i 摘 要 無線光通信又稱自由空間光通信，是一種無需光纖的通信技術，主要由激光發射 機、光接收機及少量的控制設備組成。作為一種無線接入方式，它綜合了光纖通信和 其它無線通信方式的特點，具有高寬帶、低成本、安裝快捷、機動靈活等優點，因而 在很多領域具有廣闊的應用前景。 但是在無線光通信中，由于所涉及的是隨機的大氣信道，會嚴重影響無線光通信 系統的穩定性和可靠性。對網絡進行網絡性能測試能夠發現網絡瓶頸，優化網絡配置， 并進一步發現網絡中可能存在的潛在危險。更加有效地進行網絡性能管理，提供網絡 服務質量的驗證和控制，對服務質量指標進行量化、比較和驗證，是網絡性能測量的 主要目的。 本文結合無線光通信的特點，提出了一種適用于無線光通信系統的網絡性能測量 系統，具有安裝、操作方便，維護成本低等特點。并且基于嵌入式開發工具，在嵌入 式平臺的硬件和軟件選型后，進行嵌入式硬件開發板進行軟件平臺的搭建。本文的重 點在于網絡測量系統中的軟件設計，基于 socket 套接字的通信原理和 vc+編程技術， 實現了測量模塊、通信模塊、監測模塊，控制模塊和存儲模塊等功能。最后，對論文 工作進行了總結，并給出了進一步改進的建議，為基于無線光通信的網絡性能測量實 用化開發提供了有益的參考。 關鍵詞：關鍵詞：無線光通信 網絡性能測量 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 獨創性聲明 本人聲明所呈交的學位論文是我個人在導師指導下進行的研究工作及取得的 研究成果。盡我所知，除文中已經標明引用的內容外，本論文不包含任何其他個人 或集體已經發表或撰寫過的研究成果。對本文的研究做出貢獻的個人和集體，均已 在文中以明確方式標明。本人完全意識到本聲明的法律結果由本人承擔。 學位論文作者簽名： 日期： 年 月 日 學位論文版權使用授權書 本學位論文作者完全了解學校有關保留、使用學位論文的規定，即：學校有權保 留并向國家有關部門或機構送交論文的復印件和電子版，允許論文被查閱和借閱。本 人授權華中科技大學可以將本學位論文的全部或部分內容編入有關數據庫進行檢索， 可以采用影印、縮印或掃描等復制手段保存和匯編本學位論文。 保密， 在 年解密后適用本授權書。 不保密。 （請在以上方框內打“” ） 學位論文作者簽名： 指導教師簽名： 日期： 年 月 日 日期： 年 月 日 本論文屬于 1 1 緒論 1.1 無線光通信的發展 近年來，隨著全球通信網絡開始大規模擴容，數據業務特別是互聯網服務在全球 范圍內已經取得了巨大的成功，無論在用戶數量還是業務量方面，都始終保持著高速 增長的勢頭。但是，從用戶接入運營商的通信網絡的手段來看，傳統的窄帶電路接入， 如 pstn(公用交換電話網)接入方式，仍然占據著主要地位。接入帶寬成為制約高速上 網和寬帶業務發展的主要瓶頸，這就是通信技術上的“last mile”問題。提起更高速 度的寬帶接入方式，當前主要限于光纖、寬帶無線接入 lmds(local multipoint distribution service)、以及 dsl(digital subscribe line)等。如何提供快速、低價的寬帶 接入方式，成為迫切需要解決的問題1。而此時，有一種寬帶無線接入技術逐漸開始引 起人們注意，它就是光無線寬帶接入系統，也稱為無線光通信(wireless optical communication)系統或是自由空間光通信(free space optical communication)系統2。 光通信經歷了無線光通信和光纖通信兩個重要的發展階段，早期的無線光通信曾 掀起了世界性的研究熱潮，但當時的器件技術、系統技術和大氣信道光傳輸特性本身 的不穩定性等諸多客觀因素卻阻礙其進一步的發展。隨著近年來連續波大功率半導體 激光器技術、自適應變焦技術、光波窄帶濾波技術、光源穩頻技術、信號壓縮編碼技 術和光學天線的設計制作及安裝校準技術的發展和成熟，無線光通信重新浮出了水面。 作為 2006 年 10 大電信熱點技術，無線光通信將是今后構筑電信網不可或缺的一項技 術，目前可以實現的最高傳輸速率已達 2.5gbps3。 無線光通信是利用光束通過大氣空間，而不是通過光纖來傳送信號。這種技術能 以較靈活的無線方式，在短距離內，以比現有系統低得多的投資，獲得大的傳送容量。 在不便于光纖鋪設的環境或臨時事件需要，可作為一種新的選擇。在氣候條件較好的 城市的高層建筑之間以及軍事上也有其使用價值。光無線接入系統在組成結構上與光 纖傳輸系統非常相似，物理組成也是非常簡單的。光無線接入系統的基本組成如圖 1.1 所示：在點對點傳輸的情況下，系統每一端都設有光發射機和光接收機，具有全雙工 的通信能力。光發射機的光源受到電信號的調制，并通過光學天線，將光信號經過大 2 氣空間送到接收端的光學天線。具有高靈敏度的光接收機，將接收到的光信號轉換成 電信號。光無線接入系統的發送端和接收端之間不能有阻擋。 圖 1.1 無線光通信系統基本組成 1.2 無線光通信的特點及關鍵技術 1.2.1 無線光通信的特點 將高速的局域網和千兆以太網連接到運營商的通信網絡，必須依靠容量巨大的接 入系統。如何提供快速、低價的寬帶接入，成為迫切需要解決的問題。無線光通信作 為寬帶無線接入方式之一，具有許多其他接入方式無可比擬的優點，成為未來寬帶無 線接入的備選方案之一。無線光通信系統的主要優點有以下幾個方面： (1) 無需申請頻率使用許可證，頻譜資源豐富。目前無線通信方式的頻段基本被分 配占有，空間發展余地所剩無幾，而 300ghz 以上頻率電磁波頻段的應用在全球都不 受管制，可免費使用，唯一的要求是設備功率不能超過國際電子技術委員會規定的功 率上限。據國際激光應用的安全標準，半導體激光器的功率在大氣無線光通信中一般 要求在 class 3b 以下，即500mw。 (2) 擁有光纖傳輸的等效作用。理論上，無線大氣光通信的傳輸帶寬與光纖通信的 傳輸帶寬相同，只是光纖通信中光信號在光纖介質中傳輸，而無線大氣光通信的光信 光 學 收 發 天 線 以 太 網 終 端 接 口 電 路 編碼器 解碼器 驅動調制模塊 放大調制模塊 光電探測器 半導體激光器 網卡 光 學 收 發 天 線 以 太 網 終 端 接 口 電 路 編碼器 解碼器 驅動調制模塊 放大調制模塊 光電探測器 半導體激光器 網卡 3 號在大質中傳輸，因此也被稱為“虛擬光纖”通信技術。 (3) 快速鏈路部署，建網速度快。無線大氣光通信系統建設通信網的速度快，無需 埋設光纖，只需在通信節點上進行設備安裝，為快速構建寬帶網絡以及搶占市場和客 戶資源提供了極好的解決方案， 適合于臨時通信和復雜地形中緊急組網， 如搶險救災、 大型運動會、戰地通信等。 (4) 組網靈活，網絡擴展性好。可構建包括點對點、點對多點、環/網狀或這些結構 的組合拓撲結構的網絡，當添加其它節點時，無線光通信的網狀結構無需改變，只要 改變節點數量和配置即可，這使得無線大氣光通信易于擴容升級，成為一種適應性很 強的通信方式。 (5) 協議具有透明性。無線大氣光通信產品作為一種物理層的傳輸設備，可適應即 不依賴于任何通信協議，如 sonet、sonet/sdh、atm、fddi、ip 等，以光為傳 輸機制，任何傳輸協議均可容易地迭加上去，透明傳輸電路和數據業務。 (6) 傳輸安全， 保密性好。 激光的直線定向傳播方式使它的發射光束窄、 方向性好、 不可見，很難在空中發現一條業務鏈路4。因此，無線光通信系統比通常的無線系統 有較高的安全系數，對于軍事系統來說這點是極其重要的。 (7) 抗電磁干擾能力強。由于激光的頻率極高，不易受到周圍各種電磁波的干擾， 因此抗干擾性好。尤其在軍事電子對抗的時候，無線大氣光通信系統能在強電磁干擾 下快速、準確、正常地通信。 (8) 設備尺寸小。由于光波波長短(約零點幾微米到幾十微米)，在同樣功能情況下， 光收發終端的尺寸比微波、毫米波通信天線尺寸要小許多，具有功耗小、體積小、重 量輕、可靈活拆裝等特點。 (9) 實施成本相對低廉。無需進行昂貴的光纖鋪設和維護等管道工程施工，其施工 成本約為光纜的 1/101/3。尤其適合于邊遠地區和特殊地區的通信網絡建設。 大氣傳輸信道的自身特性決定了無線光通信不可能獲得光纖通信所具有的通信質 量。無線光通信的主要缺點是受信道環境影響大。目前測試表明，在 1 公里以下無線 光通信系統才能獲得最佳的效率和通信質量5。另外，由于光束的傳輸不能受到阻擋， 飛鳥等也會對系統產生影響。影響系統性能指標的另外兩個因素是大風和地震。由于 4 系統的收發設備一般都安裝在高樓之上，大風引起建筑物的晃動或地震都會造成光路 的偏移。 實際上，經過多年的探索，也逐漸找到了解決問題的辦法。首先是大氣介質對 光信號的衰減。波長為 850nm 和 1550nm 的光信號，主要的衰減來自霧。如 780nm 的激光在極端晴朗天氣條件下的衰減系數只有 0.2db/km(與單模光纖在 1550nm 的損 耗相同)，輕霧只有每公里 50 分貝的損耗，濃霧時可高達每公里 315 分貝6。對于 這種大氣現象處理的方式與微波通信中對待雨衰相似，要在系統傳輸的計算中為光 信號的衰減留有足夠的系統功率余度。以便在因為濃霧而出現最大衰減的情況下， 系統仍能接收到滿足靈敏度要求的光信號功率。實用的無線光通信系統還需要保證 收發兩點之間光信號良好的準直穩定，使發送的光信號在接收端的光斑能夠覆蓋接 收天線，不會因為大氣折射率的起伏而偏離目標。為此需要有意使發射光束展寬。 還有一些產品，采用動態調節的跟蹤技術，不僅能應付由大氣引起的漂移，還可以 在系統端機所在的建筑物輕微擺動時，保持信號的穩定。此外，激光信號對人體安 全的威脅，也一直受到人們的關注7。所以，無線光通信系統要架在高樓之類不易 接觸到的地方。 1.2.2 無線光通信的關鍵技術 無線光通信的優點在于信息量大、方向性好、發散角小、光能集中、設備輕便、 費用經濟等，但它存在的固有缺點主要有：大氣傳輸損耗嚴重、光束窄導致發射接收 之間瞄準困難、光束傳播不能超越障礙等。所以就無線大氣光通信這種技術本身而言， 存在一些有待解決或改進的關鍵性技術問題： (1) 大氣信道衰減大及誤差隨機變化量大的自適應補償技術問題； (2) 系統光學天線的快速、精確的捕獲、跟蹤和瞄準技術(atp)； (3) 如何減弱不良的天氣條件對系統通信性能的影響，提高系統可靠性； (4) 大功率光源及高速調制技術； (5) 高靈敏度和高抗干擾性的光信號接收技術； (6) 背景噪聲的濾除技術； (7) 體積小、重量輕、光學特性好、便于安裝和調校的光學收發天線的制作。 5 1.3 無線光通信的國內外研究 1.3.1 國外研究概況 在國外， 無線光通信已經成為學術界和產業界的研究熱點， 美國 telecommunication 雜志每年都要評選一次本年度電信領域十大熱門技術，無線光通信在 2001 年公布的十 大熱門電信技術中排名第四8， 說明這種技術已經得到越來越廣泛的重視和認可。 spie 協會的free space laser communication technologies文集中已開始有大量的文章討 論無線光通信，從 1998 年開始，spie 專門組織了無線光通信(wireless optical communication)會議， 每年召開一次并出版會議文集。 無線光通信也逐漸在全球通信制 造業中熱起來，例如，美國軍方支持的噴氣動力實驗室(jpl)在 1999 年做了一項相距 45 公里的水平無線光鏈路實驗9，其用了 4 個 780nm 信標光建立鏈路，用 840nm 激光 進行通信， 在2000米高空， 空氣質量4級的情況下進行通信。 美國軍方支持的astro terra 公司以前一直從事衛星光通信，現在投入很大精力進行無線光通信的研究并且推出了 自己的產品 terralink，它能提供通信距離為 8 公里、全雙工、協議透明、碼率達到 230mbps 的通信能力，以及 622mbps，3.5 公里的通信能力，另外還采用了自動跟蹤技 術以補償建筑物的搖擺10。lucent 公司在 1999 年做了相距 2.4 公里碼率為 2.5gbps， 波長為 1550nm 的無線光通信實驗，2000 年做了 40gbps 密集波分復用 4.4 公里無線光 通信實驗11。 它采用 astro terra 公司設計的接收、 發射共用 schmidt-cassegrain 望遠鏡 的光學天線。發射端由三個 1550nm 波長激光器和一個 785nm 的信標光激光器組成， 信號光通過摻鉺光纖放大，輸出功率高達27dbm，接收端通過接收光學天線將光功 率耦合到光纖中再接入 apd。2001 年，lucent 公司做了目前通信容量最大的無線光通 信系統12，采用光纖放大器，可以在 200m 的通信距離實現 20gbps 到 160gbps 碼率的 數據通信，其采用的發散角是 0.5mrad，接收孔徑為 20cm。目前，將無線光通信系統 成功應用于商業服務比較典型的公司有 terabeam 和 airfiber。 1.3.2 國內研究概況 在國內，無線光通信的研究還處于初級階段，大多數研究集中在大學和研究 所13 17。1999 年 8 月上海光機所在全國第九次光纖通信暨第十屆集成光學學術會議 6 上報導已研制出 34mb/s 無線光通信系統。該系統采用 800nm 紅外半導體激光器，激 光功率為 40mw，接收端機的核心是硅 pin 管，在 2km 的傳輸距離上誤碼率優于 10-9。 在 2000 年 11 月中國(湖北)科技博覽會上， 該所報導的激無線光通信系統傳輸速率已提 高到 155mb/s。桂林信息產業部第 34 研究所于 1999 年研制出一個近地 4km 的激光大 氣通信機。通信光源采用波長為 850nm 的半導體單模量子阱激光器，系統兼容 128/56/512/1024/2048 kb/s 速率。系統進行了長達 360 小時的戶外開通試驗，這其中經 歷了大霧、大雨、小雨、晴天等天氣變化，試驗結果表明，除能見度極低的大霧天氣 外，通信系統都能正常工作，通信質量良好。此外，電子科技大學應用物理研究所對 無線光通信系統專門進行了 atp 技術的研究，采用雙回路控制系統實現高精度的跟蹤 瞄準。實驗選用功率為 5w 的 co2激光器作光源，傳輸速率為 8.448mb/s，通信距離為 1.6km，由實驗測試的誤碼率數值表明系統能實現對目標的精確跟蹤。國內光無線寬帶 接入系統的商業應用在 2002 年以前還沒有先例。2001 年 12 月，清華同方研究發展中 心致力于“last mile”解決方案的探索，成立了“fso 技術跟蹤研究小組”，2002 年 8 月，完成了 1000 米點到點通信樣機的檢測。2002 年 9 月清華同方網絡產品公司對外 宣布， 在無線光通信領域， 該公司推出了光無線鏈路的自由空間通信產品 owlink e100 系列。該產品的研制成功是國內網絡設備廠商在光無線領域的一次重大突破，給國內 的無線網絡接入市場注入了新的活力。 1.4 本文的主要內容和意義 激光束在大氣中傳輸時，會受到霧、雨、雪、煙、塵等顆粒的吸收和散射而產生 衰減，并且其衰減量變化是無法預知的。盡管激光的定向性很好，但波束還是會隨傳 輸距離的增加而慢慢變寬，超過一定距離后就難以被正確接收。另外，由于光束的傳 輸不能受到阻擋，飛鳥等也會對系統產生影響。隨著時代的發展，為了使無線光通信 得到更廣泛的應用，人們已經發現了很多方法克服這些缺點，例如采用波長為 850nm 和 1550nm 的光信號可以得到最低的衰減性能18； 保留一定的系統功率余度； 發展 apt 即自動跟蹤捕獲技術等等。 使用簡單的網絡性能測量技術，可以更好的利用這些技術來改善無線光信道的通 信質量。通過使用網絡性能測量，能夠得到實時的無線光信道的通信情況，并將這些 7 情況傳送到服務器終端。終端可以根據測得的數據判斷通信質量，來調節信道參數改 善信道的通信質量，實現信道的自適應調節。 本文的主要內容組織如下： 第一章概述了無線光通信的發展狀況，特點，關鍵技術及國內外研究情況。 第二章提出了基于無線光通信的網絡性能測量系統，并闡述系統軟件的總體設計 思路。引入網絡性能測量的概念，介紹了包括網絡性能測量的概念，性能指標，測量 方法。 第三章主要介紹了嵌入式平臺的選型工作，硬件開發板選擇的是優龍公司生產的 fs4510b；嵌入式操作系統選用的是基于 linux 核心的 uclinux。 第四章完成了系統的嵌入式軟件平臺搭建，也就是在現有的嵌入式開發板上進行 uclinux 的裁剪和移植工作。 第五章是本文的重點，詳細敘述了網絡性能測量系統的軟件實現過程，重點介紹 了軟件功能中的測量模塊和通信模塊的實現。并且進行軟件測試證明系統功能齊全和 系統的穩定性。 第六章對全文進行總結，包括工作內容和對不足進行改良的建議，為基于無線光 通信的網絡性能系統進一步實用化開發提供了有益的參考。 8 2 網絡性能測量系統設計 2.1 系統結構 網絡性能測試系統是本文提出的一種應用于無線光通信系統進行網絡性能測量的 嵌入式設備，作為無線光通信系統的一個附加功能。 無線光通信的主要缺點是受信道環境影響大。由于無線光通信中存在許多不穩定 的因素，無線光通信鏈路會受到不規則的間斷性干擾。而本課題所設計的網絡性能測 試系統的就是為了判斷這種不規則的間斷性干擾而進行的實時測量；實時測量的數據 提供給網絡終端，終端會通過調節無線光通信設備的參數(最常見方法的就是增加激光 發射功率)來實現信道的穩定，消除這種不規則的間斷性干擾對通信質量的影響，實現 自適應的穩定信道質量。 無線光通信系統總的網絡拓撲結構如圖 2.1 所示。 圖 2.1 無線光通信系統網絡拓撲結構 在整個網絡拓撲結構中，網絡測量系統是一個嵌入式設備，擁有兩個網絡控制芯 片，分別連接著有線網絡和光無線信道。嵌入式設備對光無線通信的信道進行性能測 量，并將統計的網絡性能指標數據傳送到有線網絡端的服務器進行存儲。 硬件方面， 網絡性能測試系統采用一個基于 arm 微處理器的嵌入式系統平臺， 具 9 有較強的處理能力。arm 微處理器是一種領先的 16/32 位嵌入式 risc 微處理器，具 有高性能、低成本和高效率的特點。arm 微處理器已經支持網絡功能，目前應用廣泛 的 arm7 和 arm9 微處理器均設計有以太網 mac 控制器芯片，十分適合進行網絡應 用。 軟件方面，可以在 arm 微處理器上安裝嵌入式 uclinux 操作系統，用來管理應用 程序和硬件設備。由于 uclinux 操作系統采用的 linux 的內核，能夠方便的開發出適用 于網絡性能測試的應用程序。并且適合用于今后進行擴展應用。 2.2 系統設計 整個網絡性能測量系統的設計是基于嵌入式開發來進行的，工作步驟分為三步： 嵌入式軟硬件平臺選型，嵌入式開發平臺搭建，完成系統軟件設計。 系統總體軟件結構圖如下圖 2.2 所示。 圖 2.2 系統軟件結構圖 在本系統中，由于嵌入式設備沒有顯示功能和大的存儲空間，因此，需要將統計 的網絡性能數據，利用 socket 通信技術傳送到遠程服務器。在本例中采用簡單的 client/server 結構(c/s 結構)，在嵌入式開發板上編寫 linux 平臺的客戶端程序，在服務 器上編寫 windows 平臺的服務器端程序，將客戶端嵌入式開發板上統計的測量結果傳 嵌入式硬件平臺嵌入式硬件平臺 操作系統操作系統 測量模塊 通信模塊 數據庫 通信模塊 監 測 模 塊 控 制 模 塊 存 儲 模 塊 客戶端客戶端 服務器端服務器端 圖形化界面 10 送到服務器端，并用數據庫存儲。 在客戶端，測量模塊是向無線光通信系統的另一端發送測量數據包來進行主動的 單點測量。通信模塊是則是利用 socket 技術和服務器進行通信，提供測量數據。 在服務器端，監視模塊通過 socket 通信接收客戶端信息，實時顯示測量信息；控 制模塊可以控制客戶端測量的開始；存儲模塊將測量結果存儲在本地數據庫中。 2.3 網絡性能測量介紹 無線信道有多種模型，特別在無線通信系統中，信道一般為衰落型信道，即信道 的時域沖激響應函數的幅度呈起伏特性19。為簡化討論，假設只用“好”與“壞”兩 狀態模型描述信道的特性就足夠了。由于無線光通信系統的先天性特點，當大氣信道 質量出現起伏時，為了保證行到出于“好”的狀態，需要提高激光發射功率或者其他 手段來保證通信質量。因此對無線光通信系統進行必要的網絡性能測試可以給維持網 絡通信質量提供數據依據。 2.3.1 網絡性能測量的概念 (1) 網絡性能的概念 網絡性能可以采用以下方式定義20：網絡性能是對一系列對于運營商有意義的， 并可用于系統設計、配置、操作和維護的參數進行測量所得到的結果。可見，網絡性 能是與終端性能以及用戶的操作無關的，是網絡本身特性的體現，可以由一系列的性 能參數來測量和描述。 (2) 網絡性能參數的概念 對網絡性能進行度量和描述的工具就是網絡性能參數。ietf 和 itu-t 都各自定義 了一套性能參數，并且還在不斷的補充和修訂之中。 網絡性能參數的制定必須遵循如下幾個原則21： 1) 性能參數必須是具體的和有明確定義的； 2) 性能參數的測量方法對于同一參數必須具有可重復性，即在相同條件下多次使 用該方法所獲得的測量結果應該相同； 3) 性能參數必須具有公平性，即對同種網絡的測量結果不應有差異而對不同網絡 11 的測量結果則應出現差異； 4) 性能參數必須有助于用戶和運營商了解他們所使用或提供的 pi 網絡性能； 5) 性能參數必須排除人為因素； 2.3.2 性能指標的測量與分析 (1) 連接性 連接性也稱為可用性、連通性或者可達性，嚴格說應該是網絡的基本能力或屬性， 不能稱為性能，但 itu-t 建議可以用一些方法進行定量的測量22。目前還提出了連通 率的概念，根據連通率的分布狀況建立擬合模型。 (2) 延遲 延遲的定義23是：ip 包穿越一個或多個網段所經歷的時間。延遲由固定延遲和可 變延遲兩部分組成。固定延遲基本不變，由傳播延遲和傳輸延遲構成；可變延遲由中 間路由器處理延遲和排隊等待延遲兩部分構成。對于單向延遲測量要求時鐘嚴格同步， 這在實際的測量中很難做到，許多測量方案都采用往返延遲，以避開時鐘同步問題。 往返延遲的測量方法是：入口路由器將測量包打上時戳后，發送到出口路由器。 出口路由器一旦接收到測量包便打上時戳，隨后立即使該數據包原路返回。入口路由 器接收到返回的數據包之后就可以評估路徑的端到端時延。 (3) 丟包率 丟包率的定義是24：丟失的 ip 包與所有的 ip 包的比值。許多因素會導致數據包 在網絡上傳輸時被丟棄，例如數據包的大小以及數據發送時鏈路的擁塞狀況等。 為了評估網絡的丟包率，一般采用直接發送測量包來進行測量。對丟包率進行準 確的評估與預測則需要一定的數學模型。目前評估網絡丟包率的模型主要有貝努利模 型、馬爾可夫模型和隱馬爾可夫模型等等。 (4) 帶寬 帶寬一般分為瓶頸帶寬和可用帶寬。 瓶頸帶寬是指當一條路徑(通路)中沒有其它背 景流量時， 網絡能夠提供的最大的吞吐量。 對瓶頸帶寬的測量一般采用包對(packet pair) 技術，另外，還有包列等其它測量技術。 可用帶寬25是指在網絡路徑(通路)存在背景流量的情況下， 能夠提供給某個業務的 12 最大吞吐量。因為背景流量的出現與否及其占用的帶寬都是隨機的，所以可用帶寬的 測量比較困難。一般采用根據單向延遲變化情況可用帶寬進行逼近。 瓶頸帶寬反映了路徑的靜態特征，而可用帶寬真正反映了在某一段時間內鏈路的 實際通信能力，所以可用帶寬的測量具有更重要的意義。 (5) 流量參數 itu-t 提出兩種流量參數26作為參考：一種是以一段時間間隔內在測量點上觀測 到的所有傳輸成功的 ip 包數量除以時間間隔， 即包吞吐量； 另一種是基于字節吞吐量， 用傳輸成功的 ip 包總字節數除以時間間隔。 高速網絡技術的發展使得對巨大的網絡流量進行直接測量幾乎不可能，同時，大 量的流量日志也使流量分析變得相當困難。為了解決這一問題，近幾年，流量抽樣測 量研究已成為高速網絡流量測量的研究重點。 2.3.3 網絡性能測試方法 (1) 主動測量和被動測量 主動測量27就是通過向網絡、服務器或應用發送測試流量，以獲取與這些對象相 關的性能指標。其主要優點是不依賴于被測對象的測量能力，且對硬件要求不高；但 另一方面，這種測量方式會給網絡增加額外的通信流量，在一定程度上也可能影響測 量的結果。 被動測量是通過監測網絡通信狀況(例如服務器的性能、資源使用，用戶端的業務 性能，以及網絡傳輸狀態等)進行的，不會影響網絡的正常運行，但它必須依賴測量鏈 路上的通信流量或被測節點的負載情況，且對硬件性能的要求高。 因此,在很多情況下，網絡性能測量是采用主、被動混合的測量方式，即主動測量 和被動測量都是結合著進行的。 (2) 單點測量和多點測量 從測量點的數量來分，網絡性能測量可分為單點測量和多點測量28。單點非合作 測量具有相當強的網絡探測能力，在研究初期，許多工作都采用單點測量。但由于單 點測量能力有限，搜集的信息不全面，分布式多點測量應運而生，尤其是多點主動測 量，利用多個探測點得到的數據，能夠綜合出大規模的網絡數據和單點所得不到的交 13 叉路由信息。 (3) 網絡層測量與應用層測量 應用層測量可以使我們對整個應用的性能有一個清楚的認識，也能提供客戶機和 服務器之間、網絡鏈路之間的性能參數，但它很難從低層測量數據中綜合分析得到測 量結果。應用層測量常用于對不同提供商提供的業務進行性能比較，對于基于網絡平 臺的各種業務，其應用層性能的測量正變得越來越重要。隨著通信過濾技術的使用日 益廣泛， 對 internet 服務提供者(isp)提供的骨干網一般采用網絡層測量，以評估其提供 的網絡鏈路或路由器、服務器等網絡節點的性能29。 (4) 采樣技術 在網絡上監測數據包，其目標是通過測量實時監測通信狀況，不因任何原因錯過 任何數據包。但隨著通信速率的日益提高，這個目標變得越來越難以實現。因此，必 須對數據包進行采樣。常用的采樣方法是周期性采樣，它遵循“采樣頻率必須大于所 采樣信號最高頻率的兩倍”的定理30。但這種方法可能受同步效應的影響，即當被測 量的指標的變化規律與采樣頻率同步時，采樣數據只能部分反映真實的測量數據。當 采取主動測量時，測量發出的測試流量對網絡產生的影響，使網絡進入一種周期性變 化狀態時，這時也可能發生同步效應。因此,常采用隨機附加采樣的解決算法。 隨著網絡技術的日益發展、網絡業務的日益更新，基于特定應用的性能測量與分 析，更成為今后網絡性能研究的重要內容。而隨著網絡性能相關理論、測量方法、分 析模型研究的逐漸深入、各種測量工具的不斷出現，以及大型測量項目的不斷開展， 也會不斷地推動網絡技術向前發展。網絡性能的評估是一項復雜的工作，還有許多關 鍵技術值得研究。 2.4 socket 通信介紹 tcp/ip 是計算機互連最常使用的網絡通訊協議，tcp/ip 的核心部分由網絡操作系 統的內核實現，應用程序通過編程接口來訪問 tcp/ip。套接字(socket)是介于網絡應用 層和傳輸層之間的編程接口，套接字接口提供了訪問下層通信協議的大量系統調用和 相應的數據結構。在 linux 中，套接字接口是應用程序訪問下層的網絡協議的惟一方 法。具體講：套接字在用戶級實現了兩個應用程序之間的網絡連接和數據交換，所以 14 linux 中的套接字意味著網絡上的連接。 socket 分為以下三種類型31: (1) 流式套接字(stream socket)。流式套接字是最常用的套接字類型，文件傳送協 議(ftp)即使用流式套接字。 它提供一個面向連接、 可靠的數據傳輸服務， 數據無差錯、 無重復地發送，且按發送順序接收。內設流量控制，避免數流超限；數據被看作是字 節流，無長度限制。 (2) 數據報套接字(datagram socket)。tcp/ip 協議族中的 udp 協議使用此類接口， 它是無連接的服務，數據通過相互獨立的報文進行傳輸，提供一個無連接服務。數據 包以獨立包形式被發送，不提供無錯保證，數據可能丟失或重復，并且接收順序混亂。 (3) 原始套接字(raw socket)。原始套接字接口允許對較低層協議，如 ip、icmp 直接訪問。常用于檢驗新的協議實現或訪問。 2.5 小結 本章首先給出了系統總體網絡結構圖并作詳細介紹，分析了網絡性能測量系統的 軟件設計思路。接著引入網絡性能測量的概念，介紹了網絡性能指標的測量和網絡性 能的測試方法。最后介紹了作為軟件實現的關鍵技術，即 socket 套接字。 15 3 嵌入式軟硬件平臺選型 3.1 硬件平臺選型 3.1.1 選擇 samsung s3c4510b 的理由 作為系統的核心，嵌入式處理器的選擇對一個系統性能的優劣有著重大影響。對 于嵌入式處理器的選擇，通常需要考慮如下兩個方面： (1) 從系統功能實現的角度和開發條件的角度進行考慮：芯片的結構(內部是否有 mmu)、系統時鐘的速度、片內存儲器、外部擴展總線、dma 控制器、uart 數量、 網絡控制器以及芯片調試是否方便等因素。同時還要兼顧到該處理器軟件應用的難易 程度。如果某款嵌入式處理器已被一種或多種優秀的嵌入式操作系統支持，將大大降 低系統軟件設計的難度和工作量， 這對成本極度敏感的嵌入式系統應用是非常有利的。 (2) 從嵌入式產品的某些特殊性以及實際應用時的情況考慮。在無線光通信系統 中，作為一種中間處理設備對網絡性能進行監測，對性能及功能要求不高。首先需要 價格低廉，和安裝方便。因此必須對嵌入式芯片的價格和體積進行較嚴格的控制。 通過前面的系統分析已經知道，在系統中，主要需要提供的是以太網接入能力， 因此首先需要選擇的是一款支持網絡的嵌入式處理器，同時本系統并不要求實現傳輸 實時視頻流等復雜功能，因此也不要求處理器的工作頻率很高。綜合以上原則及分析 以及實驗室現有條件，在系統中選用的是優龍公司生產的基于 arm7tdmi 內核的 samsung s3c4510b 芯片的 fs4510b 嵌入式開發板。 3.1.2 samsung s3c4510b 的優點 相對于其它的網絡控制芯片，如：摩托羅拉公司 powerpc 系列中的 mpc850 / 860 (t)，coldfire 系列中的 mcf5272 等等。s3c4510b 有以下優點： (1) s3c4510b 的工作頻率為 50mhz，使用高性能的簡化指令集 risc，提供 0.9mips/mhz 的三級流水線以提高處理器指令的流動速度。 此外， arm 獨有的 thumb 壓縮指令集，可大大提高代碼密度，節省存儲空間。arm 的研究表明，典型 thumb 代碼的尺寸僅為同等 arm 代碼的 65%， 但在對存儲帶寬有所限制的應用中可將性能 16 提升至其 160% 。因此，在性能上 s3c4510b 也具有一定的優勢。 (2) s3c4510b 內置 10m/100m 以太網控制器，只需再添加物理層接口芯片即可。 (3) 在開發工具方面，由于 arm 內核提供了高性價比且基于 jtag 的調試解決方 案，并且國內有為數眾多的公司生產 arm 內核的芯片及其仿真器，價格便宜，如果 采用簡單 jtag 接口調試，則只需配置一個幾十元的簡單 jtag 口即可進行調試，如 果連這個 jtag 接口也自制(制作非常簡單)，那成本將非常的低廉。而其余很多芯片 的調試器或仿真器價格動輒上千元。 (4) 在設計資源方面，全球己經有將近 200 多個半導體公司購買了 arm 核，生產 自己的 arm 處理器，這種規模是任何一家公司都無法相比的，包括摩托羅拉。因此， 采用 s3c4510b 芯片將會擁有后面兩者無法相比的眾多的開發資源和強大的技術支 持。借助于來自第三方開發者的廣泛支持，設計者可以使用豐富的標準開發工具和 arm 優化的應用軟件。 (5) arm 體系結構目前被公認為是業界領先的 32 位嵌入式 risc 微處理器結構。 所有 arm 處理器共享這一體系結構， 因而確保了開發者轉向更高性能的 arm 處理器 時，在軟件開發上可以得到最大的回報。 3.1.3 samsung s3c4510b 概述 在進行系統設計之前， 有必要對 arm 芯片 s3c4510b 及其工作原理進行比較詳細 的了解，只有對該微處理器的工作原理有了較詳細的了解，才能進行特定應用系統的 設計。 samsung 公司的 s3c4510b 是基于以太網應用系統的高性價比 16/32 位 risc 微控 制器， 內含一個由 arm 公司設計的 16/32 位 arm7tdmi risc 處理器核， amr7tdmi 為低功耗、高性能的 16/32 位核，最適合用于對價格及功耗敏感的應用場合。 除了 arm7tdmi 核以外，s3c4510b 比較重要的片內外圍功能模塊包括32：2 個 帶緩沖描述符(buffer descriptor)的 hdlc 通道，2 個 uart 通道，2 個 gdma 通道，2 個 32 位定時器，18 個可編程的 i/o 口。片內的邏輯控制電路包括：中斷控制器， dram/sdram 控制器，rom/sram 和 flash 控制器，系統管理器，一個內部 32 位系統總線仲裁器，一個外部存儲器控制器。 17 s3c4510b 結構框圖如圖 3.1 所示。 圖 3.1 s3c4510b 結構框圖 3.2 軟件平臺選型 3.2.1 常見的嵌入式操作系統 對于面向通信、網絡、信息處理等領域的產品，人們要求其實現的功能復雜、可 靠性高，于是對微處理芯片和軟件的應用都提出了更高的要求33。軟件開發方面，現 arm7tdmi 32 位 risc cpu ice 斷點 cpu 接口 8-kbyte 一體化 cache 4-word 寫緩沖 總線路由器 i2c 18 個通用 i/o 口 中斷控制器 uart 0.1 32 位定時器 0.1 gdma 0.1 pll 帶刷新 控制的 存儲器控制器 系統總線 仲裁器 2 通道 hdlc 帶 dma 以太網控制器 2 通道 bdma bdma ram 發送緩沖(256 字節) 接收緩沖(256 字節) cam mac tx fifo (80 字節) rx fifo (16 字節) 用于 jtag 的 tap 控制器 6 組 rom sdram flash 4 組 dram 4 組 外部 i/o 設備 外部總線 控制器 遠程端口 a、b 控制臺 mii 或 7 線 晶振 scl sda 外部總線 請求/應答 32 位系統總線 18 代信息社會的高效性、協同性客觀上要求軟件的編寫便于多人分工合作、編寫的軟件 具有可重用性。軟件則日趨復雜。所有這些迫切需要有一個屏蔽底層硬件的、功能強 大的操作系統來支持。嵌入式操作系統的出現，為人們解決復雜的應用提供了可靠的 保障。嵌入式操作系統一般是基于多任務，實時性的工作模式343536，可以用于解決 復雜的多任務處理工作。 嵌入式操作系統的種類很多，根據是否需要付費，可分為商業操作系統和免費操 作系統。20 世紀 80 年代，商業化的嵌入式操作系統開始得到蓬勃發展。目前國內外己 有幾十種商業操作系統可供選擇，如 vxworks、psos、 palm os、 nucleus、qnx 、 lynxos 、windows ce 和 hopen os 等，具體如表 3.1 所示。 表 3.1 常見的商業嵌入式操作系統 操作系統 特 點 應用領域 vxworks 良好的可靠性和卓越的實時性，提供搶占和 輪轉調度機制的多任務機制 廣泛地應用在通信、軍事、航空航天 等實時性要求極高的領域中。 psos 高性能、模塊化、多任務的實時操作系統 消費電子、工控、網絡設備、航空、 汽車、交通、醫療設備等 palm os 提供開放的操作系統應用程序接口(api) 在 pda 市場占有很大的市場份額 nucleus 搶先式多任務實時操作系統，其 95%的代碼 是用 ansi c 寫成，便于移植 消費電子、網絡設備、無線、導航、 辦公設備控制、醫療設備等 qnx 分布式、優先級搶占方式、可擴展的實時操 作系統，內核非常小巧，運行速度極快 非常適用于對實時性要求較高的場 合，用于消費電子、電信、汽車領域 lynxos 分布式、嵌入式、可擴展的實時操作系統， 支持線程概念，提供 256 個線程優先級 多用于電信，航空，防御系統等領域 windows ce 多線程，完整優先權，多任務的操作系統， 提供全面的多媒體和 web 瀏覽體驗 實時性能較差，在工業控制系統中應 用較少，多用于消費電子 hopen os 我國具有自主知識產權的實時多任務操作系 統，提供一個微內核及可定制的系統模塊。 廣泛應用于機頂盒、掌上電腦、數字 電視、通信、汽車電子、家電等領域 這些專用操作系統均屬于商業化產品，價格昂貴；而且，由于它們各自的源代碼 不公開或僅部分公開，使得每個系統上的應用軟件開發問題重重；并且，由于這種封 閉性還導致了商業嵌入式系統在對各種設備的支持方面存在很大的問題，使得對它們 19 的軟件移植變得很困難。鑒于此，在系統的設計中沒有選擇這類操作系統。 3.2.2 選擇 uclinux 的理由 uclinux 是嵌入式 linux 的一個分支，是針對微控制領域而設計的 linux 系統。最 初的 uclinux 僅僅支持 p