CN103516508A - 一种单向和双向时延抖动测量中修正时钟漂移的方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种修正时钟漂移偏差的方法及系统，用于单向和双向时延抖动测量中获得准确的时延抖动，包括，获得时延抖动测量的n组原始数据样本(i,d_i)，其中，i=1,2,…,n，i为测量次数，d_i为时延；对n组原始数据样本，用最小二乘法进行线性拟合，得到线性方程y=a+bx，将所述n组原始数据样本的测量次数i代入该线性方程y=a+bx，则得到每次测量的时钟漂移偏差的拟合结果y_i=a+bi；将所述n组原始数据样本的时延d_i减去时钟漂移偏差y_i，得到修正后的测量结果作为时延抖动值：D_i=d_i-y_i，（i=1,2,…,n）；根据时延抖动D_i作出折线图，反应时延抖动随时间的变化。

Description

一种单向和双向时延抖动测量中修正时钟漂移的方法及系统

技术领域

本发明涉及计算机网络测量领域，特别涉及时延抖动测量技术中修正时钟漂移的方法及系统。

背景技术

随着互联网技术和网络应用服务的迅猛发展，用户对网络资源的需求空前增加，而网络也随之变得越来越复杂。不断增加的网络用户和应用会导致网络流量负担沉重，网络设备超负荷运转，从而造成网络性能下降。因此需要对网络的性能指标进行提取与分析，并根据分析的结果改善和提高网络的性能。网络性能测量便应运而生。发现网络瓶颈，优化网络配置，并进一步发现网络中可能存在的危险，更加有效地对网络性能进行管理，提供对网络应用服务质量的验证和控制，对服务提供商的服务质量指标进行量化、比较和验证，是网络性能测量的主要目的。

网络性能测量的主要内容包括时延、抖动、丢包率、吞吐量等的测量，同时可以分析网络的可用性、可靠性、稳定性和有效性。这有助于对特性网络进行维护管理，保障服务质量；还可以预报网络性能，每隔一定的时间间隔周期性地监视网络性能,通过数值模型预测下一时间段的吞吐量、时延等。国际标准化组织IETF IPPM（IP Performance Metrics，网络性能度量指标）工作组专门针对网络性能测量所涉及的指标规定了相关的建议和草案，定义了网络性能测量的基本框架，并规范了性能指标所必须遵循的标准，主要的指标包括时延、抖动、丢包率，以及链路的吞吐量和带宽、网络拓扑等。

在复杂的网络中，从源地址到目的地址通常与同一个目的地址到源地址的网络性能是不同的，称为“非对称网络”。原始的RT（Round-Trip，往返）测量并不能反应出不同方向的网络性能。因此，IETF IPPM工作组又制定了若干单向和双向的网络性能测量相关的RFC。

目前的单向和双向的网络性能测量技术中，使用最广泛的是TWAMP（双向主动测量协议）与UDP jitter（UDP抖动）以及OWAMP（单向主动测量协议）。TWAMP与UDP jitter进行时延抖动测量的基本原理是一样的，OWAMP的原理也类似。

在进行时延抖动测量时，TWAMP与UDP jitter会以固定的时间间隔进行多次测量。每一次测量，会获得4个时间戳数据（附图1）：S端（源端）发送测量数据包的时间戳T₁；D端（目的端）接收到该测量数据包的时间戳T₂；D端发送响应数据包的时间戳T₃；S端接收到该响应数据包的时间戳T₄。然后，就可以得到两个方向的时延：SD方向时延(T₂-T₁)；DS方向时延(T₄-T₃)。OWAMP的原理类似，区别是只进行一个方向的发包测量，只获得一个方向的数据：(T₄-T₃)或者(T₂-T₁)中的一项。

以固定的时间间隔进行n次测量，就可以获得一个方向上的多个时延值d_i(i=1,2,…,n)。d_i为第i个原始时延测量值，简称为“原始时延测量值”或“原始时延”。

目前的做法是对这些时延值求得算术平均作为最终测得的时延值。然后计算出时延抖动 $(d_i-\stackrel{\‾}{d}),(i=\mathrm{1,2},\·\·\·,n).$

在单向和双向时延抖动测量中，因为时间戳T₁和T₄是由S端获得的，而时间戳T₂和T₃是由D端获得的。这就涉及了两个不同时钟源，会有时钟同步和时钟漂移的问题。

1）时钟同步的影响

这里的时钟同步是指利用GPS、NTP和PTP等技术进行的时钟同步过程，就是将两个时间不一样的时钟，以其中一个时钟为基准，将另一个时钟的时间设置为与其一样。

对于单向和双向时延抖动的测量（只测量时延抖动，不需要测量时延），是否先时钟同步后再进行测量对测量结果没有影响，分析以SD方向为例：

没有进行时钟同步，则设D端时钟的时间相对于S端的偏差为x（x为正表示D端时钟的时间比S端快，x为负表示D端时钟的时间比S端慢）。原来的两个时间戳T₁和T₂，就变成了测得t₁＝T₁和t₂＝T₂+x（以S端为基准）。所得时延变成d_i′＝(t₂-t₁)＝(T₂-T₁)+x＝d_i+x，那么计算出的平均时延就变成 $\stackrel{\‾}{d^{\′}}=\stackrel{\‾}{d}+x.$ 最后得到的时延抖动为 $d_i^{\′}-\stackrel{\‾}{d^{\′}}=(d_i+x)-(\stackrel{\‾}{d}+x)=d_i-\stackrel{\‾}{d},$ 这与时钟同步后的标准时延抖动测量值一致。据此可以推断，时延测量的常数偏差不影响时延抖动的测量结果。

2）时钟漂移的影响

因为晶振有一定的精度，其实际频率与理想的标准频率之间存在一定偏差，这就会导致时钟逐渐偏离标准时间。时间漂移的程度通常用漂移率（driftrate）来描述，即该时钟每单位时间偏离标准时间的多少。

晶振时钟有着相对稳定的漂移率。如果时钟的漂移率为正值，那么说明本地时钟比标准时钟运行得快；如果时钟的漂移率为负值，则本地时钟比标准时钟运行得慢。

设本地时钟的时间为t，标准时间为T，则漂移率

若在某时刻，本地时钟的时间为t₀，标准时钟的时间为T₀，则对任意标准时刻T，本地时间为t＝t₀+(ρ+1)(T-T₀)。

回到单向和双向时延抖动测量的讨论中，因为之前已经说明了时钟同步没有影响，不妨设在标准时间T₀时S端和D端的时间都是t₀，另外S端的漂移率为ρ₁，D端的漂移率为ρ₂。则对于任意标准时间T，S端的时间为t₁＝t₀+(ρ₁+1)(T-T₀)，D端的时间为t₂＝t₀+(ρ₂+1)(T-T₀)。进一步分析以SD方向为例：

原来标准时钟测得的两个时间戳T₁和T₂，在考虑时钟漂移的情况下就变成了分别测得时间戳t₁＝t₀+(ρ₁+1)(T₁-T₀)和t₂＝t₀+(ρ₂+1)(T₂-T₀)。计算得到时延d_i′＝(t₂-t₁)＝(ρ₂+1)T₂-(ρ₁+1)T₁-(ρ₂-ρ₁)T₀＝(ρ₂+1)(T₂-T₁)+(ρ₂-ρ₁)(T₁-T₀)。可以看出(ρ₂+1)(T₂-T₁)＝(ρ₂+1)d_i就是在D端用本地时钟测量标准时钟的(T₂-T₁)＝d_i时间间隔所得到的结果，其误差非常小，也是任何用本地时钟进行时间测量所无法避免的。而(ρ₂-ρ₁)(T₁-T₀)会随着每次的测量数据包发送时间T₁而线性偏移的部分。因为测量数据包是以固定时间间隔（设为w）发送的，因此第i次测量的T₁-T₀＝iw+C（其中的C为固定常数）。最后整理得到d_i′＝(ρ₂+1)d_i+(ρ₂-ρ₁)(iw+C)。

所以在时钟漂移的影响下，时延的测量会有(ρ₂-ρ₁)(iw+C)这样一个线性偏差（其中(ρ₂-ρ₁)C部分是常数，不影响时延抖动的测量）。附表1是某次TWAMP测量的单个方向上的数据，可以看到其时钟漂移引起的线性偏差非常明显。对于这样的数据，再求算术平均，计算差值就根本无法体现时延的抖动，很大程度上体现的是时钟漂移引起的线性偏差。

综合上述分析可以发现：用传统的时延抖动测量技术，仅仅是对原始时延测量结果d_i，处理为

作为时延抖动输出。在时钟漂移的影响下，传统时延抖动测量方法会得到错误的测量结果，这会导致测量人员对网络质量的错误判断，进一步会造成错误的网络管理与控制策略，使得网络性能进一步恶化。

发明内容

为了解决上述问题，本发明的目的在于提出一种修正时钟漂移偏差的方法，在单向和双向时延抖动测量中，针对时钟漂移所带来的偏差所产生的影响，使得在时钟漂移率大或测量时间持续很长的情况下仍然可以较为准确地测量时延抖动。

具体地讲，本发明公开一种修正时钟漂移偏差的方法，用于单向和双向时延抖动测量中获得准确的时延抖动，包括如下步骤：

步骤1，获得源端和目的端的时延抖动测量n组原始数据样本(i,d_i)，其中，i=1,2,…,n，i为测量次数，d_i为时延；

步骤2，对n组原始数据样本，用最小二乘法进行线性拟合，

$b=\frac{{\mathrm{\Σid}}_i-\frac{1}{n}\mathrm{\Σi\Σ}{d}_i}{\mathrm{\Σ}{i}^2-\frac{1}{n}{\left(\mathrm{\Σi}\right)}^2}$

$a=\frac{\mathrm{\Σ}{d}_i}{n}-\frac{\mathrm{b\Σi}}{n}$

得到线性方程y=a+bx，其中，b为直线斜率，b＝(ρ₂-ρ₁)w，w为测量数据包发送的时间间隔，ρ₁为源端时钟漂移率，ρ₂为目的端时钟漂移率，a意义无关紧要；

步骤3，将所述n组原始数据样本的测量次数i代入该线性方程y=a+bx，则得到每次测量的时钟漂移偏差的拟合结果y_i=a+bi；

步骤4，将所述n组原始数据样本的时延d_i减去时钟漂移偏差y_i，得到修正后的测量结果作为时延抖动值：D_i=d_i-y_i，（i=1,2,…,n）；

步骤5，根据时延抖动D_i作出折线图，反应时延抖动随时间的变化。

所述的修正时钟漂移偏差的方法，还包括步骤6，通过统计每个时间小区间上的时延抖动样本数量，可以作出CDF，反应时延抖动的概率分布。

本发明还公开一种修正时钟漂移偏差的系统，用于单向和双向时延抖动测量中获得准确的时延抖动，包括如下模块：

数据获得模块，用于获得源端和目的端的时延抖动测量n组原始数据样本(i,d_i)，其中，i=1,2,…,n，i为测量次数，d_i为时延；

拟合模块，用于对n组原始数据样本，用最小二乘法进行线性拟合，

$b=\frac{{\mathrm{\Σid}}_i-\frac{1}{n}\mathrm{\Σi\Σ}{d}_i}{\mathrm{\Σ}{i}^2-\frac{1}{n}{\left(\mathrm{\Σi}\right)}^2}$

$a=\frac{\mathrm{\Σ}{d}_i}{n}-\frac{\mathrm{b\Σi}}{n}$

得到线性方程y=a+bx，其中，b为直线斜率，b＝(ρ₂-ρ₁)w，w为测量数据包发送的时间间隔，ρ₁为源端时钟漂移率，ρ₂为目的端时钟漂移率，a意义无关紧要；

计算模块，用于将所述n组原始数据样本的测量次数i代入该线性方程y=a+bx，则得到每次测量的时钟漂移偏差的拟合结果y_i=a+bi；

修正模块，用于将所述n组原始数据样本的时延d_i减去时钟漂移偏差y_i，得到修正后的测量结果作为时延抖动值：D_i=d_i-y_i，（i=1,2,…,n）；

作图模块，用于根据时延抖动D_i作出折线图，反应时延抖动随时间的变化。

所述的修正时钟漂移偏差的系统，还包括统计概率分布模块，用于通过统计每个时间小区间上的时延抖动样本数量，作出CDF，反应时延抖动的概率分布。

本发明能修正时钟漂移的偏差，得到正确的时延抖动测量结果，避免了对测量人员的误导，使时延抖动测量发挥其真正的意义。本发明根据时钟漂移的数学模型，采用最小二乘法进行线性拟合，再根据拟合结果修正测量结果，从而得到准确的时延抖动。而且，使用本方法进行时延抖动测量时，不需要进行时钟同步。本发明对原始时延测量结果d_i，拟合出时钟漂移偏差y_i，得到修正的结果D_i＝d_i-y_i（因为无需进行

的处理操作）。此外，根据修正后的数据，得到其CDF（积累分布函数），以更直观的方式表示时延抖动的概率分布。

附图说明

图1为双向时延抖动测量原理；

图2为用最小二乘法进行线性拟合；

图3为修正时钟漂移后的时延抖动测量结果；

图4为修正时钟漂移后的时延抖动CDF。

具体实施方式

本发明方法分以下四步：

1）时延抖动测量和原始数据获得

首先根据测量任务要求，调用已有的OWAMP、TWAMP或UDP jitter测量工具。对于测量所得的数据，不再用传统的处理方法进行处理，而是直接获得n组原始数据样本(i,d_i)，（i=1,2,…,n），附表1为某次TWAMP测量的单个方向上的数据，即d_i的值，原始时延测量值。

附表1

2）用最小二乘法进行线性拟合（附图2）

依据时钟漂移的数学模型，对n组原始数据样本(1,d₁),(2,d₂),…,(n,d_n)，用最小二乘法进行线性拟合，就可以得到线性方程y=a+bx。其中b为直线斜率，其值就是(ρ₂-ρ₁)w；a的意义无关紧要，因为常数偏差不影响时延抖动的测量结果。

根据最小二乘法，a与b的计算方法如下：

$b=\frac{{\mathrm{\Σid}}_i-\frac{1}{n}\mathrm{\Σi\Σ}{d}_i}{\mathrm{\Σ}{i}^2-\frac{1}{n}{\left(\mathrm{\Σi}\right)}^2}$

$a=\frac{\mathrm{\Σ}{d}_i}{n}-\frac{\mathrm{b\Σi}}{n}$

图2为用最小二乘法进行线性拟合，可见，时钟漂移偏差为关于测量次数的一直线，横坐标为测量次数x，纵坐标为时钟漂移偏差y。

图2是根据表2中的数据得到的一线性方程：y=0.245113x+0.638579。

附表2

3）数据修正

将n组原始数据样本的测量次数i分别代入上述线性方程y=a+bx，得到每次测量的时钟漂移偏差的拟合结果y_i=a+bi。在此基础上对原始测量结果进行修正，得到修正后的测量结果D_i＝d_i-y_i，（i=1,2,…,n）。参见附表2，列出修正时钟漂移后的50次时延抖动测量结果修正数据，即D_i的值。其中，时延抖动是描述时延的变化的，正表示比作为参考的时延多（时间长，速度慢），负表示比作为参考的时延少（时间短，速度快），这里作为参考的时延就是时延的算术平均值。

4）进一步分析处理（图3和图4）

若是在传统时延抖动的测量中，对于得到的多个时延值D_i（i=1,2,…,n），应该对这些时延值求算术平均

最终得到每次的时延抖动

但是在这里，可以发现：对于进行修正后得到的D_i，其算术平均

一定为0。那么就不需要再对数据进行

处理了，修正后的测量结果D_i就是时延抖动值。

上述结论用公式验证如下：

已知D_i=d_i-y_i

则 $\stackrel{\‾}{D}=\stackrel{\‾}{d}-\stackrel{\‾}{y}=\frac{\mathrm{\Σ}{d}_i}{n}-\frac{\mathrm{\Σ}{y}_i}{n}$

将y_i=a+bi代入上式，

整理后，得到： $\stackrel{\‾}{D}=\stackrel{\‾}{d}-(a+b\stackrel{\‾}{i})$

将 $a=\frac{\mathrm{\Σ}{d}_i}{n}-\frac{\mathrm{b\Σi}}{n}=\stackrel{\‾}{d}-b\stackrel{\‾}{i}$ 代入上式，

整理后得到：

因此，可知修正后的测量结果D_i就是时延抖动值，根据时延抖动D_i作出折线图，反应时延抖动随时间的变化。图3为修正时钟漂移后的时延抖动测量结果，从图3中可以看到时延抖动随时间的变化。时延抖动值在x轴上方则表示该次时延大于平均时延，在x轴下方则表示该次时延小于平均时延；若有一段时间的时延抖动值持续在x轴上方，则说明这段时间网络质量较差；若有一段时间的时延抖动值持续在x轴下方，则说明这段时间网络质量较好；若一段时间的时延抖动值在x轴上方和下方波动，则说明这段时间网络不稳定。

另外，通过统计每个0.01毫秒长度的小区间上的时延抖动样本数量，可以作出CDF，反应时延抖动的概率分布。图4为修正时钟漂移后的时延抖动CDF。从图4中可以直观地看到时延抖动的概率分布情况。若CDF陡峭，则表示这段时间网络相对稳定，网络质量较好；若CDF平坦，则表示这段时间网络相对不稳定，可能存在拥塞或网络攻击等。

本发明还公开了一种修正时钟漂移偏差的系统，用于单向和双向时延抖动测量中获得准确的时延抖动，包括如下模块：

数据获得模块，用于获得源端和目的端的时延抖动测量n组原始数据样本(i,d_i)，其中，i=1,2,…,n，i为测量次数，d_i为时延；

拟合模块，用于对n组原始数据样本，用最小二乘法进行线性拟合，

$b=\frac{{\mathrm{\Σid}}_i-\frac{1}{n}\mathrm{\Σi\Σ}{d}_i}{\mathrm{\Σ}{i}^2-\frac{1}{n}{\left(\mathrm{\Σi}\right)}^2}$

$a=\frac{\mathrm{\Σ}{d}_i}{n}-\frac{\mathrm{b\Σi}}{n}$

得到线性方程y=a+bx，其中，b为直线斜率，b＝(ρ₂-ρ₁)w，w为测量数据包发送的时间间隔，ρ₁为源端时钟漂移率，ρ₂为目的端时钟漂移率，a意义无关紧要；

计算模块，用于将所述n组原始数据样本的测量次数i带入该线性方程y=a+bx，则得到每次测量的时钟漂移偏差的拟合结果y_i=a+bi；

修正模块，用于将所述n组原始数据样本的时延d_i减去时钟漂移偏差y_i，得到修正后的测量结果作为时延抖动值：D_i=d_i-y_i，（i=1,2,…,n）；

作图模块，用于根据时延抖动D_i作出折线图，反应时延抖动随时间的变化。

所述的修正时钟漂移偏差的系统，还包括统计概率分布模块，用于通过统计每个时间小区间上的时延抖动样本数量，作出CDF，反应时延抖动的概率分布。

Claims (4)

1.一种修正时钟漂移偏差的方法，用于单向和双向时延抖动测量中获得准确的时延抖动，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1，获得源端和目的端的时延抖动测量n组原始数据样本(i,d_i)，其中，i=1,2,…,n，i为测量次数，d_i为时延；

步骤2，对n组原始数据样本，用最小二乘法进行线性拟合，

$b=\frac{{\mathrm{\Σid}}_i-\frac{1}{n}\mathrm{\Σi\Σ}{d}_i}{\mathrm{\Σ}{i}^2-\frac{1}{n}{\left(\mathrm{\Σi}\right)}^2}$

$a=\frac{\mathrm{\Σ}{d}_i}{n}-\frac{\mathrm{b\Σi}}{n}$

得到线性方程y=a+bx，其中，b为直线斜率，b＝(ρ₂-ρ₁)w，w为测量数据包发送的时间间隔，ρ₁为源端时钟漂移率，ρ₂为目的端时钟漂移率，a意义无关紧要；

步骤3，将所述n组原始数据样本的测量次数i带入该线性方程y=a+bx，则得到每次测量的时钟漂移偏差的拟合结果y_i=a+bi；

步骤4，将所述n组原始数据样本的时延d_i减去时钟漂移偏差y_i，得到修正后的测量结果作为时延抖动值：D_i=d_i-y_i，（i=1,2,…,n）；

步骤5，根据时延抖动D_i作出折线图，反应时延抖动随时间的变化。

2.如权利要求1所述的修正时钟漂移偏差的方法，其特征在于，还包括步骤6，通过统计每个时间小区间上的时延抖动样本数量，可以作出CDF，反应时延抖动的概率分布。

3.一种修正时钟漂移偏差的系统，用于单向和双向时延抖动测量中获得准确的时延抖动，其特征在于，包括如下模块：

数据获得模块，用于获得源端和目的端的时延抖动测量n组原始数据样本(i,d_i)，其中，i=1,2,…,n，i为测量次数，d_i为时延；

拟合模块，用于对n组原始数据样本，用最小二乘法进行线性拟合，

$b=\frac{{\mathrm{\Σid}}_i-\frac{1}{n}\mathrm{\Σi\Σ}{d}_i}{\mathrm{\Σ}{i}^2-\frac{1}{n}{\left(\mathrm{\Σi}\right)}^2}$

$a=\frac{\mathrm{\Σ}{d}_i}{n}-\frac{\mathrm{b\Σi}}{n}$

得到线性方程y=a+bx，其中，b为直线斜率，b＝(ρ₂-ρ₁)w，w为测量数据包发送的时间间隔，ρ₁为源端时钟漂移率，ρ₂为目的端时钟漂移率，a意义无关紧要；

计算模块，用于将所述n组原始数据样本带入该线性方程y=a+bx，则得到每次测量的时钟漂移偏差的拟合结果y_i=a+b_i；

修正模块，用于将所述n组原始数据样本d_i减去时钟漂移偏差y_i，得到修正后的测量结果作为时延抖动值：D_i=d_i-y_i，（i=1,2,…,n）；

作图模块，用于根据时延抖动D_i作出折线图，反应时延抖动随时间的变化。

4.如权利要求3所述的修正时钟漂移偏差的系统，其特征在于，还包括统计概率分布模块，用于通过统计每个时间小区间上的时延抖动样本数量，作出CDF，反应时延抖动的概率分布。

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