Ad Hoc網(wǎng)絡性能測試關(guān)鍵技術(shù)研究

本文首先介紹了Ad Hoc網(wǎng)絡及其相關(guān)協(xié)議的主要特點，根據(jù)網(wǎng)絡特性提出了性能測試的體系結(jié)構(gòu)。圍繞體系結(jié)構(gòu)中的不同測試內(nèi)容，提出相關(guān)的測試方法，并詳細討論了網(wǎng)絡性能的評估手段和測試環(huán)境的設計。

隨著現(xiàn)代通信技術(shù)的進步，人們對移動通信需求的不斷增加，移動通信系統(tǒng)，如個人筆記本計算機，掌上型PDA設備等得到了迅速普及。但目前多數(shù)的移動通信系統(tǒng)是集中式控制的(有中心的)，網(wǎng)絡的運行要基于預先架設好的網(wǎng)絡設施。這兩個特點使得有中心的移動通信系統(tǒng)對有些特殊場合來說并不適用。例如，戰(zhàn)場上部隊快速展開和推進、發(fā)生地震或水災后的營救。這些場合的通信不能依賴于任何預先架設的網(wǎng)絡設施。此時，需要系統(tǒng)能實現(xiàn)臨時快速自動組網(wǎng)，結(jié)點要能移動。

Ad hoc網(wǎng)絡是一種有特殊用途的對等式網(wǎng)絡。它使用無線通信技術(shù)，網(wǎng)絡中的結(jié)點互相作為其鄰居(在其直接通信范圍內(nèi)的結(jié)點)的路由器，通過結(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)實現(xiàn)結(jié)點間的通信。它又被稱為多跳網(wǎng)絡(multi-hop network)、無固定網(wǎng)絡設施的網(wǎng)絡(infrastructure less network)或自組織網(wǎng)絡(self-organized network)[1]。

由于Ad

12 ALT="圖1：網(wǎng)絡接入時延的測試方法。"> hoc網(wǎng)絡工作在分布式移動環(huán)境中，并且網(wǎng)絡帶寬非常有限，所以要盡量減少通信對端的交互信息數(shù)量。多跳特性是Ad hoc網(wǎng)絡的另一個顯著標志。由于結(jié)點的無線通信距離有限，Ad hoc網(wǎng)絡中的結(jié)點不一定都在其它所有結(jié)點的直接通信范圍之內(nèi)，而且受電磁干擾，地形干擾或天氣影響，結(jié)點的通信距離也會有所改變。所以當結(jié)點并非直接可達時，需要中間結(jié)點的轉(zhuǎn)發(fā)才能實現(xiàn)通信。也就是說從源結(jié)點到目的結(jié)點是多跳(multi-hop)連接的。

傳統(tǒng)的基于有線網(wǎng)絡的共享廣播信道接入技術(shù)(ALOHA、CSMA系列)只能在共享的信道上使用。而Ad hoc網(wǎng)絡具有多跳性，不是共享網(wǎng)絡。所以Ad hoc網(wǎng)絡的信道接入?yún)f(xié)議要充分考慮多跳帶來的隱終端、暴露終端和公平性等問題[2,3]。Ad hoc網(wǎng)絡中結(jié)點是移動的。結(jié)點的移動性造成網(wǎng)絡的拓撲結(jié)構(gòu)不斷變化，這對接入?yún)f(xié)議和路由協(xié)議都提出了新的要求。首先接入?yún)f(xié)議要能夠感知到結(jié)點移動造成的鏈路通斷，并把這些信息報告給路由協(xié)議。路由協(xié)議要根據(jù)鏈路狀態(tài)的變化修改自己的路由表。傳統(tǒng)的基于固定網(wǎng)絡的路由協(xié)議顯然不能直接用于拓撲變化頻繁的 Ad hoc網(wǎng)絡。所以Ad hoc網(wǎng)絡路由協(xié)議成了研究的焦點。Ad hoc網(wǎng)絡中，結(jié)點的移動性也會影響網(wǎng)絡的性能[4]，這需要相應的機制來解決。

由于影響Ad Hoc性能的因素很多，并且錯綜復雜，僅僅考慮有限的測試指標并不能夠反映網(wǎng)絡的真實性能, 所以Ad Hoc網(wǎng)絡性能測試系統(tǒng)需要對網(wǎng)絡進行全面的分析與理解，根據(jù)網(wǎng)絡特性確定測試內(nèi)容，有針對性地選擇測試方法，進而構(gòu)建與具體網(wǎng)絡應用相適應的網(wǎng)絡測試環(huán)境。

網(wǎng)絡性能測試體系結(jié)構(gòu)

Ad Hoc網(wǎng)絡協(xié)議主要包括網(wǎng)絡接入層協(xié)議(MAC)和路由協(xié)議。不同層次的協(xié)議由于所完成的功能不同，所以具有不同的測試指針。在網(wǎng)絡測試中，要合理評價網(wǎng)絡性能必須充分考慮不同層次的協(xié)議在性能上的差別。同時，對于不同的網(wǎng)絡應用來說，各個層次協(xié)議性能對網(wǎng)絡整體性能的影響也不盡相同。

Ad Hoc網(wǎng)絡性能測試按照網(wǎng)絡功能層次進行區(qū)分，主要分為以下三個方面的內(nèi)容：通信終端物理性能測試，接入層協(xié)議測試和路由協(xié)議測試。

1. 通信終端物理性能測試

通信終端種類很多，包括數(shù)字電臺、PDA、移動筆記本電腦等等。不同的無線終端由于硬件配置不同，其物理性能也不盡相同。物理性能測試內(nèi)容主要包括：

12 ALT="圖2：路由重建時間的計算方法。">

* 數(shù)據(jù)發(fā)送速率：即終端設備可支持的最大傳輸帶寬，對于多信道系統(tǒng)而言，還需要測試最大可用帶寬。

* 傳播距離：即設備的通信范圍，主要與終端的發(fā)送功率，接收門限(信噪比)有關(guān)。多跳網(wǎng)絡中，傳播距離會對網(wǎng)絡的拓撲關(guān)系產(chǎn)生重大的影響，也是MAC層協(xié)議設計通常需要考慮的問題[2][3]，也是影響網(wǎng)絡吞吐量的因素之一。

* 差錯控制能力：無線信道通常是不可靠信道，所以需要相應的差錯控制能力，保證在一定的信道誤碼率下，可以完成正常數(shù)據(jù)通信。

2. 網(wǎng)絡接入層性能測試

網(wǎng)絡接入層(MAC)解決了隱終端和暴露終端的問題[2][3]。MAC層協(xié)議的性能會直接影響網(wǎng)絡的整體性能。MAC層協(xié)議是Ad Hoc網(wǎng)絡組網(wǎng)協(xié)議的基礎，也是網(wǎng)絡結(jié)點通信的第一步，只有高效、公平、有序地組織網(wǎng)絡中的所有通信結(jié)點的鏈路層通信能力，才能保證上層網(wǎng)絡互聯(lián)協(xié)議(路由協(xié)議)的正常運行。網(wǎng)絡接入層性能測試內(nèi)容主要有：

* 接入時延：結(jié)點從有數(shù)據(jù)需要發(fā)送到數(shù)據(jù)的實際發(fā)送的時間間隔。是反映單個結(jié)點接入效率的重要參數(shù)，但是不能反映網(wǎng)絡整體性能。

* 網(wǎng)絡吞吐量：接入?yún)f(xié)議的性能還體現(xiàn)在網(wǎng)絡吞吐量上，由于無線網(wǎng)絡數(shù)據(jù)幀的碰撞會導致所有的發(fā)送方都要退避一段時間，然后重新發(fā)送數(shù)據(jù)，這就必然對系統(tǒng)的吞吐量產(chǎn)生影響。

* 優(yōu)先級：網(wǎng)絡中的結(jié)點按照優(yōu)先級排序，優(yōu)先級高的結(jié)點比優(yōu)先級低的結(jié)點有更低的平均接入時延，這一點在同時承載數(shù)據(jù)業(yè)務和話音業(yè)務的網(wǎng)絡中顯得尤為重要。

* 公平性：優(yōu)先級然保證了優(yōu)先級高的結(jié)點有更低的接入時延，但是網(wǎng)絡接入?yún)f(xié)議還必須同時保證優(yōu)先級低的結(jié)點不會“餓死”，同等優(yōu)先級的結(jié)點還要有相同或接近的接入時延參數(shù)。

3. 路由協(xié)議性能測試

路由協(xié)議的任務是維護網(wǎng)絡拓撲，為結(jié)點之間的通信提供及時準確的路由信息，保證報文按照協(xié)議所提供的路徑正確到達目的結(jié)點。針對現(xiàn)有Ad Hoc網(wǎng)絡路由協(xié)議的特點，性能測試主要包括以下幾個方面：

* 端到端時延與吞吐量：路由協(xié)議所處理的是源結(jié)點到目的結(jié)點之間的路徑選擇信息，所以源結(jié)點到目的結(jié)點之間(端到端)的行為最直接的測試內(nèi)容就是時延和吞吐量。但是，這兩個參數(shù)都與MAC層協(xié)議的效率直接相關(guān)。

* 路由發(fā)現(xiàn)時間(也稱為路由重建時間)：直接說明了路由算法的效率，即從無法根據(jù)路由表得到路由到得到可用路由的時間。需要注意的是，這個測試參數(shù)適用于需求驅(qū)動路由算法(反應式)[1][5]和具有事件觸發(fā)更新功能的路由表驅(qū)動型路由算法(先應式)[1][6]。

* 路由表收斂時間：對于路由表驅(qū)動型路由算法而言，路由協(xié)議在運行期間，路由表從初始狀態(tài)到路由表穩(wěn)定狀態(tài)通常會有一個自動更新的過程，這個時間通常稱為路由表收斂時間。

* 路由協(xié)議的效率：任何路由協(xié)議在運行過程中，都要有一定的路由協(xié)議開銷，用于在結(jié)點之間維護網(wǎng)絡的拓撲信息。對于無線網(wǎng)絡而言，網(wǎng)絡帶寬非常有限，協(xié)議開銷直接影響網(wǎng)絡帶寬的利用率，進而影響網(wǎng)絡的擴展性。所以路由協(xié)議的效率也是我們重點考慮的測試參數(shù)之一。

性能測試的基本方法

Ad Hoc網(wǎng)絡的性能測試的主要內(nèi)容已經(jīng)在第二節(jié)中進行了闡述，由于物理層的測試內(nèi)容只涉及到點對點之間的通信。而且，無線終端設備廠商一般會事先提供相應的物理層參數(shù)，所以下面討論的性能測試方法只與網(wǎng)絡接入層和路由協(xié)議有關(guān)。

1. 接入層協(xié)議性能測試方法

(a) 接入時延測試

12 ALT="表1：給網(wǎng)絡不同的性能測試內(nèi)容賦予不同的加權(quán)值可以更加客觀地反映網(wǎng)絡的性能。">

結(jié)點對所有到達發(fā)送緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)包用時間戳進行標記，在該數(shù)據(jù)可以發(fā)送后，即滿足下列條件，收到CTS數(shù)據(jù)幀并且是緩沖區(qū)最先要發(fā)送的報文，再記錄下數(shù)據(jù)可以成功發(fā)送的時間。這個時間與時間戳記錄的時間相減即接入時延，在系統(tǒng)測試時，通常計算結(jié)點所有數(shù)據(jù)包的平均時延。接入時延測試如圖1所示：

(b) 優(yōu)先級測試

網(wǎng)絡中的優(yōu)先級可以分為結(jié)點優(yōu)先級和報文優(yōu)先級。在統(tǒng)計意義下，優(yōu)先級的測試要依賴于平均接入時延的計算。如果是對網(wǎng)絡結(jié)點按照優(yōu)先級進行區(qū)分，性能測試就計算不同結(jié)點的平均接入時延。如果網(wǎng)絡只支持報文優(yōu)先級，就要對不同類型的報文進行區(qū)分，分別計算平均接入時延。對于同時支持結(jié)點優(yōu)先級和報文優(yōu)先級的網(wǎng)絡，測試要更加復雜。

(c) 公平性測試

公平性測試的依據(jù)主要是平均網(wǎng)絡接入時延，優(yōu)先級高的結(jié)點比優(yōu)先級低的結(jié)點具有更小的平均接入時延。同時，不同優(yōu)先級結(jié)點之間的時延差距要相對明顯。例如，最高優(yōu)先級結(jié)點與最低優(yōu)先級結(jié)點之間的時延差距不到5%，就說明MAC層的網(wǎng)絡優(yōu)先級機制是失敗的。

2. 路由協(xié)議性能測試方法

路由協(xié)議所有的性能測試參數(shù)都需要在多跳網(wǎng)絡中實際測量得到，要根據(jù)Ad Hoc網(wǎng)絡的特點合理運用路由協(xié)議的性能測試方法。需要特別指出的是，網(wǎng)絡的覆蓋范圍，網(wǎng)絡結(jié)點的移動性等對網(wǎng)絡路由協(xié)議的參數(shù)會產(chǎn)生較為明顯的影響 [4]，上述問題將在第4節(jié)進行討論。Ad Hoc網(wǎng)絡的路由協(xié)議主要有如下幾方面的特征[8]：

*分布式特征：該特征是Ad Hoc網(wǎng)絡最突出的特征。

*無環(huán)路：路由協(xié)議的重要約束條件之一，可以簡單地采用TTL(生存時間)來對“兜圈子”的報文進行控制，但是考慮協(xié)議的效率通常采用更好的辦法。

*需求驅(qū)動(反應式)：路由協(xié)議并不主動維護路由表，當發(fā)現(xiàn)無法得到目的結(jié)點路由后，需求驅(qū)動路由協(xié)議發(fā)送路由請求信息。

*路由表驅(qū)動(先應式)：路由協(xié)議主動維護網(wǎng)絡中的拓撲，定時更新路由表，有的協(xié)議還有更新觸發(fā)功能，可以更快地發(fā)現(xiàn)新的可用路由。

*安全問題：安全性是Ad hoc網(wǎng)絡面臨的另一個大難題。Ad hoc網(wǎng)絡使用無線通信技術(shù)，容易被監(jiān)聽和干擾。加上Ad hoc網(wǎng)絡一般被使用在特殊場合(軍事、救災等)，安全問題更加突出。在無線鏈路安全性非常脆弱的情況下，路由協(xié)議的安全性對于網(wǎng)絡尤為重要。

*休眠期：電源能量對于基于移動網(wǎng)絡的終端非常重要，路由協(xié)議需要支持設備的休眠功能，不要在休眠期仍然進行路由信息的交互。

*非對稱鏈路支持：無線網(wǎng)絡的非對稱性必然會導致非對稱性路由，路由協(xié)議必須能夠在源結(jié)點和目的結(jié)點之間建立非對稱路由，這樣就增加了協(xié)議的復雜性。

根據(jù)路由協(xié)議的特點，提出路由協(xié)議性能測試方法。

(a) 路由協(xié)議端到端時延

測量主機之間時鐘同步是端到端測量重要的技術(shù)基礎。利用GPS、PSTN、CDMA等網(wǎng)絡的外部時鐘源來實現(xiàn)測量主機間同步。雖然精度高，但費用昂貴且在測量主機數(shù)量很大時難于實現(xiàn)。一般端到端時延測量可以通過RTT(Round Trip Time)獲得，但是由于無線鏈路廣泛存在著鏈路非對稱的情況，所以需要測量端到端的單向時延。[10][11][12]對單向時延的測量提出了基于某種最優(yōu)化目標來確定測量參數(shù)的方法。根據(jù)不同的要求，提出相應的優(yōu)化目標，利用線性規(guī)劃模型進行求解，最終到達提高單向時延參數(shù)精度的目的。

(b) 路由發(fā)現(xiàn)時間

12 ALT="圖3：“直線型”結(jié)點分布。">

當路由協(xié)議發(fā)現(xiàn)當前維護的路由條目失效或無法為目的結(jié)點提供可用路由時，會主動發(fā)出路由請求，網(wǎng)絡中的鄰居結(jié)點會根據(jù)路由請求的內(nèi)容或者轉(zhuǎn)發(fā)路由請求，或者向源結(jié)點報告可用路由，或者什么都不做[1][7]。從發(fā)送路由請求到得到可用路由的時間就是路由重建時間，如圖2所示。

(c) 路由協(xié)議的效率

網(wǎng)絡中路由信息占信息傳輸總量的百分比。對于路由協(xié)議的效率參數(shù)，可以利用外部測量的方法，即在網(wǎng)絡中加入監(jiān)聽結(jié)點并分析數(shù)據(jù)內(nèi)容的方法來計算路由協(xié)議效率。但是這種方法的開銷較大，如果對協(xié)議本身進行修改，本地計算可以大大減少網(wǎng)絡開銷。在路由協(xié)議中，在路由維護信息送到發(fā)送緩沖區(qū)之前進行修改：

#IFDEF CACULATE_EFFECIECY

int num_of_routing_message++

#ENDIF

這樣利用下面的公式：

12 ALT="">

可以得到路由協(xié)議的效率參數(shù)。

網(wǎng)絡綜合性能評估

網(wǎng)絡綜合性能評估必須充分考慮不同網(wǎng)絡環(huán)境對網(wǎng)絡性能的影響，結(jié)合網(wǎng)絡應用背景對網(wǎng)絡性能進行綜合評估。

網(wǎng)絡環(huán)境對網(wǎng)絡性能的影響主要有以下幾個方面：

(a) 網(wǎng)絡覆蓋范圍：結(jié)點的數(shù)目和分布率(通常結(jié)點較多的情況下)決定了網(wǎng)絡覆蓋范圍，

(b) 網(wǎng)絡連通性：通常是網(wǎng)絡結(jié)點的平均鄰居數(shù)目，在圖論的意義下，也就是網(wǎng)絡結(jié)點的“度”[13]。

(c) 拓撲變化頻率：表征了網(wǎng)絡拓撲變化速率。

(d) 鏈路容量：有效的鏈路帶寬，即可利用的鏈路帶寬，標稱帶寬與可用帶寬的差別主要由于接入?yún)f(xié)議，編碼和數(shù)據(jù)幀封裝時導致的錯誤。

(e) 非對稱鏈路：網(wǎng)絡中非對稱鏈路數(shù)量會對網(wǎng)絡性能產(chǎn)生影響。同時，不同的路由協(xié)議在非對稱鏈路網(wǎng)絡中的工作效率也是不同的。

(f) 網(wǎng)絡流量模型：路由協(xié)議在平衡流量網(wǎng)絡或突發(fā)性網(wǎng)絡中的表現(xiàn)是不同的。

(g) 移動性：結(jié)點的移動特性對網(wǎng)絡的性能也會產(chǎn)生影響，例如在軍事上，通信結(jié)點一般都以集群的方式向某一方向或地域運動，所以同一集群各個結(jié)點之間移動的相關(guān)性較強，而不同集群之間的移動相關(guān)性則不是十分明顯。這一點對路由協(xié)議性能產(chǎn)生重要影響。

(h) 休眠結(jié)點數(shù)量：網(wǎng)絡中休眠結(jié)點數(shù)量多可以延長終端的待機時間，同時可以有效地減小網(wǎng)絡中路由協(xié)議的開銷。協(xié)議對休眠結(jié)點的處理方法以及效率也是影響網(wǎng)絡性能的因素之一。

在特定的網(wǎng)絡應用環(huán)境中，可能會具有上述某些重要特征，不同的網(wǎng)絡應用會對不同層次的協(xié)議有不同的性能要求。對同一層次的協(xié)議，不同的應用也會對各個網(wǎng)絡性能參數(shù)有不同的要求。例如：協(xié)議A在大規(guī)模網(wǎng)絡中性能非常好，協(xié)議B在小規(guī)模網(wǎng)絡中性能優(yōu)于A，如果應用場合是一個小規(guī)模網(wǎng)絡，應該優(yōu)先選擇B協(xié)議。實際測量中的情況不是這個簡單，需要多方面的性能綜合考慮，可以根據(jù)應用特點的不同，給網(wǎng)絡不同的性能測試內(nèi)容賦予不同的加權(quán)值，這樣可以更加客觀地反映網(wǎng)絡的性能，如表1所示。

其中，

12 ALT="">

所以加權(quán)值是歸一化參數(shù)。

如果各個參數(shù)之間具有相關(guān)性，如移動性和連通性之間相互影響，簡單地用加權(quán)值并不能科學地反映網(wǎng)絡性能差別，利用層次分析法[9]，可以更加準確地對不同網(wǎng)絡的性能進行評估。

網(wǎng)絡測試環(huán)境設計

1. 結(jié)點分布范圍與移動特性

分布范圍一般有三種模式：

(a) 均勻分布(隨機分布)

所有結(jié)點的地理位置是完全隨機的。在給定范圍內(nèi)，如30km*30km或50km*50km，結(jié)點可以在任何位置請求與其它結(jié)點進行通信，同時網(wǎng)絡結(jié)點以隨機的方式移動。

(b) 直線型分布

12 ALT="圖4：“星型”分布。">

直線型分布也是一種非常常用的結(jié)點分布形式，如車隊在高速公路行進中的情況就符合這種分布特征。實現(xiàn)的這種分布式特征的方法是，讓結(jié)點在一個狹長區(qū)域隨機移動。用這種方式下，結(jié)點之間的通信主要依靠直線拓撲結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡，如圖3所示。。

(c) 星型分布

在許多分區(qū)結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡中，成員結(jié)點與群首通信組成了本地網(wǎng)絡，也稱為“群”或“簇”。這樣的網(wǎng)絡，結(jié)點分布是一種星形分布。如圖4所示：

分群網(wǎng)絡中，可以構(gòu)造多個星型分布的子網(wǎng)，這樣可以測試網(wǎng)絡在分群網(wǎng)絡的性能。

2. 網(wǎng)絡結(jié)點的流量

網(wǎng)絡結(jié)點的流量也會對網(wǎng)絡性能產(chǎn)生影響。在測試平臺中，針對不同的應用環(huán)境，應該配置不同的結(jié)點數(shù)據(jù)流量規(guī)則，以合理地對網(wǎng)絡性能進行測試。

(a) 均衡流量

這種方式下，各個結(jié)點流量均相同，從應用層看，就是各個結(jié)點的業(yè)務類型相同或相近，需要提供相同的數(shù)據(jù)傳輸業(yè)務保障能力。

(b) 非均衡流量

在某些應用場合，如軍事應用中，各個結(jié)點之間所承擔的任務不同，結(jié)點的數(shù)據(jù)業(yè)務需求也不相同。例如，指揮官所在的網(wǎng)絡結(jié)點可能需要大容量的實時數(shù)據(jù)業(yè)務，而單兵使用的通信結(jié)點可能數(shù)據(jù)量較小。對應于分群網(wǎng)絡，群首結(jié)點的數(shù)據(jù)通信需求要遠大于成員結(jié)點。

本文小結(jié)

由于網(wǎng)絡的分布性，結(jié)點移動的不確定性和無線鏈路的不可靠性，Ad Hoc網(wǎng)絡性能測試成為目前無線網(wǎng)絡技術(shù)中的難點之一，本文討論了Ad Hoc網(wǎng)絡測試的體系結(jié)構(gòu)。同時認為由于Ad Hoc網(wǎng)絡的具體應用場合不同，要根據(jù)網(wǎng)絡特點對相關(guān)內(nèi)容進行測試，同時要對測試內(nèi)容綜合評估。網(wǎng)絡測試環(huán)境對網(wǎng)絡性能有重要影響，所以要針對具體的網(wǎng)絡應用背景選擇網(wǎng)絡環(huán)境進行性能測試。只有各個方面的因素綜合考慮，并采用不同的測試環(huán)境和測試手段才能夠準確地評估Ad Hoc網(wǎng)絡的性能。

參考文獻

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