IPTV测试仪网络层测试的设计与实现

以IPTV测试仪的网络层测试功能为研究背景，介绍了IPTV的整体设计框架、网络层测试指标的算法设计，并在此基础上探讨了利用 IP流量发生器测试这些指标的设计方案。分析了方案中先进的主从机模式和高效的流量产生算法及调度算法，给出了测试方案的仿真结果。结果表明，方案思路清晰、稳定可靠。此方案已应用于IPTV测试仪中，效果良好。

　　随着数字媒体娱乐的兴起，IPTV吸引了业界众多眼球[1-3]，成为全球电信业投资重点之一。IPTV业务是伴随着宽带互联网的飞速发展而兴起的一项新兴的互联网增值业务，它利用宽带互联网的基础设施，以家用电视机和电脑作为主要终端，利用网络机顶盒STB(Set-TopBox)，通过互联网协议来传送电视信号，提供包括电视节目在内的多种数字媒体服务。IPTV简单来说就是交互式网络电视[2-5]，它能为用户提供电信级的服务和使用简便的电视式体验。然而，在融合的环境中，使用IPTV这样的应用，服务质量和性能测试显得比以往更加重要。因此，IPTV测试仪应运而生。
　　IPTV测试仪网络层质量测试，主要指传统IP网络层的性能指标，根据ITU-T Y.1540[3]建议，主要为IP丢包率、IP包时延、IP包抖动及其相关参数。IPTV用户最为注重的就是服务质量，而网络的时延、抖动和丢包将导致图像斑点和马赛克、图片模糊和边缘失真、音频中断以及通道更改延迟等，严重影响了服务质量。因此,本文对网络层指标的测试设计与实现的研究具有重要意义[1-8]。

1 测试仪的整体框架

　　IPTV测试仪由软件和硬件两部分组成，而对网络层的测试，主要由硬件部分FPGA模块的IP流量发生器实现，如图1所示。

　　本文研究的IPTV测试仪网络层测试，采用了单MAC主从机测试模式进行主动测试，利用IP流量发生器自发自收IP包，分析相应的时间戳和包数量等参数，由此计算IP包的时延、抖动和丢包率。

2 网络层测试指标算法设计

　　IPTV测试仪网络层的测试指标主要包括丢包率、时延、抖动及其相关参数。

2.1 时延和抖动算法设计

　　在测试中，时延是指测试仪发送测试包与接收测试包的时间的差值。当音频和视频IP包离开发送端时，按照规则的间隔均匀地排列。在通过网络之后，这一均匀的间隔因不同的时延大小而遭到破坏，从而产生抖动。抖动会导致目标终端上音频和视频流的不连贯性。
　　测试时，在发送的IP 包中加上发送时间戳，在接收时提取IP包中的时间戳，同时记录接收时间，接收和发送的时间的差值即统计时延。
　　假设发送IP包的时间戳为SentTimei，接收时间为RecvTimei，i为计算时延值Delayi和抖动值Jitteri的个数。为了使计算更为精确，采用概率的统计平均算法，取前2m(m=0、1…16,可设置)个值计算平均值,作为预估平均值,即为所求的时延值和抖动值。具体算法如下：



2.2 丢包率算法设计

　　丢包对视频播放质量有直接的影响，发生IP数据包丢失可能基于多个原因,如带宽限制、网络拥塞、链路故障以及传输错误。数据包丢失通常代表了一种突发式行为，经常与网络拥塞时段相关联。
　　丢包率是指测试中所丢失数据包数量占所发送数据包的比率，通常在吞吐量范围内测试。假设第j次主测试仪发送IP包的个数为IPSentj，接收回来的包为IPRecvj，则丢包率IPLostj为：



　　为了使计算更为精确，采用概率的统计平均算法，取前2m(m=0、1…16,可设置)个值计算平均值,作为预估平均值，即为所求的丢包率。



　　以上网络层指标的测试，采取主动测试模式，利用IP流量发生器来完成。

3 测试方案设计

3.1主从机测试模式

　　普通测试仪采用的双MAC单机测试模式，只能测试单个网络，测试距离短、范围小。IPTV测试仪网络层测试采用的是单MAC主从机测试模式,可远距离跨网测试，比单机测试模式测试距离更长，范围更广，精确度更高。
　　IPTV测试仪在测试网络层指标时，可作为主机发送IP包，可作为从机转发IP包，也可同时作为主机和从机，同时发送接收和转发IP包。如图2所示。

　　测试仪A和测试仪B测试网络1，测试仪B和测试仪C测试网络2。其中A选择主机状态，发送接收IP包，分析测试指标。C选择从机状态转发B发送的IP包给B。而B则同时作为A的从机和C的主机，负责发送和接收给C的IP包，同时转发回A发送来的IP包。

主从机通信流程图如图3所示。

　　首先主机A发送连接请求消息，从机B回复连接响应消息。收到回复后，主机A发送连接建立完成消息并发送加上发送时间戳的IP包，从机B接收并转发回IP包给主机A。主机A根据返回IP包的数据计算时延抖动和丢包率。

3.2 整体设计

　　测试仪的主从机测试模式以及测试指标参数提取是采用IP流量发生器实现的。其主要由控制模块、同步模块、响应模块、ARP/RARP模块、转发模块、IP流量发生模块、自身IP包处理模块、发送模块、发送调度模块、接收模块、接收调度模块等组成。具体方案设计如图4所示。