 中源端口号和目的端口号都依赖于网 络配置。U D P包长度和头长度由公式 (2和(3决定。UDP包长度 = UDP头长度 + 数 据 长 度 (2U D P头长度 = 16位源端口号 + 16位目的端口号 + 16位UDP长度+ 16位 U D P 校 验

13、和 (3UDP数据包格式如图2所示。U D P数据包封装完成后,需要进 一步封装成IP数据包。IP头共 20 Byte, 分别是4位版本号、4位首部长度、8位 服务类型、16位I P包总长度、16位I P 包标识、3位IP数据分割标志、13位IP 数据分割偏移、8位生存时间、8位协 议标识、16位首部校验和、32位源I P 地址、32位目的I P地址。其中源I P地 址和目的I P地址都依赖于网络配置。 标识指当前发送的I P数据包的序号, 以便接收端对接收到的乱序I P数据包 进行重组。标志与片偏移指示当前I P图4以太网帧封装格式Version (4 bitHead Len(4 bitFl

14、ag(3 bitProtocol(8 bitTTL(8 bitOffset(13 bitType of Service(8 bitTotal Length(16 bitIdentifier(16 bitSource IP Address(32 bitDestination IP Address(32 bitOption(OptionalData6 Byte6 Byte2 Byte461500 ByteDestination AddressSource AddressTypeDataHead CheckSum(16 bit图3IP数据包封装格式LTE 技术与应用特别报道47www. ttm .

15、数 据 包 是 否 分 片 及 分 片 的 偏 移 , 以 便接收端对I P数据包进行合并。为简 化设计,当发送数据包大小小于网络 M T U(最大发送单元时,可以将标 志置为不分片,片偏移置为全0。I P头 中比较重要的是I P头校验和,接收端 I P层检验不通过则会将此I P数据包丢 弃。IP头校验和 IpHeadCheckSum 计算 方法见公式(4。×=k IpHeadkSum IpHeadChec i i,(201=otherwise n n i if k ,110, , 2, 1, 12, 256L (4 其中 IpHead i 为IP头的第 i 个字节, “”为二进制取

16、反运算。IP数据包封装格式如图3所示。 I P数据包封装完毕后,最后需要 将其封装成以太网帧。以太网帧头共图5数据流量统计9008007006005004003002001000111213141516171Theoretical ValueLength=1 000 ByteIndexData Transmission Rate (Mbit/sLength=100 ByteLength=1 400 ByteLength=500 Byte14 B y t e,分别是目的M A C地址、源 M A C地址和协议类型。协议类型指其 后续数据发送所使用的协议类型。目 的 M A C 地 址 和 源 M

17、 A C 地 址 都 依 赖 于 网络硬件配置,可通过A R P连接获取 相关信息。以太网帧封装数据格式如 图4所示。数据封装好之后就可以调用相关 P C A P函数执行数据发送。首先,调用 pcap_lookupdev函数配置执行数据发 送的PCAP设备;调用pcap_open_live函数创建一个P C A P描述符,该函数可 配置执行数据发送的P C A P设备、能 够捕获的最大字节数、混杂模式、读 取超时值和错误存放处等;最后调用 pcap_sendpacket函数执行发送封装好 的以太网帧数据。通过上述分析,测试不同配置模 式 下 针 对 不 同 数 据 包 长 度 的 数 据 流

18、量。采用基于P C A P的数据发送机制 作为高速数据传输机制,采用系统时 间校准法作为定时机制。经过实际测 试,这种配置模式满足了当前无线通 信系统的测试需求,可得到高精度、 高速率的数据流量。数据包在长度为 100 Byte、500 Byte、1000 Byte和 1 400 Byte时的数据流量统计如图5所示。由图5可以看出,当发送的数据 包长度在1 400 Byte时,数据传输性能 相对最优。在吞吐率从0600 Mbit/s时,实际值与理论值非常接近,误差 在0.01% 1%之间波动,在数据传输速 率大于600 M b i t/s后,速率的增长逐 渐变得缓慢。当发送的数据包长度在 10

19、0 Byte时,数据传输性能相对最差。F5增强型BIG-IP安全解决方案防御多层网络攻击全球应用交付网络(ADN厂商F5 Networks近日推 出了其应用和数据安全解决方案的增强型特性产品。F5全 新的BIG-IP v11软件以及应用安全管理器、访问策略管理 器和广域流量管理器,可以提供统一的平台,帮助客户保 护Web 2.0应用和数据,确保DNS基础设施的安全,建立 集中化应用访问和策略控制。随着网络攻击性质的不断变化以及攻击频率的持续 升高,有效解决安全问题的难度越来越大。诸如网络防火 墙、杀毒软件和入侵检测/防御系统之类的传统点解决方 案主要解决特定的安全问题,而且通常部署在独立设备之

20、 上。这种静态方法不利于IT实施集成的安全策略,保护应 用、用户和数据。现代安全攻击是复杂的多层攻击,使用 多个攻击向量将目标锁定在网络以及基础应用和数据上。 一个攻击可能通过DDoS锁定网络层,然后通过Web浏览器 锁定应用漏洞。单靠传统网络防火墙等点解决方案不足以 抵御这些多层攻击,因为它们不提供跨层可视性、检测或保 护功能。F5 B I G-I P v11增强特性可以让企业创建动态数据中 心环境,用于管理和保护网络、数据以及应用无论是 部署在物理环境、虚拟环境还是云环境中。动态数据中心 环境高度可扩展,能够确保应用始终可用且以峰值性能运 行。B I G-I P v11产品和相关模块的增强

21、特性可以提供一 些高级安全服务,包括交互式W e b 2.0应用保护、统一和 动态的访问控制、增强的管理和报告功能、可扩展的D N S 基础设施以减少D D o S攻击、灵活的跨所有I T环境的应用 安全等。因此,借助B I G-I P v11,I T机构可以将应用部 署速度提升多达100倍,快速响应业务需求变化。通过把 各种应用服务作为一个整体而非单独的设备或对象加以管 理,I T团队能够简化运维,并显著降低运维成本。通过本 地、虚拟化或云创建新实例时,B I G-I P v11能够使应用 特定配置随应用一起迁移。另外,F5解决方案现在可以为 O r a c l e、M i c r o s

22、o f t、S A P等厂商的各种流行应用提供应 用特定智能。在吞吐率从0200 Mbit/s时,实际值与 理论值非常接近,误差在0.01% 1%之 间波动。受限于定时精度的影响,在 数据传输速率大于200 Mbit/s后增长不 再明显。随着信息化步伐的加快,全球的 移动运营商都在寻求成本更低、传输 速率更高的宽带移动通信网络,以满 足日益兴起的移动多媒体业务和其他 移动应用的发展,而T D-L T E所固有 的高数据传输速率、高频谱利用率、 低延迟等特征,使得其成为众多运营 商大规模商用的首选技术。目前各大 通信设备制造商对T D-L T E系统的开 发和测试正处于白热化的状态,尽早 推出性能稳定的产品意味着将获得更 多的订单。更高效、更严谨、成本更 低的测试将对T D-L T E系统能否尽快 地取得成功有重大影响。以上所讨论 的基于P C A P的业务数据传输技术,已应用于T D-L T E T D D 系统测试。实际验证表明,该技术完全满足当前的环境需求,为公司节约了大量的购置数据发包器的资产。参考文献U n i v e r s a l T e r r e s t r i a l R a d i o A c c e s s (E -U T R A a n d E v o l v e dU n i v e r s a l T e r r e s t r i a