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.