一種無線網(wǎng)絡(luò)端到端時延檢測方法

王梟雄，任磊

（中國電子科技集團公司第二十研究所，西安 710068）

0 引言

時延是指一個報文或分組從一個網(wǎng)絡(luò)的一端傳送到另一端所需的時間，由傳輸時延、傳播時延、處理時延和排隊時延組成[1]。在某些網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用項目中，時延通常是一個很重要的考核指標(biāo)[2]。針對這個指標(biāo)，采取何種檢測方法，對時延進行準(zhǔn)確、可靠的測量，是一個非常關(guān)鍵的問題。

現(xiàn)有的測試手段一般采用簡單的以分組到達接收主機時刻減去分組離開發(fā)送主機的時刻獲得端到端時延，未考慮接收主機和發(fā)送主機時鐘同步問題，導(dǎo)致測試結(jié)果誤差比較大。有的采用非實時性的Windows操作系統(tǒng)作為測試平臺，時間精度又無法保證。本人參與的項目需要測試某無線網(wǎng)絡(luò)任意兩個站點端到端的網(wǎng)絡(luò)時延，由于該無線網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用環(huán)境比較特殊，而且對網(wǎng)絡(luò)時延指標(biāo)要求比較嚴(yán)格，無法直接采用現(xiàn)有的一般測試方法。針對該需求，本文提出一種利用GPS接收機進行時鐘同步，基于道系統(tǒng)實時進程項目的多站點組網(wǎng)下雙向通訊時端到端無線網(wǎng)絡(luò)通訊時延檢測方法，并開發(fā)一套采用上位機、下位機工作方式的通訊檢測程序。經(jīng)多次測試采樣，利用統(tǒng)計學(xué)理論給出了比較準(zhǔn)確的時延檢測結(jié)果數(shù)據(jù)，實現(xiàn)對網(wǎng)絡(luò)時延的檢測分析。

1 設(shè)計原理

1.1 問題描述

待測無線網(wǎng)絡(luò)由四個站點構(gòu)成，每個站點內(nèi)待測無線網(wǎng)絡(luò)設(shè)備端機和用戶主機設(shè)備之間通過有線方式連接在同一個千兆以太網(wǎng)交換機上。站點間利用無線網(wǎng)絡(luò)進行通訊時，主機設(shè)備按照無線網(wǎng)絡(luò)約定的報文協(xié)議向該站點內(nèi)的無線網(wǎng)絡(luò)端機發(fā)送UDP數(shù)據(jù)報文，每組報文發(fā)送間隔不超過無線網(wǎng)絡(luò)限定的最大值。經(jīng)無線網(wǎng)絡(luò)傳輸后，接收站點的無線網(wǎng)絡(luò)端機接收遠端數(shù)據(jù)，解析處理后經(jīng)有線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給接收主機。采取有效措施，精確測量該無線網(wǎng)絡(luò)在雙向通訊時任意兩個站點端到端的網(wǎng)絡(luò)時延。

圖1 待測無線網(wǎng)絡(luò)組成示意

1.2 解決思路

端到端時延測試的前提在于保證測試兩端的時鐘同步[3]，常用時鐘同步方法利用 NTP協(xié)議或GPS同步時鐘進行同步[4]。由于NTP協(xié)議采用網(wǎng)絡(luò)報文實現(xiàn)時間同步，同步精度一般為毫秒級。而GPS同步時鐘利用 GPS同步衛(wèi)星信號，同時接收1pps信號和時間信息，能夠?qū)崿F(xiàn)高精度（納秒級）的時間同步[5]。為保證測試網(wǎng)絡(luò)兩端主機設(shè)備時鐘的精確同步，本文采用GPS同步時鐘同步測試網(wǎng)絡(luò)兩端的主機設(shè)備時鐘。

測試過程中，待測無線網(wǎng)絡(luò)兩端的主機設(shè)備按照無線網(wǎng)絡(luò)約定的報文協(xié)議將測試報文從一端主機設(shè)備經(jīng)無線網(wǎng)絡(luò)發(fā)往另一端主機設(shè)備。每組測試報文數(shù)據(jù)中包含報文序號、發(fā)送時刻、校驗碼等信息，且直到發(fā)送時才由發(fā)送主機填入當(dāng)前GPS時間作為該組報文的發(fā)送時間T0。經(jīng)無線網(wǎng)絡(luò)傳輸后接收主機收到報文，保存報文并記錄當(dāng)前的GPS時間作為該組報文的接收時間T1。接收時間T1與發(fā)送時間T0的時間差就是當(dāng)前報文在網(wǎng)絡(luò)上的總時延δ0。

由于主機設(shè)備和無線端機之間通過有線網(wǎng)絡(luò)連接。為消除報文在有線網(wǎng)絡(luò)上傳輸時的時延，本測試方法在得到報文在網(wǎng)絡(luò)上的總時延δ之后，利用與測試δ0類似的方法，在有線網(wǎng)絡(luò)上，測試同一站點內(nèi)連接在交換機上的兩個主機設(shè)備雙向通信時接收時間T3與發(fā)送時間T2的時間差，作為報文在有線網(wǎng)絡(luò)上傳輸?shù)臅r延δ1。

總時延δ0減去有線網(wǎng)絡(luò)上傳輸?shù)臅r延δ1，得到無線網(wǎng)絡(luò)端到端的時延δ：

因為無線網(wǎng)絡(luò)通訊狀況和諸多外部因素（例如氣象因素、地理位置因素、建筑物等）也有一定的關(guān)系，因此為得到準(zhǔn)確地結(jié)果數(shù)據(jù)，必須多次、不同時間、大量地采樣。通過取平均值的方式，分析得出最終的測試結(jié)果。

由于測試過程中對時間要求比較嚴(yán)格，因此測試設(shè)備不能采用非實時操作系統(tǒng)，必須采用實時操作系統(tǒng)，例如道系統(tǒng)（DeltaOS）或Vxworks，并選用與實時操作系統(tǒng)相配的硬件[6]。同樣，在開發(fā)通訊測試程序時，盡量采用執(zhí)行效率高的C/C++編程語言或匯編語言。

2 設(shè)計與實現(xiàn)

本文提出的檢測方法在實現(xiàn)上由 GPS時鐘同步系統(tǒng)和通訊測試系統(tǒng)構(gòu)成。由于市面上現(xiàn)有的GPS同步設(shè)備能夠滿足測試指標(biāo)要求，因此直接購買某公司PCI時碼卡，嵌入在測試設(shè)備機箱中。通訊測試系統(tǒng)采用上位機、下位機工作方式。其中，上位機程序負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)預(yù)處理指令、定時指令、設(shè)備重置指令、狀態(tài)查詢指令等控制命令的發(fā)送和狀態(tài)信息、測試結(jié)果信息的顯示，運行在 windows PC機上。下位機程序負(fù)責(zé)執(zhí)行上位機操控命令、向遠地測試設(shè)備發(fā)送報文數(shù)據(jù)、接收遠地測試設(shè)備的報文以及向上位機反饋狀態(tài)信息、結(jié)果信息，并記錄測試數(shù)據(jù)等工作。下位機程序采用C語言開發(fā)，運行在道系統(tǒng)操作系統(tǒng)下，是一個實時進程項目。上位機程序用戶界面如圖2所示。為方便結(jié)果記錄與分析，測試報文在滿足無線網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議的前提下，每組報文還包含報文的序號、發(fā)送時刻、校驗碼等內(nèi)容。

圖2 上位機程序界面

作為測試工作的主要執(zhí)行者，下位機程序由四個任務(wù)構(gòu)成：上位機指令接收任務(wù)、處理任務(wù)、發(fā)送任務(wù)和遠端測試數(shù)據(jù)接收任務(wù)。上位機指令接收任務(wù)負(fù)責(zé)接收上位機發(fā)來的操作指令，一旦接收到上位機指令后，立即通知處理任務(wù)執(zhí)行相應(yīng)的處理工作；處理任務(wù)完成具體的數(shù)據(jù)預(yù)處理、定時發(fā)送準(zhǔn)備、狀態(tài)反饋和結(jié)果分析工作；發(fā)送任務(wù)在等待到發(fā)送數(shù)據(jù)信號量時，從阻塞狀態(tài)轉(zhuǎn)入執(zhí)行狀態(tài)，并立即以預(yù)設(shè)的時間間隔向遠端測試設(shè)備發(fā)送包含當(dāng)前時戳信息的測試報文；遠端測試數(shù)據(jù)接收任務(wù)監(jiān)聽到有測試數(shù)據(jù)到來時，記錄當(dāng)前時戳，并將報文保存在內(nèi)存中，當(dāng)本次測試完成時交由處理任務(wù)進行結(jié)果分析。

3 測試與結(jié)果分析

各站點的GPS天線連接正常后，測試設(shè)備開機，待GPS信號穩(wěn)定后，檢查測試設(shè)備計算機時間是否與GPS時間保持同步。時間同步后，測試開始。首先利用上位機程序設(shè)置測試報文相關(guān)參數(shù)，下位機執(zhí)行數(shù)據(jù)預(yù)處理指令。然后設(shè)定數(shù)據(jù)發(fā)送時間，無線網(wǎng)絡(luò)兩端主機設(shè)備等待定時來臨時，發(fā)送測試報文同時接收遠地測試報文。發(fā)送完成后，等待一定時間后，下位機進行結(jié)果分析，并記錄數(shù)據(jù)。

采用不同報文組數(shù)、不同樣本類型、不同報文長度多次重復(fù)上述測試流程。

在有線網(wǎng)絡(luò)下，測試有線網(wǎng)絡(luò)兩端測試設(shè)備雙向通訊時數(shù)據(jù)接收時間與發(fā)送時間。

多站點組網(wǎng)時，需要借助無線網(wǎng)絡(luò)將測試數(shù)據(jù)同時發(fā)送給網(wǎng)內(nèi)的其它測試設(shè)備，分析數(shù)據(jù)時需要根據(jù)來源站點編號進行區(qū)分處理。

圖3 1號站點接收2號站點數(shù)據(jù)延遲情況

圖4 2號站點接收1號站點數(shù)據(jù)延遲情況

以本項目中1號站點和2號站點端到端網(wǎng)絡(luò)時延檢測為例，圖3和圖4分別是站點1和站點2在每組報文長度等于 1472字節(jié)時接收對方發(fā)送的10000組數(shù)據(jù)的時延統(tǒng)計情況。其中，站點1接收站點 2的平均時延為 15.9842ms，2號站點接收 1號站點的平均時延為16.2639ms。

經(jīng)多次采樣測量，并利用統(tǒng)計學(xué)理論進行分析，最終得出了該無線網(wǎng)絡(luò)1號站點和2號站點間雙向通訊端到端的網(wǎng)絡(luò)時延結(jié)果數(shù)據(jù)。

鏈路方向最小時延(ms)最大時延(ms)平均時延(ms)1#到2# 10.5 26.8 16.1 2#到1# 9.6 26.2 16.0

4 結(jié)束語

本文從具體的項目需求入手，提出了一種軟、硬件結(jié)合的端到端網(wǎng)絡(luò)時延檢測方法。采用GPS接收機完成無線網(wǎng)絡(luò)用戶終端設(shè)備的時鐘同步，然后設(shè)計并實現(xiàn)了基于上位機、下位機方式的通訊檢測系統(tǒng)。經(jīng)多次測試采樣，利用統(tǒng)計學(xué)理論給出了比較準(zhǔn)確的時延檢測結(jié)果數(shù)據(jù)，完成了對無線網(wǎng)絡(luò)多站點端到端雙向通訊時的網(wǎng)絡(luò)時延檢測。本文提出的端到端雙向通訊網(wǎng)絡(luò)時延檢測方法，從時鐘同步、操作系統(tǒng)選擇、軟件設(shè)計和結(jié)果分析方法等多各方面充分考慮了其對檢測結(jié)果可能產(chǎn)生的影響，采用精確、實時、優(yōu)良、合理的方法，提高了測試結(jié)果的準(zhǔn)確度。通過對測試報文協(xié)議的調(diào)整，本文提出的端到端雙向通訊網(wǎng)絡(luò)時延檢測方法能夠比較容易地擴展至其它類似的網(wǎng)絡(luò)時延測試項目。