CN114697241A - 一种端到端的时延测试系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种端到端的时延测试系统及方法，系统包括：通用测试设备、专用测试设备、工业网络以及待测客户端，其中，通用测试设备，用于获取预设测试点的数据包，并对数据包的通信报文进行时间标注；专用测试设备，用于对待测客户端进行功能配置；工业网络，用于实现测试过程中的数据通信。本发明通过确定端到端时延，在模拟实际运行的网络环境中，对待测客户端进行测试后，模拟满负荷数据通信、网络中断/恢复、随机发起数据访问请求等场景，保证了测试满足数据量以及系统稳定性等要求，提高了测试效率以及准确率，并且保证了设备在复杂网络环境下的可用性和长期运行稳定性。

Description

一种端到端的时延测试系统及方法
技术领域
本发明涉及数据通信与集成领域技术领域，具体涉及一种端到端的时延测试系统及方法。
背景技术
工业互联网的核心挑战在于解决设备、机器以及来自不同行业服务之间的安全、标准化的数据和信息交换，近年来在国内外工业数据通信与集成领域得到了广泛应用。而工业通信对实时性、可靠性的要求很高，而OPC UA主要应用于工业设备或者工业软件之间的数据数据传输、业务访问请求，在实际运行过程中又会叠加网络负载变化的影响，所以对OPC UA设备的测试至关重要。然而现有的测试方法无法满足数据量以及系统稳定性等要求，导致测试效率不高、准确率低等问题。
发明内容
有鉴于此，本发明实施例提供了一种端到端的时延测试系统及方法，解决了现有的测试方法无法满足数据量以及系统稳定性等要求，导致测试效率不高、准确率低等问题。
根据第一方面，本发明实施例提供了一种端到端的时延测试系统，包括：通用测试设备、专用测试设备、工业网络以及待测客户端，其中，
所述通用测试设备，用于获取预设测试点的数据包，并对所述数据包的通信报文进行时间标注；
所述专用测试设备，用于对所述待测客户端进行功能配置；
所述工业网络，用于实现测试过程中的数据通信。
本发明实施例提供的端到端的时延测试系统，通过确定端到端时延，在模拟实际运行的网络环境中，对待测客户端进行测试后，模拟满负荷数据通信、网络中断/恢复、随机发起数据访问请求等场景，保证了测试满足数据量以及系统稳定性等要求，提高了测试效率以及准确率，并且保证了设备在复杂网络环境下的可用性和长期运行稳定性。
结合第一方面，在第一方面第一实施方式中，所述通用测试设备包括网络分析仪及分布式校时设备，其中，
所述网络分析仪与所述预设测试点进行串接，用于获取所述预设测试点的数据包；
所述分布式校时设备，用于利用通用校时协议对所述数据包的通信报文进行时间标注。
结合第一方面，在第一方面第二实施方式中，所述专用测试设备包括数据连接模块、属性读写模块以及报文时延统计模块，其中，
所述数据连接模块，用于通过建立连接进行数据读写；
所述属性读写模块，用于对所述预设测试点进行属性获取，并且输入到所述待测客户端；
所述报文时延统计模块，用于对请求及应答报文时延进行统计。
结合第一方面，在第一方面第三实施方式中，所述工业网络为模拟网络环境或者本地网络环境，其中，
所述模拟网络环境为测试过程中通过计算机模拟技术确定的网络环境；
所述本地网络环境为测试过程中测试现场中现场总线确定的网络环境。
结合第一方面第一实施方式，在第一方面第四实施方式中，所述专用测试设备与所述待测客户端串联接入所述网络分析仪中，用于实现数据通信。
根据第二方面，本发明实施例提供的端到端的时延测试方法，包括：
构建如第一方面及第一方面任意一实施方式所述的端到端的时延测试系统；
获取网络数据流方向；
利用所述端到端的时延测试系统及所述网络数据流方向，确定数据时延。
本发明实施例提供的端到端的时延测试方法，通过确定端到端时延，在模拟实际运行的网络环境中，对待测客户端进行测试后，模拟满负荷数据通信、网络中断/恢复、随机发起数据访问请求等场景，保证了测试满足数据量以及系统稳定性等要求，提高了测试效率以及准确率，并且保证了设备在复杂网络环境下的可用性和长期运行稳定性。
结合第二方面，在第二方面第一实施方式中，所述利用所述端到端的时延测试系统及所述网络数据流方向，确定数据时延，包括：
获取所述端到端的时延测试系统的专用测试设备向待测客户端发送的报文数据，并为所述报文数据添加时标；
将添加时标的报文数据存储至所述端到端的时延测试系统的网络分析仪中，根据所述网络数据流方向、时标以及预设判断标准，确定数据时延。
根据第三方面，本发明实施例提供了一种电子设备，包括：存储器和处理器，所述存储器和所述处理器之间互相通信连接，所述存储器中存储有计算机指令，所述处理器通过执行所述计算机指令，从而执行第二方面或者第二方面的任意一种实施方式中所述的端到端的时延测试方法。
根据第四方面，本发明实施例提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储计算机指令，所述计算机指令用于使所述计算机执行第二方面或者第二方面的任意一种实施方式中所述的端到端的时延测试方法。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是根据本发明实施例的端到端的时延测试系统的示意图；
图2是根据本发明优选实施例的第一类型测试系统组成的示意图；
图3是根据本发明实施例的第二类型测试系统组成的示意图；
图4是根据本发明实施例的端到端的时延测试方法的流程图；
图5是根据本发明实施例的端到端时延组成的逻辑流程图；
图6是根据本发明实施例的发送时延的逻辑流程图；
图7是根据本发明实施例的接收时延的逻辑流程图；
图8是本发明实施例提供的电子设备的硬件结构示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
工业4.0和工业互联网的核心挑战在于解决设备、机器以及来自不同行业服务之间的安全和标准化的数据和信息交换。2015年工业4.0参考架构就将国际标准IEC 62541OPC UA作为通信层实施的唯一推荐方案，近年来在国内外工业数据通信与集成领域得到了广泛应用。
而工业通信对实时性、可靠性的要求很高，而OPC UA主要应用于工业设备或者工业软件之间的数据数据传输、业务访问请求，在实际运行过程中又会叠加网络负载变化的影响，所以对OPC UA设备的测试至关重要。其中，OPC UA(Unified Architecture，统一架构)是下一代的OPC标准，通过提供一个完整的，安全和可靠的跨平台的架构，以获取实时和历史数据和时间。
OPC UA基于OPC基金会提供的新一代技术，提供安全，可靠和独立于厂商的，实现原始数据和预处理的信息从制造层级到生产计划或ERP层级的传输。通过OPC UA，所有需要的信息在任何时间，任何地点对每个授权的应用，每个授权的人员都可用。这种功能独立于制造厂商的原始应用，编程语言和操作系统。OPC UA是目前已经使用的OPC工业标准的补充，提供重要的一些特性，包括如平台独立性，扩展性，高可靠性和连接互联网的能力。OPCUA不再依靠DCOM，而是基于面向服务的架构(SOA),OPC UA的使用更简便。现在，OPC UA已经成为独立于微软,UNIX或其他的操作系统企业层和嵌入式自动组建之间的桥梁。
端到端时延是指基于OPC UA协议栈的工业应用之间，不同类型的应用层数据包从源端传输到目的端所需的时长，以及基于测试时长统计计算得出的“时延可靠性、最大时延、最小时延、平均时延、丢包率等统计信息。
在本实施例中还提供了一种端到端的时延测试系统，如以下所使用的，术语“模块”可以实现预定功能的软件和/或硬件的组合。尽管以下实施例所描述的系统较佳地以软件来实现，但是硬件，或者软件和硬件的组合的实现也是可能并被构想的。
本发明公开了端到端的时延测试系统，如图1所示，包括：通用测试设备1、专用测试设备2、工业网络3以及待测客户端4，其中，通用测试设备1，用于获取预设测试点的数据包，并对数据包的通信报文进行时间标注；专用测试设备2，用于对待测客户端4进行功能配置；工业网络3，用于实现测试过程中的数据通信。本实施例中的端到端的时延测试系统由通用测试设备1、专用测试设备2、工业网络3三部分组成，其中工业网络3可以是实验室模拟网络(模拟网络环境)，也可以是实际网络(本地网络环境)，并且根据专用测试设备2与待测客户端4的物理间隔距离，测试系统可分为两种类型。具体类型将在下文详细叙述。
本实施例提供的端到端的时延测试系统，通过确定端到端时延，在模拟实际运行的网络环境中，对待测客户端进行测试后，模拟满负荷数据通信、网络中断/恢复、随机发起数据访问请求等场景，保证了测试满足数据量以及系统稳定性等要求，提高了测试效率以及准确率，并且保证了设备在复杂网络环境下的可用性和长期运行稳定性。
在一具体实施例中，端到端的时延测试系统中的通用测试设备1包括网络分析仪11及分布式校时设备12，其中，网络分析仪11与预设测试点进行串接，用于获取预设测试点的数据包；分布式校时设备12，用于利用通用校时协议对数据包的通信报文进行时间标注。具体地，以太网分析仪：可以串接在需要抓取数据包的测试点，为抓取到的通信报文添加高精度时标，记录至文件；支持通过管理端口的IEEE 1588等通用校时协议；分布式校时设备12：支持IEEE1588等通用校时协议；推荐选用带北斗卫星授时功能的校时设备。
本实施例中，专用测试设备2包括数据连接模块、属性读写模块以及报文时延统计模块，其中，数据连接模块，用于通过建立连接进行数据读写；属性读写模块，用于对预设测试点进行属性获取，并且输入到待测客户端4；报文时延统计模块，用于对请求及应答报文时延进行统计。具体地，用于模拟OPC UA客户端，在基本的建立连接、数据读写等基本功能之上，还需要开发以下功能(本部分由另外专利单独描述)：可配置的节点属性自动读、写功能；可配置的创建/删除监视项功能；OPC UA请求/应答报文时延统计功能。
在另一具体实施例中，工业网络3为模拟网络环境或者本地网络环境，其中，模拟网络环境为测试过程中通过计算机模拟技术确定的网络环境；本地网络环境为测试过程中测试现场中现场总线确定的网络环境。并且根据专用测试设备2与待测客户端4的物理间隔距离，测试系统可分为两种类型。
具体地如图2所示，第一类型测试系统组成，专用测试设备2与待测客户端4之间的距离如果不超过通用以太网分析仪要求的连接距离(一般不超过100米)，可以使用1台网络分析仪11(4个测试端口+1个管理端口)、1台校时设备(支持IEEE 1588等通用校时协议)。需要说明的是，本实施例中的连接举例、设备支持的协议等都是根据实际情况进行设置的，本实施例并不以此为限。
本实施例中，如图3所示，第二类型测试系统组成，专用测试设备2与待测客户端4之间的距离如超过通用以太网分析仪要求的连接距离，例如包含了5G蜂窝网络的工业通信节点，需要采用如下方式组件测试系统，2台网络分析仪11(2个测试端口+1个管理端口)、2台分布式校时设备12(支持北斗等无线授时功能)。需要说明的是，本实施例第一类型测试系统组成、第二类型测试系统组成中的连接举例、设备支持的协议等都是根据实际情况进行设置的，本实施例并不以此为限。
本实施例提供的端到端的时延测试系统，通过确定端到端时延，在模拟实际运行的网络环境中，对待测客户端进行测试后，模拟满负荷数据通信、网络中断/恢复、随机发起数据访问请求等场景，保证了测试满足数据量以及系统稳定性等要求，提高了测试效率以及准确率，并且保证了设备在复杂网络环境下的可用性和长期运行稳定性。
在本实施例中提供了一种端到端的时延测试方法，可用于电子设备，例如电脑、手机、平板电脑等。图4是根据本发明实施例的端到端的时延测试方法的流程图，如图4所示，该流程包括如下步骤：
S11，构建端到端的时延测试系统。
其中，利用本实施例中上述实施情况构建端到端的时延测试系统，可以根据实际需求选择构建的系统类型，本实施例并不以此为限。
S12，获取网络数据流方向。本实施例中，利用现有技术获取网络数据流方向，具体获取方式不做任何限定，只要能获取到最终数据即可。
S13，利用端到端的时延测试系统及网络数据流方向，确定数据时延。
在实际应用中，端到端逻辑链路时延(T5-T0)可以分为三部分：发送处理时延(T2-T0)、物理链路时延(T3-T2)、接收处理时延(T5-T3)。其中发送处理时延又可以分为两部分：OPC UA协议栈处理时延(T1-T0)，TCP/IP协议栈处理时延(T2-T1)。接收处理时延业可以分为两部分：TCP/IP协议栈处理时延(T4-T3)、OPC UA协议栈处理时延(T5-T4)，如图5所示。
在进行测试前的准备过程如下：
(1)设备校时
完成专用测试设备所在的操作系统、以太网分析仪、待测客户端的时钟同步。
(2)建立OPC UA通信连接
专用测试设备与待测客户端建立OPC UA通信，经过一段时间的运行，以太网分析仪2、3端口之间流经的报文记录在file1(文件名可以用户自行配置)；以太网分析仪4、5端口之间流经的报文记录在file2。
(3)模拟实际工况
通过对专用测试设备的配置，可以实现自动对被测OPC UA服务器节点的周期读、写、创建监视、删除监视等操作，用于模拟实际运行中OPC UA客户端对待测客户端的操作。
通过对专用测试设备的配置，可以实现网卡的周期打开、关闭操作，用于模拟实际运行过程中网络的断开、恢复场景。
(4)断开OPC UA通信连接
拷贝file1、file2文件，用wireshark等通用协议查看软件分析报文内容，根据时延测试方法，记录T0、T1、T2、T3、T4、T5时间。
(5)根据原始测试数据完成端到端时延统计指标的计算(可自动完成)。
本实施例提供的端到端的时延测试方法，通过确定端到端时延，在模拟实际运行的网络环境中，对待测客户端进行测试后，模拟满负荷数据通信、网络中断/恢复、随机发起数据访问请求等场景，保证了测试满足数据量以及系统稳定性等要求，提高了测试效率以及准确率，并且保证了设备在复杂网络环境下的可用性和长期运行稳定性。
具体地，本实施例提供的端到端的时延测试方法，上述步骤S13具体还包括如下步骤：
S131：获取端到端的时延测试系统的专用测试设备向待测客户端发送的报文数据，并为报文数据添加时标。
S132：将添加时标的报文数据存储至端到端的时延测试系统的网络分析仪中，根据网络数据流方向、时标以及预设判断标准，确定数据时延。
根据网络数据流向不同，OPC UA端到端时延可以分为发送时延、接收时延两部分。发送过程涉及T0、T1、T2、T3、T4、T5的测试方法(如图6所示)，接收过程涉及T0’、T1’、T2’、T3’、T4’、T5’(如图7所示)的测试方法，下面给出详细说明。
分别将专用测试设备、待测客户端端的有线网络串入以太网分析仪，抓取到的报文可以添加高精度时标，并以文件的形式存储在以太网分析仪中，2、3端口流经的报文记录在file1中，4、5端口流经的报文记录在file2中。
file1、file2中找到相同的读请求报文，时标分别是T2、T3；
file1、file2中找到相同的读应答报文，时标分别是T2’、T3’。
通过对OPC UA应用报文的分析可测得T0、T1、T4、T5、T5’、T4’、T1’、T0’。以专用测试设备发出读请求报文，待测客户端解析请求报文，并将需要读取的值封装至应答报文过程为例，给出具体的测试方法，其它类型的OPC UA服务请求/应答测试方法类似。
(1)专用测试设备发送请求报文至待测客户端：
T0：专用测试设备调用OPC UA协议栈的读服务接口，发送对待测客户端OPC UA节点的读请求报文，此时刻被记录在专用测试设备的日志中，日志时标是专用测试设备运行环境的系统时间(经过校时)。
T1：查看file1中OPC UA读请求报文头(RequestHeader)，包含的timestamp值即为T1。
T4：查看待测客户端的OPC UA日志信息。
T5：查看file2中OPC UA读应答报文中的value属性，包含的ServerTimestamp值即为T5。
(2)待测客户端向专用测试设备返回读应答报文：
T5’：同T5。
T4’：查看file2中OPC UA读应答报文头(ResponseHeader)，包含的timestamp值既为T4’。
T1’：专用测试设备需要记录OPC UA协议栈收到读应答报文的时刻，并记录在日志文件中。
T0’：专用测试设备需要记录OPC UA协议栈通过API向应用交付读到的value属性的时刻(一般用callback的方式实现)。
实际应用中，综合性能评价模板如表1所示，可开发专用测试设备记录T0、T1、T0’、T1’时刻；T4依赖待测客户端是否有相应的日志记录功能，无法确保可测。
表1综合性能评价模板
Figure BDA0003584768660000091
本实施例提供的端到端的时延测试方法，通过确定端到端时延，在模拟实际运行的网络环境中，对待测客户端进行测试后，模拟满负荷数据通信、网络中断/恢复、随机发起数据访问请求等场景，保证了测试满足数据量以及系统稳定性等要求，提高了测试效率以及准确率，并且保证了设备在复杂网络环境下的可用性和长期运行稳定性。
本发明实施例还提供一种电子设备，请参阅图8，图8是本发明可选实施例提供的一种电子设备的结构示意图，如图8所示，该电子设备可以包括：至少一个处理器601，例如CPU(Central Processing Unit，中央处理器)，至少一个通信接口603，存储器604，至少一个通信总线602。其中，通信总线602用于实现这些组件之间的连接通信。其中，通信接口603可以包括显示屏(Display)、键盘(Keyboard)，可选通信接口603还可以包括标准的有线接口、无线接口。存储器604可以是高速RAM存储器(Random Access Memory，易挥发性随机存取存储器)，也可以是非不稳定的存储器(non-volatile memory)，例如至少一个磁盘存储器。存储器604可选的还可以是至少一个位于远离前述处理器601的存储装置。其中处理器601可以结合图1所描述的系统，存储器604中存储应用程序，且处理器601调用存储器604中存储的程序代码，以用于执行上述任一方法步骤。
其中，通信总线602可以是外设部件互连标准(peripheral componentinterconnect，简称PCI)总线或扩展工业标准结构(extended industry standardarchitecture，简称EISA)总线等。通信总线602可以分为地址总线、数据总线、控制总线等。为便于表示，图8中仅用一条粗线表示，但并不表示仅有一根总线或一种类型的总线。
其中，存储器604可以包括易失性存储器(英文：volatile memory)，例如随机存取存储器(英文：random-access memory，缩写：RAM)；存储器也可以包括非易失性存储器(英文：non-volatile memory)，例如快闪存储器(英文：flash memory)，硬盘(英文：hard diskdrive，缩写：HDD)或固态硬盘(英文：solid-state drive，缩写：SSD)；存储器604还可以包括上述种类的存储器的组合。
其中，处理器601可以是中央处理器(英文：central processing unit，缩写：CPU)，网络处理器(英文：network processor，缩写：NP)或者CPU和NP的组合。
其中，处理器601还可以进一步包括硬件芯片。上述硬件芯片可以是专用集成电路(英文：application-specific integrated circuit，缩写：ASIC)，可编程逻辑器件(英文：programmable logic device，缩写：PLD)或其组合。上述PLD可以是复杂可编程逻辑器件(英文：complex programmable logic device，缩写：CPLD)，现场可编程逻辑门阵列(英文：field-programmable gate array，缩写：FPGA)，通用阵列逻辑(英文：generic arraylogic,缩写：GAL)或其任意组合。
可选地，存储器604还用于存储程序指令。处理器601可以调用程序指令，实现如本申请图实施例中所示的端到端的时延测试方法。
本发明实施例还提供了一种非暂态计算机存储介质，计算机存储介质存储有计算机可执行指令，该计算机可执行指令可执行上述任意方法实施例中的端到端的时延测试方法。其中，存储介质可为磁碟、光盘、只读存储记忆体(Read-Only Memory，ROM)、随机存储记忆体(Random Access Memory，RAM)、快闪存储器(Flash Memory)、硬盘(Hard Disk Drive，缩写：HDD)或固态硬盘(Solid-State Drive，SSD)等；存储介质还可以包括上述种类的存储器的组合。
虽然结合附图描述了本发明的实施例，但是本领域技术人员可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下做出各种修改和变型，这样的修改和变型均落入由所附权利要求所限定的范围之内。

Claims (9)

1.一种端到端的时延测试系统，其特征在于，包括：通用测试设备、专用测试设备、工业网络以及待测客户端，其中，
所述通用测试设备，用于获取预设测试点的数据包，并对所述数据包的通信报文进行时间标注；
所述专用测试设备，用于对所述待测客户端进行功能配置；
所述工业网络，用于实现测试过程中的数据通信。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述通用测试设备包括网络分析仪及分布式校时设备，其中，
所述网络分析仪与所述预设测试点进行串接，用于获取所述预设测试点的数据包；
所述分布式校时设备，用于利用通用校时协议对所述数据包的通信报文进行时间标注。
3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述专用测试设备包括数据连接模块、属性读写模块以及报文时延统计模块，其中，
所述数据连接模块，用于通过建立连接进行数据读写；
所述属性读写模块，用于对所述预设测试点进行属性获取，并且输入到所述待测客户端；
所述报文时延统计模块，用于对请求及应答报文时延进行统计。
4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述工业网络为模拟网络环境或者本地网络环境，其中，
所述模拟网络环境为测试过程中通过计算机模拟技术确定的网络环境；
所述本地网络环境为测试过程中测试现场中现场总线确定的网络环境。
5.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述专用测试设备与所述待测客户端串联接入所述网络分析仪中，用于实现数据通信。
6.一种端到端的时延测试方法，其特征在于，包括：
构建如权利要求1-5任一项所述的端到端的时延测试系统；
获取网络数据流方向；
利用所述端到端的时延测试系统及所述网络数据流方向，确定数据时延。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述利用所述端到端的时延测试系统及所述网络数据流方向，确定数据时延，包括：
获取所述端到端的时延测试系统的专用测试设备向待测客户端发送的报文数据，并为所述报文数据添加时标；
将添加时标的报文数据存储至所述端到端的时延测试系统的网络分析仪中，根据所述网络数据流方向、时标以及预设判断标准，确定数据时延。
8.一种电子设备，其特征在于，包括：
存储器和处理器，所述存储器和所述处理器之间互相通信连接，所述存储器中存储有计算机指令，所述处理器通过执行所述计算机指令，从而执行权利要求6-7任一项所述的端到端的时延测试方法。
9.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质存储有计算机指令，所述计算机指令用于使计算机执行权利要求6-7任一项所述的端到端的时延测试方法。
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