CN113347065A - 一种时间敏感网络中的流量调度测试装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种时间敏感网络中的流量调度测试装置及方法，该装置使用时间敏感网络测试拓扑方式进行连接设备组网，包括：3台Host主机分别为Host1、Host2、Host3，3台时间敏感网络交换机分别为时间敏感网络交换机1、时间敏感网络交换机2、时间敏感网络交换机3，Host1提供测试的背景流量和Host2提供测试的时间敏感网络流量分别经时间敏感网络交换机1和时间敏感网络交换机3，汇聚到时间敏感网络交换机2后输出至Host3，经Host3设有的流分析服务器进行接收流量分析。本发明能够有效的有效的简化时间敏感网络设备的重要指标测试和组网复杂度，提高对时间敏感网络设备的测试效率，通过简易的组网实现对时间敏感网络设备的协议的功能测试和性能指标验证。

Description

一种时间敏感网络中的流量调度测试装置及方法

技术领域

本发明涉及到工业控制系统的时间敏感网络技术领域，具体涉及一种时间敏感网络中的流量调度测试装置及方法。

背景技术

随着确定性网络技术的发展，面向新一代的确定性网络技术设备逐渐出现，对于确定性设备的市场化应用，需要经过前期完善的产品生命周期指标测试，目前国际上针对TSN相关的标准化协议已正式发布，部分协议仍在制定中，对于已经正式发布的标准协议中，其中比较重要的协议为IEEE802.1AS时钟同步协议和IEEE802.1Qbv流量调度协议，其中时钟同步机制通过节点间同步报文的发送、链路延迟的计算、时滞延迟的叠加最终实现各个节点与主时钟Grandmaster的时钟同步，主时钟会通过报文将自己的原始基准时间告知系统中的其它节点，为全局的设备提供精确的时钟尺度和计量标准。IEEE802.1Qbv流量调度协议是TSN里的核心协议，为时间敏感数据交换提供超低的延时及抖动的保证。

由于在时间敏感网络设备中，各个协议承担不同的功能，需要对单个协议进行指标测试和功能测试，同时各个协议之间是协同工作的，需要对时间敏感网络设备支持的协议进行联合组网测试和性能指标测试。

IEEE802.1AS时钟同步协议和IEEE802.1Qbv流量调度协议作为实现时间敏感性的关键技术，作为时间敏感网络设备支持的两种基本协议，但是这两种协议未形成成熟的测试组网方法，两种协议的组合测试和性能测试还停留在理论测试方面。

目前主流的时钟同步协议主要采用的是1588时钟同步协议的一步法和两步法，可以通过专业的时钟同步测试仪对设备的时钟精度进行测试，主要是通过将待测试设备模拟成主备时钟的方式捕获同步报文解析进行获取测试精度，目前的IEEE802.1Qbv流量调度协议还未形成组网测试方案。采用专业的时钟同步测试仪，不仅存在配置测试步骤复杂，还存在测试协议单一的问题，未能形成对两种协议的组合性能测试。

发明内容

为了解决现有技术中存在的上述技术问题，本发明提出了一种时间敏感网络中的流量调度测试装置及方法，实现对时间敏感网络设备的协议的功能测试和性能指标验证，其具体技术方案如下：

一种时间敏感网络中的流量调度测试装置，使用时间敏感网络测试拓扑方式进行连接设备组网，包括：3台Host主机分别为Host1、Host2、Host3，3台时间敏感网络交换机分别为时间敏感网络交换机1、时间敏感网络交换机2、时间敏感网络交换机3，所述Host1提供测试的背景流量和所述Host2提供测试的时间敏感网络流量分别经所述时间敏感网络交换机1和时间敏感网络交换机3，汇聚到所述时间敏感网络交换机2后输出至所述Host3，经所述Host3设有的流分析服务器进行接收流量分析。

进一步的，所述3台Host主机均默认安装ubuntu操作系统，操作系统中安装iperf、tcpdump、vlan模块，其中iperf为网络性能测试工具，用于测试最大TCP和UDP带宽性能，Tcpdump为网络抓包工具，用于从指定的网口抓取完整的数据包，vlan 用于配置端口的vlan属性，编辑vlan tag的优先级。

进一步的，3台时间敏感网络交换机均支持IEEE802.1AS时钟同步协议和IEEE802.1Qbv流量调度协议，其中，基于IEEE802.1AS时钟同步协议，定义有广义的精确时钟同步系统gPTP，应用于时间敏感的桥接分组交换局域网。

进一步的，所述广义的精确时钟同步系统gPTP的协议包含两种消息集，分别为事件消息集和一般消息集，所述事件消息集包括Sync同步报文消息、Follow_Up跟随报文消息和Pdelay_Resp延迟响应报文消息，共同用于使用延迟请求-响应机制生成和传送同步普通和边界时钟所需的定时信息；所述一般消息集包括Pdelay_Req延迟请求报文消息、Pdelay_Resp 延迟响应报文消息和 Follow_Up 跟随报文消息，共同用于测量实现对等延迟机制的两个时钟端口之间的链路延迟。

进一步的，所述时间敏感网络交换机有调度和整形两种服务质量保障机制，其中的调度是指队列调度，实现在交换机的出端口，包含进入队列、根据调度算法选择发送队列、出队传输三个部分；整形是指流量整形，通过限制端口的转发速率从而防止交换机内部或下一跳出现拥塞。

一种时间敏感网络中的流量调度测试方法，包括对IEEE802.1AS时钟同步协议的测试和对IEEE802.1Qbv流量调度协议的测试。

进一步的，所述对IEEE802.1AS时钟同步协议的测试，具体包括如下步骤：

步骤1，使用时间敏感网络测试拓扑方式进行连接设备组网，并分别配置Host1、Host2、Host3主机IP；

步骤2，分别访问时间敏感交换机1和时间敏感交换机3的端口，查看交换机设备的IEEE802.1AS时间同步协议是否支持软硬件时间戳，保证所述时间敏感交换机1和所述时间敏感交换机3支持同一种时间戳；

步骤3，选择所述时间敏感交换机1设备运行ptp4l指令，则该设备为主时钟设备，所述时间敏感交换机3则为从时钟设备，当所述时间敏感交换机3端口状态从uncalibrated状态变成slave状态时，该设备与所述时间敏感交换机1设备同步成功；所述时间敏感交换机3为从时钟设备时，将打印同步协议中的主从端时间差master offset和表示时钟伺服器的不同状态的S0、S1、S2信息，S0表示未锁定，S1表示正在同步，S2表示锁定，锁定状态表示不会再发生阶跃行同步，只是缓慢调整；

步骤4，通过SecureCRT访问所述时间敏感交换机3的系统打印信息，查看masteroffset参数，通过该参数实时测试设备之间的同步误差信息，对时间敏感网络设备的同步性能进行测试和验证。

进一步的，所述对IEEE802.1Qbv流量调度协议的测试，具体包括如下步骤：

步骤1，按时间敏感网络测试拓扑方式进行连接设备组网，并分别配置Host1、Host2、Host3主机IP，其中，所述Host1提供测试的背景流量，所述Host2提供测试所需的时间敏感网络流量，所述Host3主要提供接收端口的流量分析，3台时间敏感交换机提供数据交换作用，所述Host1和Host2的流量分别经过时间敏感交换机1和时间敏感交换机3汇聚到时间敏感交换机2后输出经过所述Host3进行接收流量分析；

步骤2，所述3台时间敏感交换机配置相同的IEEE802.1Qbv门控参数，其中所述Host1背景流的流量优先级为7，TSN流的流量优先级为6，并将三台时间敏感交换机进行时间同步；

步骤3，所述3台时间敏感交换机配置时间同步后，将获取所述3台时间敏感交换机的协议生效基本配置时间basetime，Host1背景流的带宽设置为1000Mbps，流量优先级为7，Host2 的时间敏感网络流量的带宽设置为1000Mbps，流量优先级为6；以1S为时间敏感数据传输周期，配置QoS7和Qos6的流在每个交换机的相应端口开的时间为周期时间的一半，每个周期内开500ms；

步骤4，配置完成后，各个时间敏感交换机在basetime时，按照配置状态进行控制端口开关，同时通过修改不同的配置参数进行测试，根据所述Host3上的接受数据统计信息对时间敏感交换机的时间同步性能和流量调度性能进行验证。

本发明的有益效果：

本发明通过设计一种时间敏感网络中的流量调度测试装置及方法，能够有效的简化时间敏感网络设备的重要指标测试和组网复杂度，提高对时间敏感网络设备的测试效率，通过简易的组网实现对时间敏感网络设备的协议的功能测试和性能指标验证。

附图说明

图1是本发明的装置结构示意图；

图2是本发明的对IEEE802.1AS时钟同步协议的测试流程示意图；

图3是本发明的对IEEE802.1Qbv流量调度协议的测试流程示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案和技术效果更加清楚明白，以下结合说明书附图，对本发明作进一步详细说明。

本发明的一种时间敏感网络设备中的流量调度测试装置和方法，使用时间敏感网络测试拓扑方式进行连接设备组网，基于网络中的2层数据传输对IEEE802.1AS时钟同步协议和IEEE802.1Qbv流量调度协议进行测试，能够提供一个微缩的时间敏感网络域验证环境，为时间敏感网络技术的工业化应用提供参数基础和性能指标，所述时间敏感网络测试拓扑是通过最小的组网，对协议进行验证，该网络拓扑也可通过增加端点设备和交换桥接设备进行大规模组网测试验证。

如图1所示，所述时间敏感网络测试拓扑的组网设备包括：3台Host主机分别为Host1、Host2、Host3，3台时间敏感网络交换机分别为时间敏感网络交换机1、时间敏感网络交换机2、时间敏感网络交换机3，时间敏感网络交换机1和时间敏感网络交换机3输出连接至时间敏感网络交换机2的输入，Host1提供测试的背景流量输入至时间敏感网络交换机1，Host2提供测试所需的时间敏感网络流量输入至时间敏感网络交换机3，Host3连接至时间敏感网络交换机2的输出，设有流分析服务器，主要提供接收端口的流量分析。

3台Host主机均默认安装ubuntu操作系统，操作系统中安装iperf、tcpdump、vlan模块。其中iperf是一个网络性能测试工具，可以测试最大TCP和UDP带宽性能。Tcpdump是个网络抓包工具，可以从指定的网口抓取完整的数据包。vlan 模块可以配置端口的vlan属性，可以编辑vlan tag的优先级等内容。

3台时间敏感网络交换机均支持IEEE802.1AS时钟同步协议和IEEE802.1Qbv流量调度协议，IEEE802.1AS时钟同步协议主要是针对2层网络传输数据的时间同步的应用，IEEE802.1Qbv流量调度协议是TSN里的核心协议。

IEEE802.1AS时钟同步协议定义了广义的精确时钟同步系统，简称gPTP，gPTP用于时间敏感的桥接分组交换局域网，基于IEEE 1588-2008定义的是精确时钟同步协议PTP标准，但是两者存在区别：

1）采用gPTP协议的时间敏感系统采用协议数据单元和地址进行通信，而1588可以支持层2和层3-4的通信方式。通过简化时间同步协议可以提高全局的时间同步精度和同步的可靠性。

2）gPTP定义了一个媒体独立自层，即使采用不同网络技术，甚至不同的媒体接入技术的混合网络，也可采用相同的时间域进行同步。时间敏感子网间信息的交换可以采用不同的包格式和管理机制。

3）在时间敏感网络系统中主要包括端设备和交换设备，并且消息只能通过一个时间敏感系统传递给另外一个时间敏感系统，非时间敏感系统不能用来传输时间同步信息。

具体的，对IEEE802.1AS时钟同步协议的测试，按照时间敏感网络测试拓扑连接的gPTP 节点相互发送常规消息，报告时间并计算各自时钟之间的偏差；测试中将任意端口选为主节点，所有其他节点计算相对于主时钟的偏移，计算与主时钟紧密保持同步的本地时钟。采用该方法使得测试的设备具有代表性，同时可以手动更换主节点进行测试，验证同步信息的可靠性。

所述gPTP 节点协议包含两种消息集，分别为事件消息集和一般消息集，所述事件消息集包括Sync同步报文消息、Follow_Up跟随报文消息和Pdelay_Resp延迟响应报文消息，共同用于使用延迟请求-响应机制生成和传送同步普通和边界时钟所需的定时信息；所述一般消息集包括Pdelay_Req延迟请求报文消息、Pdelay_Resp 延迟响应报文消息和Follow_Up 跟随报文消息，共同用于测量实现对等延迟机制的两个时钟端口之间的链路延迟。从而实现对等延迟机制的时钟可以使用测量的链路延迟和 Sync同步报文、Follow_Up跟随报文消息中的信息进行同步，并通过采用Announc消息建立同步层次结构。

如图2所示，对IEEE802.1AS时钟同步协议的详细测试方法，具体包括如下步骤：

步骤1，按照时间敏感网络测试拓扑方式进行组网配置主机IP，具体为：使用时间敏感网络测试拓扑方式进行连接设备组网，并分别配置Host1主机IP为192.168.1.101，Host2主机IP为192.168.1.102，Host3主机IP为192.168.1.106；

步骤2，查看交换机设备支持的时间同步协议类型保证为同一时间戳，具体为：分别访问时间敏感交换机1和时间敏感交换机3的端口，查看交换机设备的IEEE802.1AS时间同步协议是否支持软硬件时间戳，保证时间敏感交换机1和时间敏感交换机3支持同一种时间戳；

步骤3，运行ptp4l指令将交换机设备进行时钟同步，具体为：运行选择时间敏感交换机1设备运行ptp4l指令，则该设备为主时钟设备，时间敏感交换机3则为从时钟设备，当时间敏感交换机3端口状态从uncalibrated状态变成slave状态时，该设备与时间敏感交换机1设备同步成功；时间敏感交换机3为从时钟设备时，将打印同步协议中的主从端时间差master offset和表示时钟伺服器的不同状态的S0、S1、S2信息，S0表示未锁定，S1表示正在同步，S2表示锁定，锁定状态表示不会再发生阶跃行同步，只是缓慢调整；

步骤4，查看实时测试设备之间的同步误差信息，对时间敏感网络设备的同步性能进行测试和验证，具体为：通过SecureCRT访问时间敏感交换机3的系统打印信息，查看到master offset参数，通过该参数可以实时测试设备之间的同步误差信息，对时间敏感网络设备的同步性能进行测试和验证。

时间敏感网络交换机具有调度和整形两种服务质量保障机制，其中的调度是指队列调度，一般实现在交换机的出端口，包含进入队列、根据调度算法选择发送队列、出队传输三个部分；整形是指流量整形，通过限制端口的转发速率从而防止交换机内部或下一跳出现拥塞。通过对IEEE802.1Qbv流量调度协议的测试验证，可以有效的评估时间敏感交换机的低延时和可靠性性能。

如图3所示，对时间敏感网络交换机的IEEE802.1Qbv流量调度协议进行测试，具体包括如下步骤：

步骤1，按时间敏感网络测试拓扑方式进行组网配置主机IP，并配置背景流量和敏感流量，具体为：按时间敏感网络测试拓扑方式进行连接设备组网，并分别配置Host1主机IP为192.168.1.101，Host2主机IP为192.168.1.102，Host3主机IP为192.168.1.106；其中，Host1提供测试的背景流量，Host2提供测试所需的时间敏感网络流量，Host3主要提供接收端口的流量分析，3台时间敏感交换机提供数据交换作用，Host1和Host2的流量分别经过时间敏感交换机1的C端口和时间敏感交换机3的A端口，汇聚到时间敏感交换机2的G端口，经过Host3进行接收流量分析；

步骤2，三台交换机配置相同的待测试门控参数，设备进行时间同步，具体为：三台时间敏感交换机配置相同的IEEE802.1Qbv门控参数，其中Host1背景流的流量优先级为7，TSN流的流量优先级为6，并将三台设备进行时间同步；

步骤3，设置流量的带宽和优先级并获取交换机设备的协议生效基本配置时间basetime进行传输，具体为：三台时间敏感交换机配置同步后，将获取交换设备的协议生效基本配置时间basetime，Host1背景流的带宽设置为1000Mbps，流量优先级为7，Host2 TSN流的带宽设置为1000Mbps，流量优先级为6；以1S为时间敏感数据传输周期，配置QoS7和Qos6的流在每个交换机的相应端口开的时间为周期时间的一半，每个周期内开500ms；

步骤4，查看流分析服务器端口的流量的成分，对时间敏感交换机设备的门控精度进行测试和验证，具体为：配置完成后，各个时间敏感交换机在basetime时，按照配置状态进行控制端口开关，在端口G处可以看到Host1的流量是50%，Host2的流量也是50%，即说明3三台时间敏感交换机的门控是同步开关的，也说明三台时间敏感交换机是同步的。

同时也可以通过修改不同的配置参数进行测试，根据Host3主机上的接受数据统计信息对时间敏感交换机的时间同步性能和流量调度性能进行验证，具有较高的灵活性和便捷性。

以上所述，仅为本发明的优选实施案例，并非对本发明做任何形式上的限制。虽然前文对本发明的实施过程进行了详细说明，对于熟悉本领域的人员来说，其依然可以对前述各实例记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行同等替换。凡在本发明精神和原则之内所做修改、同等替换等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种时间敏感网络中的流量调度测试装置，其特征在于，使用时间敏感网络测试拓扑方式进行连接设备组网，包括：3台Host主机分别为Host1、Host2、Host3，3台时间敏感网络交换机分别为时间敏感网络交换机1、时间敏感网络交换机2、时间敏感网络交换机3，所述Host1提供测试的背景流量和所述Host2提供测试的时间敏感网络流量分别经所述时间敏感网络交换机1和时间敏感网络交换机3，汇聚到所述时间敏感网络交换机2后输出至所述Host3，经所述Host3设有的流分析服务器进行接收流量分析。

2.如权利要求1所述的一种时间敏感网络中的流量调度测试装置，其特征在于，所述3台Host主机均默认安装ubuntu操作系统，操作系统中安装iperf、tcpdump、vlan模块，其中iperf为网络性能测试工具，用于测试最大TCP和UDP带宽性能，Tcpdump为网络抓包工具，用于从指定的网口抓取完整的数据包，vlan 用于配置端口的vlan属性，编辑vlan tag的优先级。

3.如权利要求1所述的一种时间敏感网络中的流量调度测试装置，其特征在于，3台时间敏感网络交换机均支持IEEE802.1AS时钟同步协议和IEEE802.1Qbv流量调度协议，其中，基于IEEE802.1AS时钟同步协议，定义有广义的精确时钟同步系统gPTP，应用于时间敏感的桥接分组交换局域网。

4.如权利要求3所述的一种时间敏感网络中的流量调度测试装置，其特征在于，所述广义的精确时钟同步系统gPTP的协议包含两种消息集，分别为事件消息集和一般消息集，所述事件消息集包括Sync同步报文消息、Follow_Up跟随报文消息和Pdelay_Resp延迟响应报文消息，共同用于使用延迟请求-响应机制生成和传送同步普通和边界时钟所需的定时信息；所述一般消息集包括Pdelay_Req延迟请求报文消息、Pdelay_Resp 延迟响应报文消息和 Follow_Up 跟随报文消息，共同用于测量实现对等延迟机制的两个时钟端口之间的链路延迟。

5.如权利要求3所述的一种时间敏感网络中的流量调度测试装置，其特征在于，所述时间敏感网络交换机有调度和整形两种服务质量保障机制，其中的调度是指队列调度，实现在交换机的出端口，包含进入队列、根据调度算法选择发送队列、出队传输三个部分；整形是指流量整形，通过限制端口的转发速率从而防止交换机内部或下一跳出现拥塞。

6.一种时间敏感网络中的流量调度测试方法，其特征在于，包括对IEEE802.1AS时钟同步协议的测试和对IEEE802.1Qbv流量调度协议的测试。

7.如权利要求6所述的一种时间敏感网络中的流量调度测试方法，其特征在于，所述对IEEE802.1AS时钟同步协议的测试，具体包括如下步骤：

步骤1，使用时间敏感网络测试拓扑方式进行连接设备组网，并分别配置Host1、Host2、Host3主机IP；

步骤2，分别访问时间敏感交换机1和时间敏感交换机3的端口，查看交换机设备的IEEE802.1AS时间同步协议是否支持软硬件时间戳，保证所述时间敏感交换机1和所述时间敏感交换机3支持同一种时间戳；

步骤3，选择所述时间敏感交换机1设备运行ptp4l指令，则该设备为主时钟设备，所述时间敏感交换机3则为从时钟设备，当所述时间敏感交换机3端口状态从uncalibrated状态变成slave状态时，该设备与所述时间敏感交换机1设备同步成功；所述时间敏感交换机3为从时钟设备时，将打印同步协议中的主从端时间差master offset和表示时钟伺服器的不同状态的S0、S1、S2信息，S0表示未锁定，S1表示正在同步，S2表示锁定，锁定状态表示不会再发生阶跃行同步，只是缓慢调整；

步骤4，通过SecureCRT访问所述时间敏感交换机3的系统打印信息，查看masteroffset参数，通过该参数实时测试设备之间的同步误差信息，对时间敏感网络设备的同步性能进行测试和验证。

8.如权利要求6所述的一种时间敏感网络中的流量调度测试方法，其特征在于，所述对IEEE802.1Qbv流量调度协议的测试，具体包括如下步骤：

步骤1，按时间敏感网络测试拓扑方式进行连接设备组网，并分别配置Host1、Host2、Host3主机IP，其中，所述Host1提供测试的背景流量，所述Host2提供测试所需的时间敏感网络流量，所述Host3主要提供接收端口的流量分析，3台时间敏感交换机提供数据交换作用，所述Host1和Host2的流量分别经过时间敏感交换机1和时间敏感交换机3汇聚到时间敏感交换机2后输出经过Host3进行接收流量分析；

步骤2，所述3台时间敏感交换机配置相同的IEEE802.1Qbv门控参数，其中所述Host1背景流的流量优先级为7，TSN流的流量优先级为6，并将三台时间敏感交换机进行时间同步；

步骤3，所述3台时间敏感交换机配置时间同步后，将获取所述3台时间敏感交换机的协议生效基本配置时间basetime，Host1背景流的带宽设置为1000Mbps，流量优先级为7，Host2 的时间敏感网络流量的带宽设置为1000Mbps，流量优先级为6；以1S为时间敏感数据传输周期，配置QoS7和Qos6的流在每个交换机的相应端口开的时间为周期时间的一半，每个周期内开500ms；

步骤4，配置完成后，各个时间敏感交换机在basetime时，按照配置状态进行控制端口开关，同时通过修改不同的配置参数进行测试，根据所述Host3上的接受数据统计信息对时间敏感交换机的时间同步性能和流量调度性能进行验证。

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