CN109997336A - 用于按需确定数据网络中的渡越时间的测量方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于运行数据网络的方法，在所述数据网络中设有网络设备，这些网络设备通过数据连接交换数据包，其中运行一种机制，以便确定各网络设备之间的至少一个端到端延迟，其特征在于，作为机制从一个网络设备向至少另一网络设备发送触发包并且借助时间戳来确定触发包何时到达了所述至少另一网络设备。

Description

用于按需确定数据网络中的渡越时间的测量方法
技术领域
本发明涉及一种根据权利要求1前序部分特征的、用于运行数据网络的方法，在所述数据网络中设有网络设备，这些网络设备通过数据连接交换数据包，其中运行一种机制，以便确定各网络设备之间的至少一个端到端延迟。
背景技术
在许多网络、尤其是数据网络中，存在用于能确定设备(也称为网络设备)之间的端到端延迟和/或能抽检式地确定网络中设备的可达性的机制(如ping或traceroute)。
对于具有实时能力的网络，在其中在延迟和确定性方面存在高要求(尤其是那些根据“TDMA”时隙方法运行的网络)，还需要其他的机制和方法，以便能更精确地进行延迟测量并确定数据包何时被接收、发送或转发。这能实现可靠的调试和监视、如检查数据包是否“满足”在时隙方法范围中配设给其的时隙。
发明内容
本发明所基于的任务在于在确定延迟时间方面改进用于运行数据网络的方法并避免开头提到的缺点。
所述任务通过权利要求1的特征来解决。
根据本发明规定，作为机制从一个网络设备向至少另一网络设备发送触发包并且借助时间戳来确定触发包何时到达了所述至少另一网络设备。在第一种实施方式中，触发包附加于在数据网络中通过有线和/或无线数据连接交换的数据包由一个网络设备发出并由至少另一、例如多个、优选所有网络设备接收。当触发包被至少一个网络设备接收时，记录时间戳，借助该时间戳来确定触发包何时到达相应网络设备。从时间戳可确定触发包从网络设备到网络设备所需的时间进程。从该时间进程可确定各网络设备之间的端到端延迟。在另一种实施方式中，不发送附加的触发包，而是将数据包本身用作触发包。当这种数据包被至少一个网络设备接收时，记录时间戳，借助该时间戳来确定数据包何时到达相应网络设备。从时间戳可确定数据包从网络设备到网络设备所需的时间进程。从该时间进程可通过使用数据包——其与第一种实施方式相比不需要附加的触发包，因为数据包本身用作触发包——来确定各网络设备之间的端到端延迟。
在本发明的一种扩展方案中规定，除了在接收到包时确定(生成)的时间戳之外，也在发送包的时刻确定(查明)时间戳，该时间戳可与在同一网络设备中在包的接收时刻已确定的时间戳一起用于查明所述包在该网络设备中的停留时间。由于一个网络设备中的两个时间戳都参考同一网络设备的本地时钟，因此能够精确地确定停留时间。该信息在确定包延迟传送的原因时可能是非常有价值的。
在本发明的一种扩展方案中规定，在所述至少另一设备中确定的时间戳作为部分数据包被插入触发包中并被转发。因此，为接收触发包的每个网络设备提供一个或多个在已经发送了该触发包的所述至少一个网络设备中确定的时间戳。当接收该触发包的网络设备确定接收时，该网络设备查明该时刻并确定时间戳，这一时间戳又作为部分数据包被插入接收到的触发包中并且该网络设备转发添加了自己的时间戳的触发包。在转发时也可查明一个时间戳并将其插入传输中的触发包中。可进行到单个网络设备、一组网络设备或相应数据网络的所有网络设备的转发。
替代或补充将时间戳作为部分数据包插入触发包中，在本发明的一种扩展方案中规定，在所述至少另一网络设备中确定的时间戳存储在该网络设备上并被提供用于其它网络设备和/或网络管理站(网络管理系统)。除了将相应网络设备的时间戳插入触发包之外，在相应网络设备中确定的时间戳也或者仅存储在该网络设备上，使得其在本地可用并且能够被查询。该查询可通过另一网络设备和/或网络管理站对生成并存储了确定的时间戳的网络设备的相应请求来进行。在插入时间戳时可设想，触发包具有特定长度并且该长度通过插入时间戳增大。作为替代方案可设想，在触发包中为插入时间戳预留空间，使得时间戳的插入不改变触发包的长度。
在本发明的扩展方案中，为已在相应网络设备上确定的时间戳配设确定该时间戳的网络设备的其它数据。这可以是元信息、如设备标识符、MAC地址、网络设备的类型等。
在本发明的扩展方案中，从相应网络设备的时间戳确定触发包通过参与的数据连接的数据转发的时间进程。触发包的使用独立于数据网络中的网络设备之间通过数据连接的其余数据交换具有以下优点：数据交换不渡越时间戳的确定和转发而延迟。触发包独立于在网络设备之间交换的其余数据包被发送、接收和转发。为了能够确定端到端延迟，观察在所参与网络设备中确定的时间戳，从而可由其确定触发包从发送的网络设备到最后接收该触发包的网络设备的传输持续时间。在发送触发包的网络设备和最后接收该触发包的网络设备之间(应确定这两个网络设备之间的端到端延迟)可不设置另外的网络设备或也可设置至少另一网络设备(在实践中为多个网络设备)。
根据本发明的方法因此可实现端到端延迟查明。替代或附加地，这也提供了明显更高的粒度或时间分辨率，因为借助根据本发明的方法也能确定任何部分路径直至网络的传输介质的各个路径分段的延迟。这是可能的，因为各个网络设备的接收和发送时间戳被收集并且没有被累加为一个值。术语“粒度”应理解为精确查明触发包的渡越时间，该渡越时间需要用于将触发包从可任意选择的起点传输至同样可任意选择的终点。该渡越时间尤其是取决于触发包何时到达网络设备(这借助时间戳生成)以及触发包何时从该网络设备再次被发出(这同样借助时间戳生成)。触发包到达网络设备和该触发包被发出之间的时间间隔取决于同样由该网络设备接收、处理(或仅转发)和发送的至少一个数据包的处理时间。为了尽可能精确地查明渡越时间(延迟时间)，有利的是，触发包和数据包的到达时刻重合以及独立于此触发包和数据包的发送时刻重合。这意味着，触发包的到达时间戳和触发包的发送时间戳是至少一个数据包在网络设备中处理(或仅转发)所需时间的量度。此外，还可查明相应触发包从一个网络设备发出直至到达另一接收该触发包的网络设备的渡越时间。由此可通过检测触发包从一个网络设备的发出直至下一网络设备的接收之间的时刻精确地确定触发包在网络设备之间的渡越时间，该渡越时间例如取决于电缆的类型和长度或取决于无线传输。该过程可在整个传输路径上或在其分段上重复任意次数，从而可随时确定在可预规定的部分路径或整个网络路径上的端到端延迟。
因此，根据本发明的方法可替代或补充地以四种不同的方式实施。
1.附加并独立于包含有效内容的数据包，触发包被发送到网络上并由网络设备接收。在接收时并且优选也在发送所接收的触发包时记录时间戳，该时间戳在触发包当前所在的网络设备上被插入到触发包中并被转发。当触发包到达另一网络设备时，在那里执行相同过程，从而更多的时间戳依次被插入到该触发包中。在此情况下触发包附加于数据包存在。
2.附加并独立于包含有效内容的数据包，触发包被发送到网络上并由网络设备接收。在接收时并且优选也在发送所接收的触发包时记录时间戳，该时间戳被存储在触发包当前所在的网络设备上。当触发包被再次发出并被另一网络设备接收时，执行相同过程。因此在此情况下时间戳不包含在触发包中，而是存储在相应的网络设备上并且可从那里被调用。这例如通过网络管理系统进行。在此情况下触发包附加于数据包存在。
3.代替附加的触发包，数据包用于传输记录的时间戳。这意味着，数据包在此情况下携带有效内容以及附加地关于其在网络设备上接收和/或发送的信息。在接收时并且优选也在发送所接收的数据包时记录时间戳，该时间戳在数据包当前所在的网络设备上被插入到数据包中并被转发。当数据包到达另一网络设备时，在那里执行相同过程，从而更多的时间戳依次被插入到该数据包中。在此情况下不存在触发包。换句话说，这意味着当用作触发包的数据包到达网络设备时记录时间戳和/或在发送用作触发包的数据包时记录时间戳并将时间戳插入数据包中。
4.同样代替附加的触发包，数据包用于确定渡越时间。但在相应网络设备上记录的时间戳并非插入数据包中，而是存储在刚刚记录它们的网络设备中。这具有以下优点：借助数据包可确定相应网络设备上的到达和/或发送时刻，而不必将该信息插入数据包中。这意味着时间戳可用，但数据包、更确切地说其有效内容保持不变，因此数据包可不变地被转发。但同时至少一个记录的时间戳在网络设备中可用并且又可由网络管理系统读取。换句话说，这意味着当用作触发包的数据包到达网络设备时记录时间戳和/或在发送用作触发包的数据包时记录时间戳并将时间戳存储在记录时间戳的网络设备上。
因此，本发明至少涉及端到端测量方面。但总的来说，并非只能进行从实际终点(或起点)到实际终点的测量，而也可实施用于确定测量路径分段延迟的方法，借助该方法可确定任何部分路径延迟并且最终能导出端到端延迟。这意味着，术语“端到端”不应被理解为例如线型拓扑中实际的第一网络设备和最后的网络设备，而是可定义任何路径分段，这些路径分段通过第一网络设备和最后一个网络设备确定，在其之间没有或设有至少一个或优选多个网络设备，从而可确定触发包在所述一个或所述其它网络设备之间的传输延迟。所述一个或所述其它网络设备可以、但并非必须是网络中实际的第一个和最后一个网络设备。因此理想并且优选的是，当触发包到达时在网络设备中记录时间戳并且当该触发包在其被处理(如存储)和/或接收到的数据包被处理(或转发)之后再次离开该网络设备时记录另一时间戳。从这些记录的时间戳可以非常高的精度确定网络的任何分段或整个网络上的渡越时间(延迟)，且同时考虑数据包在相应网络设备中的处理或转发时间以及在各个网络设备之间的传输介质(有线或无线)上的渡越时间。
在后一种情况下例如可这样配置网络设备，使得其将特定类型的或包含特定(部分)信息的数据包大致解释为触发器，从而在这种数据包到达时基于特定配置在网络设备上记录到达时间戳和/或发送时间戳。在一种简单配置中，所有到达的数据包被解释为一类触发器，其触发到达时间戳和/或发送时间戳的确定。根据网络设备的配置，第一类型的数据包可被解释为一类触发器，或者另一类型的数据包被过滤掉并且在没有记录时间戳的情况下被转发。例如具有特定VLAN优先级、特定目标MAC地址或类似物的这种数据包可被相应配置的网络设备视为一类触发器。
因此，在网络上传输这样的触发包，其优选针对网络中的至少一个网络设备或多个网络设备或每个网络设备包括触发包的到达时刻(接收时刻)和/或触发包的发出时刻(发送时刻)。这具有以下优点：与其并行的、同样在网络上传输并且例如由交换机转发的数据包不必记录关于时间戳的附加信息，而是仅不变地包含其有效信号内容。替代或附加地，当然也可在数据包中记录生成的时间戳，从而可累加在传输期间生成和收集的时间戳，以便能够基于此确定定义的端到端延迟。根据传输通过单播、多播还是广播进行，至少一个网络设备(或一组类似的网络设备)、多个不同类型的网络设备或网络中或网络分段中的所有网络设备被响应(ansprechen)。
上述根据本发明的方法可用于任何网络拓扑(如环型拓扑或线型拓扑)以及冗余情况。
附图说明
下面说明并参考附图阐述根据本发明的方法。附图如下：
图1示出线型拓扑中的网络，
图2示出具有触发包和用于通过网络管理系统进行访问的数据库的线路拓扑中的网络；
图3示出插入时间戳“Inline”(内嵌)并添加在网络管理系统的数据库中；
图4示出触发包的一种示例性结构；
图5示出故障情况下的触发包。
具体实施方式
图1详细示例性地示出线型拓扑中的网络。网络的实际起点由网络设备ED1并且网络的实际终点由网络设备ED2确定。在网络的该实际终点和实际起点之间设置任意数量的网络设备、如两个交换机SW1和SW2，它们通过适合的传输介质(例如通过电缆地，或例如通过无线电、红外线等无线地)彼此连接并且交换未详细示出的数据包。除了这些数据包之外，还传输触发包TP。在图1中通过在交换机左侧或网络设备左侧分别显示一个触发包表明：每当这种触发包到达相关网络设备的输入端时，就查明到达(接收)时刻，即生成时间戳。替代或附加地，也可查明触发包离开相应网络设备的时刻。为了实现渡越时间的尽可能高度精确的分辨或确定，既查明接收时间又查明发送时间。
图2示出具有触发包和用于通过网络管理系统进行访问的数据库的线型拓扑中的网络。根据图2的网络以如图1中所示网络的作用方式为基础，但不同之处在于：网络管理系统(NMS)与至少一个网络设备(在此示例中为交换机SW1)永久连接或暂时可用。网络管理系统当然也可与多于一个网络设备或网络中(与其拓扑无关)的所有网络设备永久连接或可连接。在检测到触发包之后，将触发包的到达时间戳和/或发出时间戳存储在相应网络设备的存储单元中(如数据库中，Mgmnt DB)。网络管理系统可访问该数据库并读取每个触发包到达或离开相应网络设备的时间戳并由其在结合其它网络设备的时间戳的情况下查明整个网络的端到端延迟(即从ED1到ED2)或网络的特定可自由选择的分段(如从ED1到SW2或从SW2到ED2)的延迟。
图3示出插入时间戳“Inline”(内嵌)并添加在网络管理系统的数据库中的情况。触发包的到达时刻在此以TSin表示并且触发包的发出时刻以TSout表示。这两个时刻和/或由其产生的时间间隔可由该网络设备(在此称为SWx，x＝1,2,3等)插入触发包中并进一步传输和/或存储在管理数据库Mgmnt DB中。从该数据库可读取所述时刻或时间间隔并用于延迟确定。在图3中的触发包结构中，该图本身使用了术语“触发帧”，在此术语“触发帧”和“触发包”原则上可理解为彼此同义。如果根据本发明的方法在第2层上实现，则可使用术语“触发帧”，而如果根据本发明的方法在第3层或以上实施，则可使用术语“触发包”。
图4示出触发包的一种示例性结构，在此可以看出，在触发包中不仅包含相应网络设备的到达和发出时间戳，而且其它数据(如元数据)也可选地包含在触发包中并被传输。该触发包中时间戳的数量取决于网络设备的数量、尤其是终端或中间连接设备、如交换机的数量。这种触发包可以、但并非必须包含实际的第一网络设备(在此为ED1)或实际的最后一个网络设备(在此为ED2)的数据，而是例如也可仅包含连接在这些终端之间的网络设备的数据。
图5基于如图4所示的触发包示出故障情况下的触发包，其具有相应网络设备中的相应到达和发出时刻的示例性时间说明。
作为用于确定两个设备之间的端到端延迟的示例可使用具有两个终端的线型拓扑(参见图1，其示出具有触发包的线型拓扑)。在此触发包TP由网络设备ED1发出并由另一网络设备ED2接收。在由网络设备ED2接收到触发包之后，可以下述方式确定端到端延迟：用触发包在网络设备ED2中的接收时刻减去触发包由网络设备ED1的发出时刻(参见图4，其示出触发包的结构)。由此得到网络设备ED1和ED2之间具体的端到端包渡越时间。与例如在根据IEEE 1588E2E TC的路径延迟测量中用于确定端到端延迟的方法不同，在本文所描述的方法中，触发包在转发路径(传输介质)上的相应网络设备上的发送和接收时刻单独存在。由此可在延迟查明中更精确地推断时间路径特性。此外，触发包可独立于由时间同步协议预规定的网络优先级在自由选择的网络优先级上被发送。因此可在不同优先级类别的转发中评估触发包的转发。
如果在上述示例中提到的触发包现在从网络设备ED1到网络设备ED2具有意外高延迟，则可基于本发明观察传输路径每个步骤上的各个延迟并由此精确地界定故障源。在图5中作为示例在网络设备SW2中存在故障。网络设备ED1和ED2之间查明的端到端延迟以670ns远远超出预期延迟。故障原因现在可被界定到网络设备SW2，因为例如可由网络管理系统精确地查明在网络设备SW2中430ns的停留时间并且该停留时间大大超过交换机中示例性假设的100ns正常停留时间。上述数值纯粹是示例性的而非限制性的。
附图中所示的元数据是示例性的包结构。
实施例中和一般提到的网络设备例如是所谓的终端(如个人计算机、传感器、致动器、工业控制装置等)，它们构成网络的实际起点或实际终点(例如在线型拓扑或在环型拓扑中)。设置在这些终端之间的那些网络设备通常用于数据包(包含有效信号内容)的实际分发或转发并且除了根据本发明设置的触发包之外不发送任何新的数据包到网络上或不改变转发的数据包的有效信号内容。
下面再换个方式说明本发明：
1.内嵌(inline)：发送“触发包”，其负责传输路径上的——支持在此所述方法的——各个设备、优选每个设备记录时间戳(如相应的接收和/或发送时间)并将测量值和可选的元信息(如设备ID和/或类似物)插入触发包中。由此完全记录各个转发路径、优选网络内的每个转发路径(包括支持该方法的终端)上的数据转发的时间进程。该记录可通过至少一个接收器(设备)处理或可被提供用于进一步处理(例如通过传送到管理系统或通过将包回传到测量的发起者)。
2.带外(out-of-band):与第一点的区别在于：测量值和元信息在相应设备上不直接插入包中，而是暂时存储在生成其的网络参与者上并且可用。所存储的值例如可通过管理系统的管理协议来查询。在方法的所述第二种变型中，现有时间同步协议(例如IEEE1588)的机制也可用作“触发包”并用于生成时间戳。
上述两种方法均可单独或组合使用。
其它一般信息：
-为了测量时间戳，网络中应存在尽可能精确的共同时基(如基于IEEE 1588)。
-为了实现尽可能精确的时间测量，用于生成时间戳的方法应具有极高的精度(例如理想情况下是硬件辅助的)。
-测量方法适用于单播、多播和广播。
-本发明的新颖之处在于：与现有方法(例如IEEE 1588)相比，在触发包中不进行总渡越时间的累加，而是在转发期间单独记录一个包的测量值并且这些测量值单独可用。这例如可查明在转发时由各个网络参与者引起的延迟量。此外，可由此在时隙方法中监控是否遵循各个包传输的时间规定值并诊断故障情况。
-在时隙方法范围中例如可基于预留时隙来进行所描述的测量。

Claims (8)

1.一种用于运行数据网络的方法，其中，在所述数据网络中设有网络设备，这些网络设备通过数据连接交换数据包，其中运行一种机制，以便确定各网络设备之间的至少一个端到端延迟，其特征在于，作为机制从一个网络设备向至少另一网络设备发送触发包并且借助时间戳来确定触发包何时到达了所述至少另一网络设备。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，除了在接收到触发包时生成的时间戳之外，也在发送触发包的时刻确定时间戳。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在所述至少另一网络设备中确定的时间戳作为部分数据包插入触发包中并转发。
4.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在所述至少另一网络设备中确定的时间戳存储在该网络设备上并为网络管理系统和/或其它网络设备提供。
5.根据前述权利要求之一所述的方法，其特征在于，为时间戳配设确定该时间戳的网络设备的其它数据。
6.根据前述权利要求之一所述的方法，其特征在于，从相应网络设备的时间戳确定触发包通过参与的数据连接的数据转发的时间进程。
7.根据前述权利要求之一所述的方法，其特征在于，在用作触发包的数据包到达网络设备时记录时间戳和/或在发送用作触发包的数据包时记录时间戳，并将时间戳存储在记录该时间戳的网络设备上。
8.根据前述权利要求之一所述的方法，其特征在于，在用作触发包的数据包到达网络设备时记录时间戳和/或在发送用作触发包的数据包时记录时间戳，并将时间戳插入数据包中。
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