Ad Hoc網(wǎng)絡性能測試關鍵技術研究

本文首先介紹了Ad Hoc網(wǎng)絡及其相關協(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構。圍繞體系結構中的不同測試內(nèi)容，提出相關的測試方法，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，網(wǎng)絡中的結點互相作為其鄰居(在其直接通信范圍內(nèi)的結點)的路由器，通過結點轉發(fā)實現(xiàn)結點間的通信。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。由于結點的無線通信距離有限，Ad hoc網(wǎng)絡中的結點不一定都在其它所有結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，結點的通信距離也會有所改變。所以當結點并非直接可達時，需要中間結點的轉發(fā)才能實現(xiàn)通信。也就是說從源結點到目的結點是多跳(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(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)絡中結點是移動的。結點的移動性造成網(wǎng)絡的拓撲結構不斷變化，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)絡性能測試體系結構

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。多跳網(wǎng)絡中，傳播距離會對網(wǎng)絡的拓撲關系產(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)絡中的結點按照優(yōu)先級排序，優(yōu)先級高的結點比優(yōu)先級低的結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)先級低的結點不會“餓死”，同等優(yōu)先級的結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)議所處理的是源結點到目的結點之間的路徑選擇信息，所以源結點到目的結點之間(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。