網絡損傷仿真,爲5G應用保駕護航

5G,絕對是今年最熱門的話題!2019年6月6日,工信部正式向中國電信、中國移動、中國聯通、中國廣電發放5G商用牌照,中國正式進入5G商用元年。5G不僅僅是一次通信技術的升級,更是開啓了一個新的時代。5G的超高帶寬、海量連接、低時延超可靠性等性能,將成爲構建數字化社會的強大基礎。在這裏插入圖片描述
更高的網絡傳輸速率可以使已經面世許久但因網速受限的AR/VR/超高清視頻業務等技術被廣泛推廣和使用。
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而5G技術海量連接的特點,是將網絡業務無所不包,廣泛存在。萬物聯網,萬物皆可連接到網絡,智能家居、智能路燈、智能機場等等,生活中所接觸的任何事物皆可聯網,實現智慧城市。
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低延時也是5G技術的一個關鍵點,這使得5G可以完美的與TSN(時間敏感網絡)相結合。TSN的主要目標是通過IEEE802(以太網)有線網絡提供確定性服務,這意味低時延、低丟包率、有保證的數據包傳輸,而TSN標準可以廣泛應用於許多垂直領域,例如工業物聯網(IIoT)和工業4.0(包括像運動控制、移動機器人、AGV遠程控制、甚至傳統的工業過程自動化領域),及汽車以太網(汽車控制及自動駕駛)。
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國家層面不斷向運營商提倡的提速降費,加上快速推進的5G商用,其最終目的是爲了提供一個高速率、低延時及高可靠性的網絡基礎設施,爲基於工業以太網,工業物聯網、汽車以太網、廣域網、數據中心等網絡基礎之上的應用提供儘可能完美的網絡服務質量,給用戶提供一個完美的聯網體驗。

然而,世界是不可能完美無瑕的,互聯網也不例外。全球互聯互通的任意兩個信息端點之間的通信,可能需要經過很多不同的物理環境、傳輸鏈路、傳輸設備和網絡設備,總會有自然或意外的隨機事件發生,從而導致破壞網絡上傳輸的數據包。所以會給互聯網上的各種應用帶來非常不好的用戶體驗,尤其是是對網絡質量要求非常高的音視頻業務(VR/超高清視頻/VOIP/視頻會議/汽車360度全景導航等)及TSN(時間敏感網絡)相關的上層應用業務。相信大家都有過手機觀看高清視頻出現卡頓的現象,尤其是實時直播高清視頻。
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據NIST(美國)國家標準與技術局研究統計,應用系統發佈上線後, 80%的總成本僅用於尋找和發現問題中;另外根據知名諮詢機構 Gartner 的研究,全球超過70%的應用部署都是失敗的。

究其根本原因在於幾乎所有網絡設備測試及應用的開發測試都是在相對完美的實驗室網絡環境下完成的。被測設備及網絡並非由複雜的物理環境、大量的傳輸鏈路、傳輸設備及網絡設備組成,在該實驗網絡中具有比較好的時延、抖動、帶寬及可靠性,上層應用的測試結果也會比較好(僅能代表測試網絡環境中的結果)。

但是真實的互聯網環境中,存在大量的導致網絡質量損傷的因素,如下我們常見的損傷類型及原因:
丟包:網絡設備軟、硬件問題;線路傳輸質量差引起丟包;網絡設備配置不合理導致丟包 網絡設計不合理導致丟包;網絡衝突、廣播氾濫造成的丟包;
時延:光纖長距離傳輸;網絡設備轉發處理需要時間;應用服務器處理時間;網絡擁塞;
抖動:網絡擁塞;負載均衡設備的部署;路由翻轉;
亂序:網絡擁塞;端口捆綁;路由翻轉;
重複幀:網絡環路;協議棧異常;
物理層損傷:色散或功率衰減、串擾及不確定的系統噪聲、環境干擾等;

以上損傷類型作爲專業術語,聽起來可能有點費勁,阿信舉一個快遞運輸的例子給大家解釋下。快遞是大家日常生活中經常接觸的事情,一套完整的快遞運輸包含很多流程,如下圖。
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假設雙十二期間你網購了10樣東西,但是快遞運輸過程中丟了一件(簡稱“丟包”),明白我意思吧?然後運輸過程中又遇到堵塞(此時就產生了運輸“時延”,你收到貨的時間會延後。由於時延的存在,那麼你每次收到貨的時間不一樣,這種現象我們便稱之爲“抖動”),你以爲倒黴的事這就完了?nonono,後來你發現你先下單的鍋居然在後下單的調料到了之後才送達(也就是出現了“亂序”,此時你只能望着調料幹捉急了),可能唯一值得慶幸的是,發貨的店家給你重複發了兩樣物品(就是所謂的“重複幀”操作),但是打開包裝才發現原來其中一件是壞的(可能是運輸過程中出現碰撞,發生了“物理層損傷”)。是不是超級無語!!!

以上只是爲了舉例形象些,阿信胡編亂造的劇情哈,請不要太過腦補畫面…哈哈哈。

而互聯網中的大部分應用對網絡質量的損傷是非常敏感的,如音視頻流的傳輸:
◆VOIP網絡質量最低要求:丟包率小於8%,延時小於200ms,抖動正負不大於40ms;
◆4K高清視頻對承載網端到端網絡質量最低要求:帶寬要大於50Mbps,往返時延(RTT)要小於20ms,丟包率PLR要小於10-5;
◆而VR業務起步階段,需要80Mbps以上的帶寬,網絡延遲控制在20毫秒以內;舒適體驗階段需要260Mbps以上的帶寬,網絡延遲控制在15毫秒以內;理想體驗階段需要1.5Gbps以上帶寬,網絡延遲控制在2毫秒以內。
現在的問題是,既然現實互聯網中的網絡質量損傷無法避免,我們能否在測試網絡環境中去模擬真實的網絡環境?模擬在特定網絡質量模型下,來驗證對上層應用的影響如何?

答案是使用網絡損傷仿真器,也稱網絡損傷儀。它可以在實驗室網絡中精確地仿真真實的網絡損傷狀況,用於在部署之前測試和驗證網絡中的產品、應用和服務。網絡損傷儀對於描述和驗證真實環境的性能及終端用戶質量體驗是必不可少的。它可以爲實現高質量的網絡應用、災難恢復、數據中心遷移和多媒體業務的測試提供有力保證。

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