CN101547259A - 基于模拟数据流的VoIP测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于模拟数据流的VoIP测试方法，该方法是找出典型的VoIP应用业务的数据流特征，模型化相应特征，并依据此模型产生VoIP业务的模拟数据流，在此模拟数据流基础上，设计VoIP应用的评测方案，对其进行测试。本发明从网络协议分层的高层来认定VoIP业务的性能，将以往的服务质量类测试提升到网络中的应用层测试，并通过归纳总结此类应用业务本身在网络中传输的数据流特征，模拟出具有代表性的此类业务，从而提高了此类应用测试的代表性。

Description

基于模拟数据流的VoIP测试方法

技术领域

本发明涉及网络电话测试技术，具体地说是一种基于模拟数据流的VoIP(网络电话)测试方法，用于针对各种有线和无线接入网所提供VoIP性能分析，为各种网络接入设备提供一个与平台无关、针对网络中常见的语音应用的独立测试方法。

背景技术

信息时代的高速发展，使得人们工作、生活、学习、娱乐等等活动都与信息息息相关，各类崭新的应用也层出不穷，对信息传输的速率要求也越来越高。例如北京奥运会所提供的全高清数字直播信号速率就已经达到了国内空前的20Mbps左右。这类新兴技术的出现对现有的宽带接入技术提出了更高的要求。各信息服务提供商也在酝酿更高速的宽带接入方式来满足日益增长的下一代宽带市场需求，如光纤到户、B3G以及4G技术等。

各种新型接入方式的研发带来了一个新的问题，如何有效的测量各种接入技术所提供的语音业务支撑能力。具体的例子如：3G网络的LTE阶段，其数据接入业务能否有效支撑VoIP业务的需求？如何构建相关测试环境进行有效测试？由于此类问题直接关系到新型网络的优越性、实用性以及其重大革新意义的展现，因此相关工作已经是刻不容缓。

已有工作在新型网络环境下，存在一些方面先天不足，尤其是两点：1)测试多集中于网络的较低层次，如数据链路层，物理层等。相应的测试指标多为吞吐率(throughput)，丢包率(packet loss rate)以及延迟(delay)等等。这类参数的一大缺陷在于，同网络高层的应用性能并没有直接相关性。譬如带宽极大的网络并不见得可以提供足够小的延迟来支持VoIP业务。因此专门针对VoIP应用的测试显得尤其必要。2)现有的VoIP应用测试缺乏足够代表性，是基于特例的测试。

发明内容

本发明的目的是针对已有网络VoIP应用测试方案中存在的问题，提出一种基于VoIP应用数据流特征产生的模拟数据流的性能测试方法。该方法在对现有具有代表性的VoIP应用进行分析的基础上，归纳提取其业务的数据流特征，再基于已经获取的业务数据流特征，产生相应的VoIP应用的模拟数据流；产生的模拟数据流用来进行待测网络的网络应用性能测试，依据采用公认的评价标准，设计测试用例，选取测试参数，最终有效的评价待测网络在此应用下的性能。

本发明中所涉及的测试方法区别于已有测试方法，其从更高的网络层面来认定VoIP业务的性能，从常规的低层次的服务质量类测试提升到网络上的应用测试。此外还通过归纳总结此类应用业务，提高了此类应用测试的代表性。

本发明中需要解决的关键问题是，找出典型的VoIP应用业务的数据流特征，模型化相应特征，并依据此模型产生VoIP业务的模拟数据流。在此模拟数据流基础上，设计VoIP应用的评价方案，测试用例，选取测试参数，具体包括以下步骤：

a、依据VoIP业务流特征产生模拟数据流

①、设置VoIP业务流数据采集环境

该环境包括数据采集计算机、交换机、VoIP路由器及普通电话；其中VoIP路由器及普通电话至少两台；数据采集计算机连接交换机，VoIP路由器与交换机连接，普通电话与VoIP路由器连接。

②、采集VoIP业务流数据。

③、找出典型的VoIP业务流数据特征，模型化相应特征，并依据此模型产生VoIP业务的模拟数据流，具体特征如下：

i)、通过得到的数据样本，总结网络中的报文数据一共分为两类；一类语音数据(采用实时传输协议RTP)报文和另一类控制(采用实时控制协议RTCP)报文。控制(RTCP)报文是可选报文，用作发送流量状况的反馈，IPv4协议下统一为134字节，IPv6协议下统一为154字节；对以语音数据(RTP)报文长度相对音频编解码的不同和软件实现方式不同而略有不同，一般分为三种带宽的流量和对应的长度；对于ITU G.729的音频编码方式，IPv4协议下语音数据(RTP)报文语音报文长度为78字节，IPv6时为98字节；对于G.711音频编码方式，IPv4协议下语音数据(RTP)报文长度是134字节，IPv6时是154字节；skype的语音数据报文是140字节到240字节之间；

ii)、语音数据报文和控制报文各自所占到的比例为50：1；

iii)、语音数据报文和控制报文都使用的是用户数据报协议UDP传输，语音使用的是RTP传输协议，UDP之上包括12个字节的RTP头部和语音(G.729编码和G.721编码)数据，G.729编码中，每个数据帧包括两个语音数据块(block)，每个块是10个字节，加上语音数据(RTP)报文头部就组成了32字节的数据传输内容；G.721则是80字节的语音数据，加上RTP数据报文头部就组成了92字节的数据传输内容；这两者的控制报文使用RTCP协议，头部和内容包括28个字节的RTCP SR(发送方通告RTCP包)发送报告块，22字节的接受报告块，36个字节的RTCP SDES(资源描述RTCP包)，从而组成88字节的控制报文内容；对于Skype协议框架下的语音报文，语音和控制数据长度范围在94字节到194字节之间。

iv)、根据所得样本，得到VoIP业务中，报文呈现周期性的特性，每隔大约20ms就有一个语音数据报文从发送方发出，每隔1s中就有一个控制报文发出，不存在突发性的情况；对于Ekiga的语音电话软件，报文间隔符合11-27ms之间的正态分布，平均也是20ms左右，skype的间隔是33ms-37ms和4ms-7ms交替出现，即相隔33ms后发送一个语音报文，而后5ms后发送一个语音报文，再后就是32毫秒以后再周期性发送一个报文；

v)、VoIP的数据流呈现周期性的语音报文和控制报文的特性，VoIP业务的平均带宽相同，总结以上三个不同编码语音报文，带宽平均是50-60Kb/s，90-120Kbps两种情况；

vi)、上行方向和下行方向的流量特征相同，也就是每个方向的带宽是以上总带宽的一半，分别是25-30Kbps和45-60Kbps；

b、针对待测网络环境进行测试

测试在网络的应用层进行，采用G.107方案测试，得到评测所需的变量参数即端对端单向语音延迟参数—T_s。及端对端语言数据包丢包率—Ppl_s。

c、通过评测得出测试结果

采用国际电信联盟(ITU)G.107协议所推荐的评测方法，给出MOS分值。

所述端对端单向语音延迟参数测试方法包括：

①、初始化：依据VoIP模拟数据流特征设定数据格式、约定待测试的数据包的大小L、数据包的个数N，计数器n，sum清零。

②、源测试设备生成所有的待传输的数据包(按约定大小为基本单位。，接收方清空缓冲区。

③、源测试设备和目的测试设备进行时间同步，源测试设备开始发送数据。

④、从第60s开始，源测试设备为当前第一个待传输的数据包打上时戳t1。

⑤、如果n≦50，目的测试设备接收数据包并记录到达的时间t₂，n＝n+1，计算该数据包传输的时延t_d＝t₂-t₁，sum＝sum+t_d，返回⑤。

⑥、计算单向语音平均延迟参数＝sum/50。

所述端对端语言数据包丢包率的测试方法包括：

①、初始化：依据VoIP数据流特征设定需要传输的数据包的数目M、约定待测试的数据包的大小L，设定数据包计数器n，k。

②、发送方生成所有待传输的数据块，接收方清空缓冲区。

③、发送方和接收方时间同步。

④、发送方按照当前规定帧大小所对应的最大帧速开始发送数据。

⑤、接收方统计接收到的数据包数目n，计算丢包率L[k]＝(M-n)×100％/M。

⑥、如果丢包率≠0，k＝k+1，发送方按照(1-0.1×k)×当前最大帧速的速度发送数据，返回⑤。

国际电信联盟(ITU)将VoIP业务作为标准的电信业务种类来定位，有相应的ITU规范来进行性能评价，也就是G.107标准，这个方案中的部分内容还处于研究阶段，本发明在此基础上，结合ITU的G.1070标准，所采用的评测方法是：

第一步计算待测网络的VoIP业务得分，计算式如下：

Q＝93.193-Idte-Ie-eff

这里的Idte代表的是由于话筒回音造成的音质下降，其具体计算公式为：

$\mathrm{Idte}=[\frac{94.769-\mathrm{Re}}{2}+\sqrt{\frac{{(94.769-\mathrm{Re})}^2}{4}+100}-1](1-e^{-T_S})$

这里的

Re＝80+2.5(TERV-14)，其中的

$\mathrm{TERV}=\mathrm{TELR}-40\log \frac{1+\frac{T_S}{10}}{1+\frac{T_S}{150}}+6e^{-0.3{T_S}^2}$

Ie-eff代表的是由于语音压缩编码以及丢包所造成的损失，具体公式如下：

$\mathrm{Ie}-\mathrm{eff}={\mathrm{Ie}}_S+(95-{\mathrm{Ie}}_S)\×\frac{{\mathrm{Ppl}}_S}{{\mathrm{Ppl}}_S+{\mathrm{Bpl}}_S}$

通过以上公式算出Q值以后，我们可以依据Q值来推算MOS分，算法如下：

$S_q=\left\{\begin{array}{cc}1& \mathrm{For\; Q}<0\\ 1+0.035Q+Q(Q-60)(100-Q)7\&times;{10}^{-6}& \mathrm{For}0<Q<100\\ 4.5& \mathrm{For\; Q}>100\end{array}\right.$

上面式子中所涉及的参数TERV、Bpl_s和Ie_s都是和环境相关的常量，我们会根据实际场景给出具体值，而所要测量的变量主要就是两个。

端对端单向语音延迟参数——T_s。

端对端语言数据包丢包率——Ppl_s。

本发明从网络协议分层的高层来认定VoIP业务的性能，将以往的服务质量类测试提升到网络中的应用层测试，并通过归纳总结此类应用业务本身在网络中传输的数据流特征，模拟出具有代表性的此类业务，从而提高了此类应用测试的代表性。

附图说明

图1为本发明的流程示意图

图2为本发明具体构架和所处网络协议层面示意图

图3为VoIP业务流数据采集环境拓扑图

具体实施方式

参阅图3，本发明的VoIP业务流数据采集是在此环境下采集的，其中部件80为数据采集计算机，实际采用的是DELL Optiplex 755系列PC机；部件90为交换机，用于把报文通过镜像的方式截获到部件80数据采集计算机，实际采用的是锐捷S3550-12系列交换机；部件100和110是VoIP路由器，用于将电话信令和语音转化到H.323下转发给对应端点，实际采用的是锐捷RGNOS10路由器；部件120和130是普通电话机。

参阅图1，本发明测试过程由三部分构成：首先部件10负责依据已经得到的VoIP业务数据流特征，产生符合此特征的模拟数据流；部件20依据此模拟数据流在待测网络信道中进行测试，由此可以得到各个评测所需的参数；部件30依据已经得到的各个参数，依据给出的评测方法，得出最终的评价结果。而在实际测试中，部件10装载在测试发起计算机上，部件20则是在待测网络环境上，而部件30则在测试接收计算机上。

图1中模拟数据流生成部件10在进行模拟数据流的生成时，根据前文已经得到的VoIP数据流的特征，产生相应的模拟数据流。

图1中网络环境测试部件20则是测试的实际控制部件，其主要负责将部件10产生的模拟数据流发送到待测网络环境，并通过待测网络环境的实际运行，得到评价阶段所需的测试参数，主要是单向延时和丢包率。收集相关测试参数，提交给评测部件30。

图1中评测部件30负责接受从部件20发送过来的测试参数单向延时和丢包率，配合前文已述的评价方法，通过计算得到待测网络环境对VoIP业务的支撑能力。这个评价最终反映为MOS分形式。

参阅图2，该图对采用测试的具体构架和所处网络协议层面进行了描述，其中端测试设备为部件40和70，待测系统的两个接口端为部件50和60。

一次测试可以由端测试部件40发起，作为测试程序，观测点位于测试部件40的应用层，这样可以方便用户来观看测试结果。而测试数据则是通过实际的互联网底层进行传送的，传送的数据由部件50接收，然后部件50再依据其待测信道的传输方式，通过有线或无线传输的方式完成测试数据的传输，部件60接收到50送出的数据以后，再转发给另一侧的端测试部件70，部件70同样在应用层上可以进行观测，从而有效的获得最后的测试结果。

Claims (3)

1、一种基于模拟数据流的VoIP测试方法，其特征在于该方法包括以下具体步骤：

a、依据VoIP业务流特征产生模拟数据流

①、设置VoIP业务流数据流采集环境

该环境包括数据采集计算机、交换机、VoIP路由器及普通电话；其中VoIP路由器及普通电话至少两台；数据采集计算机连接交换机，VoIP路由器与交换机连接，普通电话与VoIP路由器连接；

②、采集VoIP业务流数据

③、找出典型的VoIP业务流数据特征，模型化相应特征，并依据此模型产生VoIP业务的模拟数据流，具体特征如下：

i)、通过得到的数据样本，总结网络中的报文数据一共分为两类；一类语音数据(采用实时传输协议RTP)报文和另一类控制(采用实时控制协议RTCP)报文；控制(RTCP)报文是可选报文，用作发送流量状况的反馈，IPv4协议下统一为134字节，IPv6协议下统一为154字节；一般分为三种带宽的流量和对应的长度；对于ITU G.729的音频编码方式，IPv4协议下语音数据(RTP)报文长度为78字节，IPv6时为98字节；对于G.711音频编码方式，IPv4协议下语音数据(RTP)报文长度是134字节，IPv6时是154字节；skype的语音数据报文是140字节到240字节之间；

ii)、语音数据报文和控制报文的比例为50∶1；

iii)、语音数据报文和控制报文都使用的是用户数据报协议UDP传输，语音使用的是RTP传输协议，UDP之上包括12个字节的RTP头部和语音的两个编码数据，分别为G.729编码和G.721编码，G.729编码中，每个数据帧包括两个语音数据块(block)，每个块是10个字节，加上语音数据(RTP)报文头部就组成了32字节的数据传输内容；G.721则是80字节的语音数据，加上RTP数据报文头部就组成了92字节的数据传输内容；这两者的控制报文使用RTCP协议，头部和内容包括28个字节的RTCP SR(发送方通告RTCP包)发送报告块，22字节的接受报告块，36个字节的RTCP SDES(资源描述RTCP包)，从而组成88字节的控制报文内容；对于Skype协议框架下的语音报文，语音和控制数据长度范围在94字节到194字节之间；

iv)、根据所得样本，得到VoIP业务中，报文呈现周期性的特性，每隔大约20ms就有一个语音数据报文从发送方发出，每隔1s中就有一个控制报文发出，不存在突发性的情况；对于Ekiga的语音电话软件，报文间隔符合11-27ms之间的正态分布，平均也是20ms左右，skype的间隔是33ms-37ms和4ms-7ms交替出现，即相隔33ms后发送一个语音报文，而后5ms后发送一个语音报文，再后就是32毫秒以后再周期性发送一个报文；

v)、VoIP的数据流呈现周期性的语音报文和控制报文的特性，VoIP业务的平均带宽相同，总结以上三个不同编码语音报文，带宽平均是50-60Kb/s，90-120Kbps两种情况；

vi)、上行方向和下行方向的流量特征相同，也就是每个方向的带宽是以上总带宽的一半，分别是25-30Kbps和45-60Kbps；

b、针对待测网络环境进行测试

测试在网络的应用层进行，采用G.107方案测试，得到评测所需的变量参数即端对端单向语音延迟参数—T_S，及端对端语言数据包丢包率—Ppl_s；

c、通过评测得出测试结果

采用国际电信联盟(ITU)G.107协议所推荐的评测方法，给出MOS分值。

2、根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述端对端单向语音延迟参数测试方法包括：

①、初始化：依据VoIP模拟数据流特征设定数据格式、约定待测试的数据包的大小L、数据包的个数N，计数器n，sum清零；

②、源测试设备生成所有的待传输的数据包(按约定大小为基本单位)，接收方清空缓冲区；

③、源测试设备和目的测试设备进行时间同步，源测试设备开始发送数据；

④、从第60s开始，源测试设备为当前第一个待传输的数据包打上时戳t₁；

⑤、如果n≦50，目的测试设备接收数据包并记录到达的时间t₂，n＝n+1，计算该数据包传输的时延t_d＝t₂-t₁，sum＝sum+t_d，返回⑤；

⑥、计算单向语音平均延迟参数＝sum/50。

3、根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述端对端语言数据包丢包率的测试方法包括：

①、初始化：依据VoIP数据流特征设定需要传输的数据包的数目M、约定待测试的数据包的大小L，设定数据包计数器n，k；

②、发送方生成所有待传输的数据块，接收方清空缓冲区；

③、发送方和接收方时间同步；

④、发送方按照当前规定帧大小所对应的最大帧速开始发送数据；

⑤、接收方统计接收到的数据包数目n，计算丢包率L[k]＝(M-n)×100％/M；

⑥、如果丢包率≠0，k＝k+1，发送方按照(1-0.1×k)×当前最大帧速的速度发送数据，返回⑤。

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