网络损伤仿真，为5G应用保驾护航（信而泰原创文章）

5G，绝对是今年最热门的话题！2019年6月6日，工信部正式向中国电信、中国移动、中国联通、中国广电发放5G商用牌照，中国正式进入5G商用元年。5G不仅仅是一次通信技术的升级，更是开启了一个新的时代。5G的超高带宽、海量连接、低时延超可靠性等性能，将成为构建数字化社会的强大基础。

更高的网络传输速率可以使已经面世许久但因网速受限的AR/VR/超高清视频业务等技术被广泛推广和使用。

而5G技术海量连接的特点，是将网络业务无所不包，广泛存在。万物联网，万物皆可连接到网络，智能家居、智能路灯、智能机场等等，生活中所接触的任何事物皆可联网，实现智慧城市。

低延时也是5G技术的一个关键点，这使得5G可以完美的与TSN（时间敏感网络）相结合。TSN的主要目标是通过IEEE802（以太网）有线网络提供确定性服务，这意味低时延、低丢包率、有保证的数据包传输，而TSN标准可以广泛应用于许多垂直领域，例如工业物联网（IIoT）和工业4.0（包括像运动控制、移动机器人、AGV远程控制、甚至传统的工业过程自动化领域），及汽车以太网（汽车控制及自动驾驶）。

国家层面不断向运营商提倡的提速降费，加上快速推进的5G商用，其最终目的是为了提供一个高速率、低延时及高可靠性的网络基础设施，为基于工业以太网，工业物联网、汽车以太网、广域网、数据中心等网络基础之上的应用提供尽可能完美的网络服务质量，给用户提供一个完美的联网体验。

然而，世界是不可能完美无瑕的，互联网也不例外。全球互联互通的任意两个信息端点之间的通信，可能需要经过很多不同的物理环境、传输链路、传输设备和网络设备，总会有自然或意外的随机事件发生，从而导致破坏网络上传输的数据包。所以会给互联网上的各种应用带来非常不好的用户体验，尤其是是对网络质量要求非常高的音视频业务（VR/超高清视频/VOIP/视频会议/汽车360度全景导航等）及TSN（时间敏感网络）相关的上层应用业务。相信大家都有过手机观看高清视频出现卡顿的现象，尤其是实时直播高清视频。

据NIST(美国)国家标准与技术局研究统计，应用系统发布上线后， 80%的总成本仅用于寻找和发现问题中；另外根据知名咨询机构 Gartner 的研究，全球超过70%的应用部署都是失败的。

究其根本原因在于几乎所有网络设备测试及应用的开发测试都是在相对完美的实验室网络环境下完成的。如下图所示，被测设备及网络并非由复杂的物理环境、大量的传输链路、传输设备及网络设备组成，在该实验网络中具有比较好的时延、抖动、带宽及可靠性，上层应用的测试结果也会比较好（仅能代表测试网络环境中的结果）。

但是真实的互联网环境中，存在大量的导致网络质量损伤的因素，如下我们常见的损伤类型及原因：

丢包：网络设备软、硬件问题；线路传输质量差引起丢包；网络设备配置不合理导致丢包网络设计不合理导致丢包；网络冲突、广播泛滥造成的丢包；

时延：光纤长距离传输；网络设备转发处理需要时间；应用服务器处理时间；网络拥塞；

抖动：网络拥塞；负载均衡设备的部署；路由翻转；

乱序：网络拥塞；端口捆绑；路由翻转；

重复帧：网络环路；协议栈异常；

物理层损伤：色散或功率衰减、串扰及不确定的系统噪声、环境干扰等；

以上损伤类型作为专业术语，听起来可能有点费劲，阿信举一个快递运输的例子给大家解释下。快递是大家日常生活中经常接触的事情，一套完整的快递运输包含很多流程，如下图。

假设双十二期间你网购了10样东西，但是快递运输过程中丢了一件（简称“丢包”），明白我意思吧？然后运输过程中又遇到堵塞（此时就产生了运输“时延”，你收到货的时间会延后。由于时延的存在，那么你每次收到货的时间不一样，这种现象我们便称之为“抖动”），你以为倒霉的事这就完了？nonono，后来你发现你先下单的锅居然在后下单的调料到了之后才送达（也就是出现了“乱序”，此时你只能望着调料干捉急了），可能唯一值得庆幸的是，发货的店家给你重复发了两样物品（就是所谓的“重复帧”操作），但是打开包装才发现原来其中一件是坏的（可能是运输过程中出现碰撞，发生了“物理层损伤”）。是不是超级无语！！！

以上只是为了举例形象些，阿信胡编乱造的剧情哈，请不要太过脑补画面......哈哈哈。

而互联网中的大部分应用对网络质量的损伤是非常敏感的，如音视频流的传输：

l VOIP网络质量最低要求：丢包率小于8％，延时小于200ms，抖动正负不大于40ms；

l 4K高清视频对承载网端到端网络质量最低要求：带宽要大于50Mbps，往返时延（RTT）要小于20ms，丢包率PLR要小于10-5；

l 而VR业务起步阶段，需要80Mbps以上的带宽，网络延迟控制在20毫秒以内；舒适体验阶段需要260Mbps以上的带宽，网络延迟控制在15毫秒以内；理想体验阶段需要1.5Gbps以上带宽，网络延迟控制在2毫秒以内。

现在的问题是，既然现实互联网中的网络质量损伤无法避免，我们能否在测试网络环境中去模拟真实的网络环境？模拟在特定网络质量模型下，来验证对上层应用的影响如何？

答案是使用网络损伤仿真器，也称网络损伤仪。它可以在实验室网络中精确地仿真真实的网络损伤状况，用于在部署之前测试和验证网络中的产品、应用和服务。网络损伤仪对于描述和验证真实环境的性能及终端用户质量体验是必不可少的。它可以为实现高质量的网络应用、灾难恢复、数据中心迁移和多媒体业务的测试提供有力保证。下图为常见的网络损伤测试拓扑。

Xcompass-S系列网络损伤仪是信而泰推出的基于现场可编程门阵列（FPGA）的平台，可提供真实且可重复的网络损伤测试结果。具有带宽限制、延时/抖动、丢包、乱序、重复报文、物理链路损伤等典型损伤仿真功能，并可同时设立 8 类场景，每个损伤应用场景均可独立配置各类损伤，以验证在特定网络损伤模型下（如：特定的丢包率、特定的时延及抖动下）对上层应用业务的影响。