CN1933429A - 数据通信网络中时延特性的测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种数据通信网络中时延特性的测量方法。该方法的过程包括：发送端生成至少一个测量报文，通过微码/硬件逐个标记第一发送时间戳，并将上述测量报文发出；接收端分离出测量报文，并用微码/硬件逐个标记第一接收时间戳；接收端用自身的微码/硬件为分离出的测量报文逐个标记第二发送时间戳，并通过数据通信网络将上述测量报文发送给发送端；发送端分离出所述测量报文，并用自身的微码/硬件逐个标记第二接收时间戳；根据测量报文所标记的第一发送时间戳、第一接收时间戳、第二发送时间戳和第二接收时间戳，计算出发送端和接收端之间的时延特性。本发明的这种方法实现简单，不会影响实际运营业务，并能很好地获得网络所需的测量精度。

Description

数据通信网络中时延特性的测量方法

技术领域

本发明涉及数据通信网络技术，尤指一种数据通信网络中时延特性的测量方法。

背景技术

在数据、语音和视频三网合一的数据通信网络中，语音和视频的数据传输对网络承载提出越来越高的要求，其中时延特性是衡量数据承载网络性能的重要指标。所述时延特性是指与网络中的数据传输时间相关的特性，包括时延(Latency)和时延抖动(Jitter)等指标。时延是指数据包在网络中传递所需的时间；时延抖动是指多个数据包在同一段网络中传输所花费时间的变化。

时延特性对衡量现有数据承载网络性能具有重要的意义。比如，在下一代语音业务网络中，实时提供时延和时延抖动这两个重要指标，能够为诊断网络故障提供可靠的数据。另外，时延特性还能为用户业务的性能分析提供快速准确的依据。根据在线的时延特性测量结果，能够发现网络性能瓶颈，从而优化运营网络，提高网络的可维护性和可管理性，最终提高客户满意度。在获得时延特性后，能够应用于增强NTP报文处理，从而提高数据网络时间的准确度2～3个数量级。

基于上述应用，如何在线测量数据包在数据通信网络上的时延特性成为一个需要解决的问题。在实际的网络运营中，由于数据包收发设备在地理位置上可能相距几千公里或更远，故通过实验室的一台测试仪器完成上述测量是不现实的。为此，现有技术中也采用其它的一些切实可行的方法对时延特性进行测量。

方法一、由全球定位系统(GPS)或者其它能统一全网时间的设备提供精度在us量级的时钟，使不同地理位置的两台测试仪器的绝对时间误差保持在us量级，通过记录数据包的发端时间和收端时间，获得数据包在数据通信网络上传输的时延特性。该方法是目前较为通用的一种测量时延特性的方法。

该方法存在以下缺点：

(一)需要使用能提供测量时钟的GPS系统，以及与GPS系统配套使用的报文发生器和接收器。由于GPS系统价格昂贵，故该测量方法成本高，对测量仪器的要求比较苛刻。

(二)需要在被测设备中预留专门的测量端口，通过测量端口发送测量数据，且该测量端口不能用来发送实际的业务数据包，故一方面降低了设备的利用率；另一方面，不能在实际的业务环境下测量业务流的时延特性，属于离线测量。

方法二、通过在网络设备下发通用的诊断命令“ping”，由软件记录数据包的发送和接收时间，从而得到时延特性。

由于该方法的时间记录操作借助于软件实现，故易受软件执行效率、任务调度以及系统中重负载任务等因素的影响，使测量出现很大误差。一般情况下，通过该方法获得的时延特性，在测量精度要求为ms量级的语音承载网络中几乎不可用。

发明内容

有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种数据通信网络中时延特性的测量方法，控制测量误差，使测量精度达到实际应用的要求。

为达到上述目的，本发明的技术方案具体是这样实现的：

一种数据通信网络中时延特性的测量方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

a、发送端在发送数据包到接收端时，生成至少一个测量报文，通过自身的微码/硬件为所生成的测量报文逐个标记第一发送时间戳，并将上述测量报文发出；接收端从接收到的数据包中分离出测量报文，并用自身的微码/硬件为分离出的测量报文逐个标记第一接收时间戳；

b、接收端用自身的微码/硬件为分离出的测量报文逐个标记第二发送时间戳，并通过数据通信网络将上述测量报文发送给发送端；发送端从接收到的数据包中分离出所述测量报文，并用自身的微码/硬件为分离出的测量报文逐个标记第二接收时间戳；

c、根据测量报文所标记的第一发送时间戳、第一接收时间戳、第二发送时间戳和第二接收时间戳，计算出发送端和接收端之间的时延特性。

步骤a中生成的测量报文带有测量报文标识；

则分离测量报文的方法为：根据测量报文标识，使用流分类匹配方法分离出测量报文。

所述流分类匹配方法采用三态内容寻址存储器实现。

所述时延特性包括时间差，则步骤c所述计算时延特性的方法为：将每个测量报文的第一接收时间戳加第二发送时间戳之和，减去第一发送时间戳加第二接收时间戳之和，获得的差除以二；再将所有测量报文的计算结果取平均值，得到发送端和接收端的时间差。

所述时延特性包括时延，则步骤c所述计算时延特性的方法为：将每个测量报文的第一接收时间戳加第二接收时间戳之和，减去第一发送时间戳加第二发送时间戳之和，获得的差除以二，得到每个测量报文的时延；再将所有测量报文的时延取平均值，得到发送端和接收端的时延。

步骤c之前该方法进一步包括：

c1、发送端和/或接收端生成目的地址为自身的自环测量报文，通过微码/硬件为所述自环测量报文标记自环发送时间戳，并将自环测量报文发出；

c2、发送端和/或接收端从接收到的数据包中分离出步骤c1所述自环测量报文，并用微码/硬件为分离出的自环测量报文标记自环接收时间戳；

c3、根据发送端和/或接收端的自环接收时间戳和自环发送时间戳计算出额外时延；

则步骤c所述计算时延特性的方法进一步包括：将发送端和接收端的时延减去额外时延，获得补偿校正后的时延。

步骤c3所述计算额外时延的方法为：

将发送端的自环接收时间戳减去自环发送时间戳，获得额外时延；

或者，将接收端的自环接收时间戳减去自环发送时间戳，获得额外时延；

或者，将发送端的自环接收时间戳减去自环发送时间戳获得的第一额外时延，和接收端的自环接收时间戳减去自环发送时间戳获得的第二额外时延取平均值，获得额外时延。

所述时延特性还包括时延抖动，步骤a中发送端在一段时间内生成两个或两个以上测量报文；

则步骤c所述计算时延特性的方法进一步包括：从该段时间内生成的所有测量报文的时延中选出最大时延和最小时延，并将最大时延减去最小时延，获得发送端和接收端的时延抖动。

由上述技术方案可见，本发明的这种数据通信网络中时延特性的测量方法通过上层软件仿真出测量报文，并通过网络设备的微码或硬件(微码/硬件)对测量报文进行时间戳标记，获得测量报文在网络传输的时间，最终计算出所测量网络的时延特性。

该方法在真实业务环境下生成测量报文，其测量获得的时延参数能反映实际环境下的业务流延时情况，属于在线测量。另外，该方法利用网络设备的微码/硬件进行时间记录，不需要借助额外的测量仪器和特殊功能的辅助设备，故实现简单且在时间记录的准确性上远高于上层软件。

进一步地，该方法可以通过本端自环计算出额外时延，对测量获得的时延特性进行补偿校正，从而获得更高的测量精度，在100M以太网上可以得到10us量级的报文时延精度。

附图说明

图1为本发明一个较佳实施例中实现时延特性测量的流程；

图2为本发明一个较佳实施例中进行误差补偿的流程。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下参照附图并举实施例，对本发明进一步详细说明。

图1所示的是本发明一较佳实施例中，数据包在某段网络中的时延特性的测量流程。假设该段网络的发端设备为A，收端设备为B，所述发端设备A与收端设备B分别是网络两端的任意网络设备，比如路由器等。所述路由器可以采用网络处理器来实现，网络处理器是数据通信设备上可编程的数据帧处理部件，通常有几十个到几百个处理单元并行运作，能完成查表、帧处理、报文转发和丢弃等操作，并具有硬件和微码功能。该方法具体包括以下步骤：

步骤101、发端设备A的上层软件仿真实际业务流生成至少一个测量报文，通过微码/硬件在所生成的测量报文上逐个标记第一发送时间戳t1，并将标记了时间戳的测量报文发给收端设备B。

该步骤中，上层软件能够生成具有任意源地址、目的地址、报文长度、优先级、协议号和端口号的测量报文，这种仿真方法在现有技术中普遍使用，此处不赘述。此外，上层软件在生成测量报文时，会给测量报文标上特定的测量报文标识。

所述微码(Picocode/Micocode)是网络处理器执行的专有二进制代码。在微码中定义一个标记时间戳动作，使微码能在上层软件送至的测量报文上标记时间戳。在实际系统中，上述功能也可用数字逻辑电路等硬件来完成。

步骤102、测量报文经由数据通信网络发送到收端设备B后，收端设备B通过自身的微码/硬件从众多数据包中分离出上述测量报文，并在分离出的测量报文上逐个标记第一接收时间戳t2。所述数据通信网络包括Internet、国家骨干网、省干网、城域网、接入网、企业网以及各种专网。

该步骤中，微码/硬件根据测量报文标识来分离测量报文。上述分离过程采用的是现有的流分类匹配方法，比如可以用三态内容寻址存储器(TCAM)实现等，此处不赘述。

步骤103、收端设备B通过自身的微码/硬件为接收到的测量报文逐个标记第二发送时间戳t3，再将测量报文通过出端口发给发端设备A。

在收端设备B的出端口，一个测量报文从打上时间戳到最后一个字节的最后一个比特离开出端口，处理时间在20微秒以下，且上述处理时间基本恒定，故该方法的时延测量精度能达到0.1ms，满足承载语音网络的精度要求。

步骤104、测量报文经由数据通信网络发送回发端设备A后，发端设备A的微码/硬件通过流分类匹配分离出测量报文，为其逐个打上第二接收时间戳t4，再将测量报文送至发端设备A的上层软件。

步骤105、发端设备A的上层软件取出测量报文中记录的所有时间戳，计算出收发端设备之间网络的时延特性。

上述过程中，上层软件可以根据记录的所有时间戳计算出时间差、时延和时延抖动等时延特性。

1、通常情况下，网络设备的时间是不一致的。时间差指的是同一时刻，发端设备A和收端设备B标示的时间差值，比如某时刻发端设备A的时间为11:00，收端设备B的时间为9:00，二者的时间差为2小时。

计算时间差的方法如下：上层软件逐个判断测量报文中记录的来回路径是否一致，如果来回路径一致，则根据公式(1)计算出每个测量报文记录的时间差z，再将所有测量报文的计算结果取平均值，获得收发设备之间的时间差。

            z＝(t2+t3-t1-t4)/2    (1)

在IP网络中，可以通过ICMP报文路径跟踪，来获得报文来回路径；在MPLS网络中，建立MPLS LSP隧道时，利用MPLS TE的信令路径记录方法获得报文来回路径。

当某些测量报文来回路径不一致时，根据公式(1)计算出所有测量报文的时间差再取平均值，对获取收发设备之间的时延特性也具有一定的参考价值。

2、根据公式(2)计算每个测量报文的时延x，再将所有测量报文的时延取平均值，获得收发设备的时延。

        x＝t2-t1-z＝t2-t1-(t2+t3-t1-t4)/2    (2)

3、计算时延抖动。时延抖动(jitter)指的是一段时间内，时延最大报文与时延最小报文的时延之差。由于时延抖动不受报文时延的影响，也就是不受两端时间差和报文流分类处理的影响，所以其测量精度比时延的测量精度高1-2个数量级。

在图1所示的流程中，微码/硬件在测量报文上标记的时间戳由硬件时钟提供。所述硬件时钟采用本地晶振产生信号源，可以选用64位计数器实现，精度达到10ppm。在时延特性测量过程中，当发端设备A与收端设备B的时钟频率不一致时，可以通过数据通信网络的现有协议在A、B设备之间通告时间调整因子，使二者的时钟频率保持一致。

在高速以太网中，一个报文从第一个字节的第一个比特进入设备入端口，执行流分类匹配，到打上时间戳，整个过程由微码/硬件完成的处理时间在20微秒以下。由于实际的业务报文不打时间戳，所以上述处理时间是额外引入的，会增加测量误差。

在对测量精度要求不高的承载语音网络中，上述实施例所述的测量方法已经能够满足其精度要求。进一步地，为了提高时延特性的测量精度，适应其它网络应用的需求，还可以在测量过程中执行本端自环，从而计算出微码/硬件在标记时间戳和流分类匹配过程中引入的额外时延Tz，以便对最终的测量结果进行补偿校正，具体过程如图2所示：

步骤201、发端设备A的上层软件生成目的地址为自身地址的自环测量报文，并通过微码/硬件在上述自环测量报文上标记自环发送时间戳t5，并发出所述自环测量报文。

步骤202、自环测量报文经过数据通信网络返回发端设备A后，发端设备A的微码/硬件通过流分类匹配分离出自环测量报文，为其打上自环接收时间戳t6，再将自环测量报文送至发端设备A的上层软件。

步骤203、上层软件根据自环测量报文中记录的自环发送时间戳t5和自环接收时间戳t6，计算出额外时延Tz。其中，Tz＝t6-t5。

步骤204、上层软件根据计算获得的额外时延Tz对时延特性进行补偿校正。

例如，对于时延x，经过补偿校正后的时延Tx＝x-Tz。

上述过程中，也可以由收端设备B通过本端自环计算出额外时延Tz；或者，由发端设备A计算出第一额外时延Tz1，收端设备B计算出第二额外时延Tz2，然后取第一额外时延Tz1和第二额外时延Tz2的平均值，获得额外时延Tz。

实际测试表明，经过补偿校正后获得的时延特性达到10us量级精度。

此外，上层软件还可以根据需要多次发送测量报文并记录时间，再用统计方法得到对应网络更为精确的时延特性。

由上述的实施例可见，本发明的这种数据通信网络中时延特性的测量方法，通过网络设备的微码/硬件对上层软件生成的测量报文进行时间戳标记，从而计算出网络的时延特性。该方法实现简单，不会影响实际运营业务，并能很好地获得网络所需的测量精度。

Claims (8)

1、一种数据通信网络中时延特性的测量方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

a、发送端在发送数据包到接收端时，生成至少一个测量报文，通过自身的微码/硬件为所生成的测量报文逐个标记第一发送时间戳，并将上述测量报文发出；接收端从接收到的数据包中分离出测量报文，并用自身的微码/硬件为分离出的测量报文逐个标记第一接收时间戳；

b、接收端用自身的微码/硬件为分离出的测量报文逐个标记第二发送时间戳，并通过数据通信网络将上述测量报文发送给发送端；发送端从接收到的数据包中分离出所述测量报文，并用自身的微码/硬件为分离出的测量报文逐个标记第二接收时间戳；

c、根据测量报文所标记的第一发送时间戳、第一接收时间戳、第二发送时间戳和第二接收时间戳，计算出发送端和接收端之间的时延特性。

2、根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤a中生成的测量报文带有测量报文标识；

则分离测量报文的方法为：根据测量报文标识，使用流分类匹配方法分离出测量报文。

3、根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述流分类匹配方法采用三态内容寻址存储器实现。

4、根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述时延特性包括时间差，则步骤c所述计算时延特性的方法为：将每个测量报文的第一接收时间戳加第二发送时间戳之和，减去第一发送时间戳加第二接收时间戳之和，获得的差除以二；再将所有测量报文的计算结果取平均值，得到发送端和接收端的时间差。

5、根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述时延特性包括时延，则步骤c所述计算时延特性的方法为：将每个测量报文的第一接收时间戳加第二接收时间戳之和，减去第一发送时间戳加第二发送时间戳之和，获得的差除以二，得到每个测量报文的时延；再将所有测量报文的时延取平均值，得到发送端和接收端的时延。

6、根据权利要求5所述的方法，其特征在于，步骤c之前该方法进一步包括：

c1、发送端和/或接收端生成目的地址为自身的自环测量报文，通过微码/硬件为所述自环测量报文标记自环发送时间戳，并将自环测量报文发出；

c2、发送端和/或接收端从接收到的数据包中分离出步骤c1所述自环测量报文，并用微码/硬件为分离出的自环测量报文标记自环接收时间戳；

c3、根据发送端和/或接收端的自环接收时间戳和自环发送时间戳计算出额外时延；

则步骤c所述计算时延特性的方法进一步包括：将发送端和接收端的时延减去额外时延，获得补偿校正后的时延。

7、根据权利要求6所述的方法，其特征在于，步骤c3所述计算额外时延的方法为：

将发送端的自环接收时间戳减去自环发送时间戳，获得额外时延；

或者，将接收端的自环接收时间戳减去自环发送时间戳，获得额外时延；

或者，将发送端的自环接收时间戳减去自环发送时间戳获得的第一额外时延，和接收端的自环接收时间戳减去自环发送时间戳获得的第二额外时延取平均值，获得额外时延。

8、根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述时延特性还包括时延抖动，步骤a中发送端在一段时间内生成两个或两个以上测量报文；

则步骤c所述计算时延特性的方法进一步包括：从该段时间内生成的所有测量报文的时延中选出最大时延和最小时延，并将最大时延减去最小时延，获得发送端和接收端的时延抖动。

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