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摘 要： 传统的DDN-TDM技术实时传输测控数据的方式，将逐渐被IP以太网技术所取代。从实时测控数据的特性及其对通信传输的要求出发，对IP网的传输时延进行较为全面的分析，对影响实时传输的因素进行论述，同时对TCP和UDP协议进行比对，并提出解决实时通信的方法。
关键词： IP网；实时性；时延
中图分类号：TP311.52 文献标识码：A 文章编号：1671－7597（2012）0210181－02
0 引言
随着计算机技术和网络技术的发展，以IP网为主流的网络构架已在各个领域中被广泛地采用。传统的DDN-TDM技术实时传输测控数据的方式，将逐渐被IP以太网技术所取代。然而，由于IP网络最初是为提供非实时数据业务而设计的，只提供尽力而为的服务。对那些无严格时延要求只要求准确率的数据业务来说是合适的，对于有带宽、延迟、延迟抖动等特殊要求的实时通信业务来说，现有的服务能力是不够的。
1 实时测控数据对通信传输的要求
1.1 实时测控数据的特性
测控数据在IP网上实时传输，是指针对某个给定的应用，保证在确定的时间内对信号做出回答。实时能力并不定义一个特定的时间，而是在一个确定的时间内做出响应。实时数据具有如下特性：
1）时间要求苛刻，要求在确定的时间内完成确定的任务；
2）周期性，按照一定的周期进行传输，如采样数据；
3）对大多数实时数据而言，不要求重发，因为最新数据才是有意义的；
4）具有优先级别，对于实时性要求比较高的数据，应当获得更高的通信权限。
1.2 实时测控数据对通信传输的要求
实时测控数据对传输的要求较为严格，不仅包含数据的有效性，还包含数据的时间特性，要求在特定的时间内完成特定的任务，确保极坏情况下报文响应时间是可确定的。要在IP网上承载实时业务，就必须注意服务质量（QoS）问题。IP QoS是指IP网络的一种能力，它由用户主观对特定服务的满意程度来决定，针对实时测控数据的通信传输要求，可以用以下参数来表示：时延（delay）、时延抖动（jitter）、丢包率（loss rate）、带宽（bandwidth）和误包率（error rate）。
1）时延。指数据包在网络的两个节点之间传送的平均往返时间，包括固定时延和可变时延（网络拥塞），测控数据要求端到端的传输时延＜100ms。
2）时延抖动。指时延的变化，即相邻两个数据包到达接收者的时间间隔相对于发送者发送这两个数据包的时间间隔之间的差异。实时测控数据对时延的变化比较敏感，可以通过适当的缓存来减少时延抖动对数据的影响，缓冲平滑时延的能力既有瞬时限制又有总量限制，测控数据对时延抖动的要求为＜10ms。
3）丢包率。指在网络传输中丢失报文的百分比，用来衡量网络正确转发数据的能力，对于测控数据的丢包率要求＜10-6。
4）带宽。指网络的两个节点之间特定应用业务流的平均速率，用来衡量用户从网络获取业务数据的能力，单路测控数据的带宽要求较小（9600b/s）。
5）误包率。指在网络传输过程中报文出现错误的百分比，对加密测控数据的影响较大。
不同情况下，实时测控数据的通信传输要求是可以变化的，但是，服务质量不仅仅是通信网络的事情，它是应用程序、用户终端、网络服务器各部分的综合效应。
2 IP网实时性分析
2.1 数据帧时延分析
测控数据或多媒体流的实时传输对网络通信的要求较为严格，信息的成功发送不仅取决于数据帧的完整性，更取决于传输时延[1]。因此，时延分析在实时通信网络系统中非常重要。
I 网实时通信要提供确定的时间特性，必须知道从发送端的应用程序发出数据帧到接收端的应用程序完全接收到该数据帧的时间间隔，包括以下几部分（如图1所示）：
图中，Ts：发送端处理时延，指发送端主机将消息写入发送端通信接口（网卡）缓冲区的时延，主要是将消息封装成数据帧的时延（封装时延）；Tw：数据帧等待时延，包括排队时延和阻塞时延；Tl：数据帧发送时延，指把数据帧上载到IP信道的时间；Tt：数据帧传播时延，指数据帧在信道上传输所需要的时间；Td：接收端处理时延，指接收端主机从接收端通信接口缓冲区读取消息的时延，主要是将数据帧还原成消息的时延（解包时延）。
数据帧全程端到端的总时延T为：
T=Ts+Td+Tw+Tl+Tt
Ts、Td与通信接口的性能、操作系统、通信协议的数据帧封装/解包算法有关，与Tw、Tl和Tt相比，Ts和Td可视为确定性的常量。
令Tm=Tw+Tl+Tt，即Tm为通信网络时延。T1、Tt由网络带宽、信号传输距离和传播速度决定，是确定性的。Tw取决于发送端发送信息的数量、网络协议和网络上的通信量，对总时延起着非常重要的作用，是导致IP网通信不确定性的主要因素。如果采用共享式以太网，由于不同节点多个数据帧共享一个带宽，会同时竞争信道产生冲突，而随后所采取的重发机制（Mac层）导致数据帧等待时延，Tw是随机的、不确定的。如果采用交换式以太网，那么各个端口的信息流是隔离的，原来的共享式带宽变成独占式带宽，使Tw的确定性得到了很好的增强。但是，冲突消除后，当多个数据流同时到达交换机时，需要将其缓存后再从目的端口顺序输出，此时Tw主要取决于交换机的通信调度方式和网络的流量控制，Tw是准确定性的。
1）数据帧发送时延Tl。如IP网的带宽为100Mbps，单个比特的发送时间是0.01μs，帧间隙时间0.96μs，则N个比特的发送时延为Tl=0.01×N+0.96。以太网规定帧的大小为64-1522字节，则6.08μs≤Tl≤122.8μs。
2）数据帧传播时延Tt。设数据帧的传输距离为S，传播速度为v（≈2×108m/s），则传播时延Tt=S/V。假设远端站点至中心机的距离S<500km，则：Tt<2500μs。
3）当采用交换式以太网时，依据ITU-T的Q.507标准推荐的端口到端口之间交换时延≤450μs，则从远端站点至中心机数据帧的Tm=Tw+Tl+Tt≤3100μs。
2.2 影响数据帧实时传输的因素
通过上面的论述，可知道影响数据帧传输实时性的因素主要包括：
1）数据帧编/解码算法；2）操作系统的实时性（进程调度、中断）；3）网络协议采取的流量控制和调度方式；4）数据帧优先级；5）数据帧的MAC冲突；6）IP网带宽、组网拓扑以及网络硬件的性能。
对于设备软硬件已确定的系统，1）是封装时延Ts、解包时延Td的反映，2）是操作系统调度时延的反映，3）、4）、5）、6）是数据帧等待时延Tw、数据帧发送时延T1、数据帧传播时延Tt的反映。实时数据的传输就是要保证数据帧时延T小于规定的传输时延要求，通过适当策略改变上述各种因素，使数据帧时延满足系统的要求。
3 传输层协议对比分析
传输层位于TCP/IP协议栈的第四层，主要有传输控制协议（TCP）、用户数据报协议（UDP）[2]。二者的共同点在于均提供了进程通信的能力，主要差别在于：
1）TCP协议是面向字节流的，是一个无边界的协议，消息的区分必须由上层应用来完成；UDP协议是面向消息的，提供快速的无连接业务，占用资源少。
2）TCP协议中，高层数据以字节流的形式传递给TCP，字节流被缓存，积累到一定长度时才启动一次发送操作，而且TCP协议数据报封装较为复杂；UDP协议中，每一个UDP数据报只是封装一个来自于应用层的数据，没有复杂的校验，数据报封装简单，然后即时交付IP层发送。
3）TCP协议是面向连接的，每一次通信过程需要事先进行链接的建立和拆除。另外，TCP需要花费回路链接时间（RTT），以获得适当的传输速度；UDP协议是无连接的传输协议，没有建立连接和拆除连接的过程。
4）TCP协议有专门的传递保证机制，发送方只有在接收到确认信息之后才继续传送其它信息，而且TCP出错重发和数据传送严格有序的机制会导致队头拥塞；UDP协议不提供数据传送的保证机制，不对数据进行差错控制，没有确认和重传造成的时延。
5）TCP是面向连接的，一个TCP连接直接由一对传送层地址（IP地址和端口号）识别，无法提供对多宿主机的透明支持。而在测控系统中，往往需要对一组或者全部终端进行相同的操作。若用TCP对终端进行逐个控制，不仅会增大时延，还可能破坏整个系统的协同和同步。
结合上面分析可知，面向实时领域，基于消息和短包传输的UDP传输协议优点突出，省去了建立连接和拆除连接的过程，取消了重发检验机制，有效地减少了不必要的网络开销，加快了传输层协议的处理速度。但是必须承认，UDP协议提供的是非面向连接的、不可靠的数据流传输，因此仅仅利用UDP协议传输实时的数据是不能完全满足可靠性的，需要对UDP传输采取适当的控制策略，就可以在满足实时性要求的同时，保证数据的可靠传输。
4 实时通信解决方法
实时数据按照时间要求级别高低，可分为强实时数据、准实时数据和弱实时数据。对于时延要求非常高的强实时数据，必须充分保证其带宽，尽量减少信道竟争引起的时延，缩短碰撞域，采用实时的操作系统；当和其它类数据（准实时和弱实时数据）同时传输时要给予最高的优先权，同时要选择面向实时的、具有快启动功能的上层协议，充分保证此类数据的网络实时性。
结合上面的论述，解决测控系统IP网实时通信的主要办法有：
1）提高中心计算机和测控终端的信息处理能力，采用高效的CPU和硬件；
2）对网络通信设备进行升级，增大网络带宽，提高网络硬件的性能；
3）选择高度实时的操作系统，以减少系统调用产生的时延；
4）采用合适的传输控制、流量控制机制和通信调度方法；
5）采用面向实时的处理协议。
5 结束语
测控实时数据已经在DDN网络上成功地进行了传输，但是下一代网络技术的发展将IP网也推向了实时应用的领域。如何在IP网上实时而又可靠地传输数据，是我们新的任务与使命。
参考文献：
[1]易勇，计算机通信网络实时通信研究，成都大学学报，2005.12.
[2]张光昭、刘星成、吴摘，计算机网络，中山大学出版社，2000.
关键词： IP网；实时性；时延
中图分类号：TP311.52 文献标识码：A 文章编号：1671－7597（2012）0210181－02
0 引言
随着计算机技术和网络技术的发展，以IP网为主流的网络构架已在各个领域中被广泛地采用。传统的DDN-TDM技术实时传输测控数据的方式，将逐渐被IP以太网技术所取代。然而，由于IP网络最初是为提供非实时数据业务而设计的，只提供尽力而为的服务。对那些无严格时延要求只要求准确率的数据业务来说是合适的，对于有带宽、延迟、延迟抖动等特殊要求的实时通信业务来说，现有的服务能力是不够的。
1 实时测控数据对通信传输的要求
1.1 实时测控数据的特性
测控数据在IP网上实时传输，是指针对某个给定的应用，保证在确定的时间内对信号做出回答。实时能力并不定义一个特定的时间，而是在一个确定的时间内做出响应。实时数据具有如下特性：
1）时间要求苛刻，要求在确定的时间内完成确定的任务；
2）周期性，按照一定的周期进行传输，如采样数据；
3）对大多数实时数据而言，不要求重发，因为最新数据才是有意义的；
4）具有优先级别，对于实时性要求比较高的数据，应当获得更高的通信权限。
1.2 实时测控数据对通信传输的要求
实时测控数据对传输的要求较为严格，不仅包含数据的有效性，还包含数据的时间特性，要求在特定的时间内完成特定的任务，确保极坏情况下报文响应时间是可确定的。要在IP网上承载实时业务，就必须注意服务质量（QoS）问题。IP QoS是指IP网络的一种能力，它由用户主观对特定服务的满意程度来决定，针对实时测控数据的通信传输要求，可以用以下参数来表示：时延（delay）、时延抖动（jitter）、丢包率（loss rate）、带宽（bandwidth）和误包率（error rate）。
1）时延。指数据包在网络的两个节点之间传送的平均往返时间，包括固定时延和可变时延（网络拥塞），测控数据要求端到端的传输时延＜100ms。
2）时延抖动。指时延的变化，即相邻两个数据包到达接收者的时间间隔相对于发送者发送这两个数据包的时间间隔之间的差异。实时测控数据对时延的变化比较敏感，可以通过适当的缓存来减少时延抖动对数据的影响，缓冲平滑时延的能力既有瞬时限制又有总量限制，测控数据对时延抖动的要求为＜10ms。
3）丢包率。指在网络传输中丢失报文的百分比，用来衡量网络正确转发数据的能力，对于测控数据的丢包率要求＜10-6。
4）带宽。指网络的两个节点之间特定应用业务流的平均速率，用来衡量用户从网络获取业务数据的能力，单路测控数据的带宽要求较小（9600b/s）。
5）误包率。指在网络传输过程中报文出现错误的百分比，对加密测控数据的影响较大。
不同情况下，实时测控数据的通信传输要求是可以变化的，但是，服务质量不仅仅是通信网络的事情，它是应用程序、用户终端、网络服务器各部分的综合效应。
2 IP网实时性分析
2.1 数据帧时延分析
测控数据或多媒体流的实时传输对网络通信的要求较为严格，信息的成功发送不仅取决于数据帧的完整性，更取决于传输时延[1]。因此，时延分析在实时通信网络系统中非常重要。
I 网实时通信要提供确定的时间特性，必须知道从发送端的应用程序发出数据帧到接收端的应用程序完全接收到该数据帧的时间间隔，包括以下几部分（如图1所示）：
图中，Ts：发送端处理时延，指发送端主机将消息写入发送端通信接口（网卡）缓冲区的时延，主要是将消息封装成数据帧的时延（封装时延）；Tw：数据帧等待时延，包括排队时延和阻塞时延；Tl：数据帧发送时延，指把数据帧上载到IP信道的时间；Tt：数据帧传播时延，指数据帧在信道上传输所需要的时间；Td：接收端处理时延，指接收端主机从接收端通信接口缓冲区读取消息的时延，主要是将数据帧还原成消息的时延（解包时延）。
数据帧全程端到端的总时延T为：
T=Ts+Td+Tw+Tl+Tt
Ts、Td与通信接口的性能、操作系统、通信协议的数据帧封装/解包算法有关，与Tw、Tl和Tt相比，Ts和Td可视为确定性的常量。
令Tm=Tw+Tl+Tt，即Tm为通信网络时延。T1、Tt由网络带宽、信号传输距离和传播速度决定，是确定性的。Tw取决于发送端发送信息的数量、网络协议和网络上的通信量，对总时延起着非常重要的作用，是导致IP网通信不确定性的主要因素。如果采用共享式以太网，由于不同节点多个数据帧共享一个带宽，会同时竞争信道产生冲突，而随后所采取的重发机制（Mac层）导致数据帧等待时延，Tw是随机的、不确定的。如果采用交换式以太网，那么各个端口的信息流是隔离的，原来的共享式带宽变成独占式带宽，使Tw的确定性得到了很好的增强。但是，冲突消除后，当多个数据流同时到达交换机时，需要将其缓存后再从目的端口顺序输出，此时Tw主要取决于交换机的通信调度方式和网络的流量控制，Tw是准确定性的。
1）数据帧发送时延Tl。如IP网的带宽为100Mbps，单个比特的发送时间是0.01μs，帧间隙时间0.96μs，则N个比特的发送时延为Tl=0.01×N+0.96。以太网规定帧的大小为64-1522字节，则6.08μs≤Tl≤122.8μs。
2）数据帧传播时延Tt。设数据帧的传输距离为S，传播速度为v（≈2×108m/s），则传播时延Tt=S/V。假设远端站点至中心机的距离S<500km，则：Tt<2500μs。
3）当采用交换式以太网时，依据ITU-T的Q.507标准推荐的端口到端口之间交换时延≤450μs，则从远端站点至中心机数据帧的Tm=Tw+Tl+Tt≤3100μs。
2.2 影响数据帧实时传输的因素
通过上面的论述，可知道影响数据帧传输实时性的因素主要包括：
1）数据帧编/解码算法；2）操作系统的实时性（进程调度、中断）；3）网络协议采取的流量控制和调度方式；4）数据帧优先级；5）数据帧的MAC冲突；6）IP网带宽、组网拓扑以及网络硬件的性能。
对于设备软硬件已确定的系统，1）是封装时延Ts、解包时延Td的反映，2）是操作系统调度时延的反映，3）、4）、5）、6）是数据帧等待时延Tw、数据帧发送时延T1、数据帧传播时延Tt的反映。实时数据的传输就是要保证数据帧时延T小于规定的传输时延要求，通过适当策略改变上述各种因素，使数据帧时延满足系统的要求。
3 传输层协议对比分析
传输层位于TCP/IP协议栈的第四层，主要有传输控制协议（TCP）、用户数据报协议（UDP）[2]。二者的共同点在于均提供了进程通信的能力，主要差别在于：
1）TCP协议是面向字节流的，是一个无边界的协议，消息的区分必须由上层应用来完成；UDP协议是面向消息的，提供快速的无连接业务，占用资源少。
2）TCP协议中，高层数据以字节流的形式传递给TCP，字节流被缓存，积累到一定长度时才启动一次发送操作，而且TCP协议数据报封装较为复杂；UDP协议中，每一个UDP数据报只是封装一个来自于应用层的数据，没有复杂的校验，数据报封装简单，然后即时交付IP层发送。
3）TCP协议是面向连接的，每一次通信过程需要事先进行链接的建立和拆除。另外，TCP需要花费回路链接时间（RTT），以获得适当的传输速度；UDP协议是无连接的传输协议，没有建立连接和拆除连接的过程。
4）TCP协议有专门的传递保证机制，发送方只有在接收到确认信息之后才继续传送其它信息，而且TCP出错重发和数据传送严格有序的机制会导致队头拥塞；UDP协议不提供数据传送的保证机制，不对数据进行差错控制，没有确认和重传造成的时延。
5）TCP是面向连接的，一个TCP连接直接由一对传送层地址（IP地址和端口号）识别，无法提供对多宿主机的透明支持。而在测控系统中，往往需要对一组或者全部终端进行相同的操作。若用TCP对终端进行逐个控制，不仅会增大时延，还可能破坏整个系统的协同和同步。
结合上面分析可知，面向实时领域，基于消息和短包传输的UDP传输协议优点突出，省去了建立连接和拆除连接的过程，取消了重发检验机制，有效地减少了不必要的网络开销，加快了传输层协议的处理速度。但是必须承认，UDP协议提供的是非面向连接的、不可靠的数据流传输，因此仅仅利用UDP协议传输实时的数据是不能完全满足可靠性的，需要对UDP传输采取适当的控制策略，就可以在满足实时性要求的同时，保证数据的可靠传输。
4 实时通信解决方法
实时数据按照时间要求级别高低，可分为强实时数据、准实时数据和弱实时数据。对于时延要求非常高的强实时数据，必须充分保证其带宽，尽量减少信道竟争引起的时延，缩短碰撞域，采用实时的操作系统；当和其它类数据（准实时和弱实时数据）同时传输时要给予最高的优先权，同时要选择面向实时的、具有快启动功能的上层协议，充分保证此类数据的网络实时性。
结合上面的论述，解决测控系统IP网实时通信的主要办法有：
1）提高中心计算机和测控终端的信息处理能力，采用高效的CPU和硬件；
2）对网络通信设备进行升级，增大网络带宽，提高网络硬件的性能；
3）选择高度实时的操作系统，以减少系统调用产生的时延；
4）采用合适的传输控制、流量控制机制和通信调度方法；
5）采用面向实时的处理协议。
5 结束语
测控实时数据已经在DDN网络上成功地进行了传输，但是下一代网络技术的发展将IP网也推向了实时应用的领域。如何在IP网上实时而又可靠地传输数据，是我们新的任务与使命。
参考文献：
[1]易勇，计算机通信网络实时通信研究，成都大学学报，2005.12.
[2]张光昭、刘星成、吴摘，计算机网络，中山大学出版社，2000.