Main page Атмосферная оптическая линия передачи данных (АОЛП) Атмосферный канал связи Системы оптической связи Атмосферная связь
Беспроводный канал связи (БОКС) Беспроводные оптические системы связи Атмосферная оптическая линия связи  (АОЛС)
Free Space Optics (FSO) Оптические системы передачи лазерная связь беспроводная связь
  атмосферная связь тестер Ethernet LAN Инфракрасная оптическая связь АОЛС FSO  


Кузнецов С.Н.,директор центра ИТ ООО "Мостком"
Поляков С.Ю., директор ООО "МОСТКОМ"

Методика тестирования каналов связи Ethernet
(Технологии и средства связи N 4. 2005 г .)

  Стремительное развитие коммуникационных возможностей в современном мире не только идет в направлении простого наращивания скорости передачи по уже имеющимся проводным каналам, а также приводит к использованию качественно иного, беспроводного оборудования. В настоящее время имеется целый ряд беспроводных решений, таких как оборудование радиодоступа, радиорелейные станции и атмосферные оптические линии связи. Кроме того, происходит и расширение областей применения хорошо известных протоколов связи. Наверное, наиболее динамично происходит развитие сетей Ethernet , используемых как энтузиастами домашних сетей, так и провайдерами Интернет и операторами связи.

  Несмотря на все более широкое применение сетей Ethernet , к настоящему моменту отсутствует методика тестирования каналов связи данного типа. Такое положение зачастую приводит к сложностям при их сдаче в эксплуатацию. Причина - отсутствие критериев оценки качества канала даже в простейшей конфигурации точка-точка. Особенно остро этот вопрос стоит при строительстве беспроводных соединений, например, на основе атмосферных оптических линий связи.

  Каналы и оборудование Ethernet , как правило, не являются частью линий связи сетей общего пользования, параметры которых жестко сертифицированы. В отношении каналов Ethernet существуют требования двух типов:

•  как к устройствам, обеспечивающим подключение к среде передачи ( AUI ) . В зависимости от типа сетевого интерфейса регламентируется верхняя граница уровня битовой ошибки ( BER ) от 10E-8 (для 10 Base - T ) до 10E-10 (для 1000 Base - TX ) [1];

•  как к участкам сетей передачи данных с коммутацией пакетов. При этом требования предъявляются к задержке прохождения пакетов, вариации указанной задержки, проценту их потерь, уровню битовых ошибок в пакете[2-6]. Следует иметь в виду, что данные требования относятся к сетям передачи IP -пакетов, которые являются одной из разновидностей пакетов, передаваемых в сетях Ethernet .

  Указанные требования не позволяют определить качество канала Ethernet , поскольку требования первого типа регламентируют параметры устройств, составляющих не канал связи в целом, а только его часть, а требования второго типа ориентированы в основном на передачу речевого трафика, то есть только на один вид приложений.

  В то же время для цифровых потоков плезиохронной ( PDH ) и синхронной ( SDH ) иерархии действует целый ряд стандартов [7-9], описывающих процедуры измерения ошибок и критерии сдачи каналов в эксплуатацию. Указанные стандарты основываются на измерении битовых ошибок BER , а также классификации временных интервалов на основании содержания в них ошибочной информации.

  Отработанность данных методик позволяет считать обоснованным перенос описанной в них методологии в область измерений качества каналов Ethernet .

  Основным отличием сетей Ethernet от сетей SDH и PDH является асинхронный пакетный режим передачи данных. Кроме того, что касается каналов Ethernet , оконечным оборудованием в них являются компьютеры, позволяющие осуществить самые разнообразные тестовые процедуры. Поэтому целесообразно было бы использовать их в качестве тестирующего устройства, избежав применения дорогостоящего специализированного оборудования. С другой стороны, использование для организации канала Ethernet помимо каналообразующего - пользовательского оборудования, то есть концентраторов, коммутаторов, маршрутизаторов и персональных компьютеров (ПК) с сетевыми картами под управлением той или иной операционной системы. Это заставляет придавать большое значение методологии измерений. Она должна обеспечить измерение качества любого выбранного участка канала связи и при этом исключать из результатов измерений ошибки, вносимые указанными устройствами и их программным обеспечением. Под каналом связи понимается соединение точка-точка, выполненное с использованием сдаваемого в эксплуатацию оборудования, а также подключенное к нему оконечное оборудование пользователя (коммутаторы, маршрутизаторы и т.д.), включая патч-корды, служащие для подключения ПК к каналу связи.

  Обычно на практике для тестирования канала Ethernet используются следующие способы:

•  Измерение параметров прохождения сетевого трафика, сгенерированного специальными тестовыми программами ( iperf , ping , тестовые программы, поставляемые с сетевыми картами, программные комплексы, генерирующие различные виды пользовательского трафика т.д.).
•  Замеры времени копирования тестового файла с одного компьютера на другой.
•  Визуальная оценка качества передачи потокового видео.

  К основным недостаткам указанных методов тестирования можно причислить их зависимость от ОС (при использовании Windows и других многозадачных систем и наличии запущенных конкурирующих процессов), работу на верхних уровнях стека TCP/IP , а также зависимость от конфигурации компьютера (при обработке потокового видео) и его текущего состояния (например, степени фрагментации жесткого диска при измерении времени копирования файлов).

  Кроме того, специальные программы, как правило, предоставляя статистическую информацию о доставленных и потерянных пакетах и эквивалентном значении пропускной способности канала, не приводят данных о времени его недоступности, статистике классифицированных по уровню ошибочности временных интервалов и уровне битовых ошибок BER .

  На основе вышеизложенного, требования к методике измерения ошибок в канале Ethernet можно сформулировать следующим образом :

•  Зависимость результата измерений от операционной системы ПК, на котором запущено тестирующие приложение, должна быть минимально возможной.
•  Выбираемые аппаратные конфигурации должны позволять протестировать различные участки канала связи.
•  Тестовое программное обеспечение должно измерять характеристики канала связи, используемые в стандартах измерений качества передачи PDH и SDH потоков, а также описанные в документах, регламентирующих качество как составных частей канала связи, так и его в целом, на уровне приложений.

  Требования к программному обеспечению

  Исходя из методических требований, можно сформулировать требования к тестовому программному обеспечению. Во-первых, его работа должна минимально возможно зависеть от ОС. Это может быть достигнуто использованием однозадачных ОС - MS DOS или MS Windows '9 x , работающей в однозадачном консольном режиме, либо, при использовании многозадачных ОС, должна быть возможность запустить тестовое приложение с максимальным приоритетом. Во-вторых, программное обеспечение должно обеспечить способ измерения ошибки, вносимой ПК, сетевой картой и ОС – например, путем установки аппаратного шлейфа непосредственно на разъеме сетевой карты.

  Поскольку аппаратный шлейф на одном из концов канала Ethernet не позволяет корректно работать промежуточным устройствам, ориентированным на использование МАС-адресов оконечных устройств, тестовое программное обеспечение должно состоять из клиентской и серверной части. Функция клиентской части – отправка тестовых пакетов, анализ вернувшихся пакетов и расчет измеряемых величин. Функция серверной части – прием тестовых пакетов и их возвращение адресату.

  Кроме того, следует иметь в виду, что сетевые карты выполняют функцию фильтров ошибок, отбрасывая пакеты, содержимое которых не соответствует контрольной сумме, сопровождающей пакет. В этом случае необходимо учитывать, что отброшенный пакет может содержать произвольное, заранее неизвестное число ошибочных бит.

  Аппаратная конфигурация

  В качестве аппаратной конфигурации для тестирования используется два ПК с сетевыми картами, два патч-корда, которыми ПК подключаются к каналу связи, а также «эталонный кабель» для проверки оборудования и нормировки результатов измерений.

  На первом этапе два ПК соединяются «эталонным» кабелем, и проводится измерение качества связи между ними. Это позволяет определить уровень ошибок, вносимый оконечными устройствами.

  На втором этапе проводится измерения с подключением ПК непосредственно к каналу связи.

  Измеряемые величины

  Набор измеряемых величин должен обеспечивать как тестовые, так и диагностические потребности. В связи с этим, тестовая программ должна проводить измерение (либо расчет) следующих величин:

  ES –секунды, пораженные ошибками (при наличии за секунду хотя бы одного ошибочного или утерянного пакета);

  SES – секунды, серьезно пораженные ошибками (при наличии за секунду более 30% утерянных или ошибочных пакетов);

  SDP – период недоступности канала (секунды, в течение которых все пакеты были ошибочными или утерянными);

  BER – битовая ошибка (отношение количества утерянных бит к общему количеству переданных);

  VCH ( velocity of channel ) – эффективная скорость передачи в канале (произведение номинальной скорости в канале на процент удачно переданных пакетов);

  PTD ( packet time delay ) – время прохождения пакета по каналу связи;

  PTDV ( packet time delay variation ) – разброс времени прохождения пакетов по каналу связи;

  PLR ( packet loss ratio ) – процент потерянных пакетов.

  Расчет BER

  В связи с тем, что, в отличие от PDH и SDH потоков, сети Ethernet предусматривают пакетную передачу данных, можно использовать метод измерений, основанный только на данных о количестве переданных, утерянных пакетов и искаженных бит в полученных пакетах. При этом в расчете BER не учитываются пакеты, потерянные в течение периода недоступности канала.

  В случае утери одного из пакетов данных, в общем случае, ошибку можно оценить следующим образом.

  Пусть к моменту утери пакета успешно было передано N пакетов размером в m байт или 8 x m бит соответственно. Тогда величина ошибки на момент обнаружения потери пакета составит :

где PL - вероятность одновременного искажения L бит в одном кадре.

  Вероятность искажения L бит в одном кадре можно определить как отношение числа перестановок L дефектных бит в кадре, состоящем из m * 8 бит к числу перестановок L бит во всей переданной последовательности длиной N * m *8 бит.

  Из комбинаторики известно, что число перестановок с повторяющимися элементами для l дефектных бит среди M бит можно определить:

 

 

Таким образом, применительно к нашему случаю, общая ошибка при утере n пакетов из общего количества N определится выражением:

 

  Ошибка, вносимая искажением одного бита, очевидно, определится как величина, обратная общему количеству переданных бит. Таким образом, зная число переданных пакетов, искаженных бит в них и количество утраченных пакетов, нетрудно определить ошибку канала связи как сумму ошибок, вносимых потерей пакетов и их искажением.

  Анализ методики расчета BER

  Для проверки корректности методики расчета BER , основанной на приведенном анализе пакетной передачи был проведен вычислительный эксперимент. Генерировалось совокупность 100 случайно распределенных бит на последовательностях 10E5 , 10E6 , 10E7 , 10E8 , 10E9 , 10E10 и 10E11 бит. Таким образом, были получены последовательности с уровнями ошибки 10E-3 , 10E-4 , 10E-5 , 10E-6 , 10E-7 , 10E-8 и 10E-9 соответственно. На этих последовательностях проводился расчет «реального» BER – при каждом появлении ошибки, нарастающим итогом, а также расчет BER при условии, что весь поток разбит на последовательно передаваемые пакеты и пакет, содержащий хотя бы 1 ошибочный бит, полностью отбрасывается.

  На рис.1 приведены временные зависимости реального и расчетного BER для длины тестового пакета 1000 бит при измерениях на последовательностях 10E5 и 10E6 бит. Из рис.1 видно, что ошибка расчета BER существенно снижается при уменьшении измеряемого уровня ошибок.

 

Рис. 1 Динамика реального и расчетного BER (с пакетом 1000 бит) для последовательностей длиной 10E5 и 10E6 бит с уровнем ошибки 10E-3 и 10E-4 соответственно.

 

  На рис.2 приведены зависимости усредненной ошибки расчета BER в зависимости от измеряемого уровня ошибки (и соответственно длины анализируемой последовательности) для трех значений длины тестового пакета.

 

Рис.2 Зависимость ошибки в определении BER от его уровня.

 

  Как видно из рис. 2, ошибка в расчете BER становится пренебрежительно малой уже при измерении уровня BER 10E-5 для всех значений длины пакета.

  Расчеты также показали, что добавка в расчете BER за счет вероятностных оценок наличия двух и более бит в одном пакете при измеряемых уровнях ошибки и длинах пакета дает поправку максимум в 6 знаке после запятой и может не учитываться.

  Таким образом, с учетом того, что ожидаемый уровень ошибок в цифровых каналах связи значительно ниже, чем 10 -5 применение предлагаемой методики расчета BER вполне обоснованно.

  Верхняя граница корректно измеряемой ошибки при пакетной передаче связана с длиной пакета. К примеру, при использовании пакета длиной 125 байт или 1000 бит полная потеря всех пакетов за установленный интервал времени означает, что ошибка в канале составляет как минимум 10 -3 (из расчета одного ошибочного бита в каждом пакете). Это является критерием наступления SDP – периода недоступности канала. Таким образом, изменяя длину пакета можно увеличить верхнюю границу измеряемой ошибки однако с учетом того, что длина пакета в сетях Ethernet лежит в границах от 64 до 1500 байт, получаем диапазон измеряемой верхней границы BER от 1.95*10E-3 до 8.3*10E-5 .

  Нижняя граница измеряемой ошибки зависит от времени тестирования и скорости канала. Если исходить из того, что степень заполнения тестовыми последовательностями составляет порядка 20 % номинальной пропускной способности канала, для прохождения 10E10 бит в канале Fast Ethernet потребуется 8,3 минуты, а в канале Ethernet – 1 час 23 минуты. При длительных (несколько часов, сутки и более) процедурах измерения желательно определение как общего уровня ошибок (за весь период измерения), так и «кратковременного» BER , позволяющего определить распределение ошибок за все время тестирования.

  Период измерения выбирается исходя из планируемой «кратковременной чувствительности к ошибкам» – так, при чувствительности 10E-9 в канале Fast Ethernet будет достаточно 1 минуты – времени, за которое возможна передача 10E9 бит при 20% использовании канала связи. С учетом того, что канал связи включает в себя не только среду передачи, а также и коммутирующие элементы (разъемы) и различное оборудование, требования на допустимые уровни ошибок можно сформулировать следующим образом:

•  величина BER не более 10E-8 [1];

•  время передачи пакета PTD – не более 100 мс (высший класс обслуживания в сетях СПРИ и службах ПД по протоколу IP ) [2-6];

•  разброс времени передачи пакета PTDV – не более 10 мс (высший класс обслуживания в сетях СПРИ и службах ПД по протоколу IP ) [2-6];

•  процент потери пакетов PLR – не более 0.5% (высший класс обслуживания в сетях СПРИ и службах ПД по протоколу IP ) [2-6];

•  коэффициент готовности службы не менее 99 %.

  Остальные параметры ( ES , SES , SDP и VCH ) являются диагностическими, и желательно их наблюдение в динамике, в процессе измерения качества канала.

  Насколько известно авторам, подобная методика измерений качества каналов Ethernet не реализована ни в одной из тестовых программ. К сожалению, это до настоящего времени не позволяет адекватно оценивать возможности вводимых в эксплуатацию каналов Ethernet до подключения к ним пользователей или различного рода тестовых комплексов. Описание такого инструмента будет дано в последующих публикациях.

Литература

1.  IEEE Std 802.3, 2000 Edition The Institute of Electrical and Electronics Engineers, Inc.

2.  ITU-T Recommendation G.821 Error performance of an international digital connection forming part of an integrated services digital network.

3.  ITU-T Recommendation G.826 Error performance parameters and objectives for international, constant bit rate digital paths at or above the primary rate.

4.  Recommendation M.2100 Bringing into service international digital paths, sections and transmission systems. ITU-T

5.  ITU-T Recommendation I.380 Internet protocol data communication service - IP packet transfer and availability performance parameters

6.  ITU-T Recommendation Y.1541 Network performance objectives for IP-based services

7.  ITU-T Recommendation Y.1231 IP Access Network Architecture

8.  РД.45.129-2000

9.  РД.45.128-2000

Рейтинг@Mail.ru