一种提高时延测量精度的网络时延测量方法
【专利摘要】本发明公开了一种网络时延测量方法。该方法包括：时延测量过程中自动减去目的端设备的处理时间，使得时延测量值能更精确地反应当下网络运行的状况；通过UDP无连接的传输层协议发送测试数据包，解决有些情况下ICMP数据包被屏蔽的问题；针对UDP传输不可靠的问题利用TCP可靠传输来传递时间戳的值；在数据包到达网卡的时刻计时，将收发包时间戳记录位置从应用层移动到物理层，以便更加接近数据包离开和到达的真实时刻。能够去除目的端设备的处理时延，使得收发包时间戳更加接近真实收发包时刻，所测时延值可以更好的反应当下网络的运行状况。
【专利说明】一种提高时延测量精度的网络时延测量方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及网络时延测量【技术领域】，具体是一种通过减去目的端设备的处理时延 来提高时延测量精度的网络时延测量方法。
【背景技术】
[0002] 随着时延是评价网络性能的基本指标，同时也是测量时延抖动、网络带宽等性能 指标的基础。时延测量在网络性能监测、网络行为分析、网络应用设计等领域有着广泛的应 用。随着网络的发展，特别是光纤的诞生应用，网络带宽已经达到lOGbps，桌面也有很多采 用百兆以太网或者ADSL等宽带接入，时延变得很小，常用工具的测量精度已经不能满足测 量分析的需求。随着网络速率的提升，对高精度的时延测量方法进行研究非常有必要。
[0003] 网络性能测量中，往返时延常常被用作反映网络状态的一个重要指标。往返时延 可以看做由三部分组成：源端到目的端的传输时延，目的端设备的处理时延，目的端到源端 的传输时延。在这三部分中，目的端设备的处理时延并非是数据包在网络中传输的时间，并 且这段时间也会随着目的端硬件设备的不同而不同，这就导致测量得到的时延值也不同。 事实上，这段时延只是目的端设备的处理时间，并不是数据包在网络中经过的时间，不能反 映当下网络的运行状况，所以将目的端设备的处理时延略去有利于时延更准确的反应网络 状况。然而最常用的时延测量工具PING为了方便起见并没有将这一段时延去掉，这就导致 测量得到的时延值不准确。此外，PING采用ICMP协议，当时延测量的目的主机或者是路径 中其它节点过滤ICMP数据包后，PING将不能进行测量。针对这一问题可以采用UDP数据 包来测量往返时延。数据包在发送和接收的过程中存在缓存，缓存的时间与主机设备以及 主机当下的负载状况有关。网卡会产生中断来通知驱动程序对数据包进行处理，对中断的 响应所需的时间也是随着主机设备以及主机当下的负载情况有关。由于数据包缓存延迟以 及终端响应时间延迟不确定等因素的影响，记录数据包收发时间戳的精度不够高。此外，想 要实现在时延计算过程中减去目的端设备处理时延的影响就要实现源端和目的端之间时 间戳数据的通信，即将目的端记录的两个时间戳传送到源端。UDP协议是面向无连接的，采 用UDP报文来传输时间戳数据信息不是最佳选择。如果直接将T2和T3作为数据用测量包 传输到源端，那么该情况下目的端数据包发送时间戳T3必须是在数据包构造之前就获取， 这就会导致获取的时间戳距离真实的发包时刻相差更远。上述问题在时延测量的过程中均 会引起误差，影响时延对网络状态的真实反应。
【发明内容】
[0004] 针对以上现有技术中的不足，本发明的目的在于提供一种提高时延测量精度的网 络时延测量方法。本发明的技术方案如下：一种提高时延测量精度的网络时延测量方法，其 包括以下步骤：
[0005] 101、当进行网络时延测量时，源端按照UDP协议构造测量数据包I，然后将构造 好的测量数据包I发送给目的端，并记录测量数据包I离开源端网卡的时间作为发送时间 戳T1，将该发送时间戳T1存放到源端MAC层的时延计算模块中；
[0006] 102,当目的端接收到源端发送来的测量数据包I后，目的端记录测量数据包I到 达目的端网卡的时间作为接收时间戳T2,并将T2存放在目的端MAC层的通信模块中；
[0007] 103、目的端对测量数据包I进行响应，按照UDP协议构造新的测量数据包II，并 将新的测量数据包II发送给源端，将测量数据包II离开目的端网卡的时间记为发送时间戳 T3,将该时间戳T3存放在目的端MAC层的通信模块中；
[0008] 104、当源端接收到新的测量数据包II后，记录新的测量数据包II到达源端网卡的 时间为接收时间戳T4,并将T4传递到源端MAC层的时延计算模块；
[0009] 105,同时目的端构造TCP数据包，将T2和T3作为数据传送到源端；，当源端接收 至IJ TCP数据包后，得到时间戳T2和T3,源端MAC层的时延计算模块结合本地存储的T1和 T4,计算往返时延值RTT= (T2-T1) + (T4-T3) = (T4-T1)-(T3-T2)，并显示网络时延测量结 果值。
[0010] 进一步的，步骤101中所述的测量数据包I为UDP数据包。
[0011] 本发明的优点及有益效果如下：
[0012] 本发明网络时延测量方法通过去除目的端设备处理时延可以更精确的获得时延 测量值，更好地通过时延反应当下网络运行状况，避免因服务端设备性能差异而带来的误 差；通过TCP可靠传输解决目的端测量时延值传送到源端的问题；通过将时间戳记录位置 由应用程序转移到网卡位置来获得更准确的时间戳。该方案所测的的网络时延值将更加精 确。
【专利附图】
【附图说明】
[0013] 图1所示为本发明优选实施例系统流程示意图；
[0014] 图2数据包接收过程中可以添加时间戳位置的示意图；
[0015] 图3本发明采用的时延计算方法图；
[0016] 图4数据包发送和接收过程；
[0017] 图5时间戳传递原理图；
[0018] 图6是传输时间戳数据的TCP报文格式；
[0019] 图7是UDP测量数据报格式。
【具体实施方式】
[0020] 下面结合附图给出一个非限定性的实施例对本发明作进一步的阐述。
[0021] 下面结合附图给出一个非限定的实施例对本发明作进一步的阐述。但是应该理 解，这些描述只是示例的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知 结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。为了达到目的，本发明的技术方案 如下：
[0022] 1)为了保证时延值是网络状态的真实反映，减去目的端设备的处理时延。
[0023] 2)为了解决ICMP协议被目的端主机或者路径中的中间节点过滤掉的情况，采用 UDP报文作为测量数据包。
[0024] 3)采用面向连接的TCP协议，将目的端测量得到的时间戳数据通过TCP可靠传输 传递到源端。
[0025] 4)时间戳记录的真实性影响时延值的准确性，将时间戳的记录位置从应用层转移 到物理层网卡的位置。
[0026] 下面对本发明进行进一步说明：
[0027] 1)为了保证时延值是网络状态的真实反映，减去目的端设备的处理时延。从源端 发送UDP数据包到测试的目的端，目的端接受到该测试数据包后向源端发送UDP数据包。分 别按照顺序在源端和目的端记录四个时间戳：源端测量数据包发送时记录时间戳T1 ;目的 端接收测量数据包时记录时间戳T2 ;目的端发送测量数据包时记录时间戳T3 ;源端接收到 测量数据包时记录时间戳T4。往返时延值RTT= (T2-T1) + (T4-T3) = (T4-T1)-(T3-T2)。
[0028] 2)为了解决ICMP被目的端主机或者路径中的中间节点过滤掉的情况，采用UDP报 文作为测量数据包。UDP和ICMP较为类似，都是面向无连接的，区别是UDP需要指定一个端 □。
[0029] 3)想要实现源端和目的端之间的测量数据的传输，直接将测量得到的数据放在测 试数据包m)P中传递不是最佳方案，因为UDP协议是面向无连接的。此外，如果直接将T2 和T3作为数据用测量包传输到源端，那么该情况下目的端数据包发送时间戳T3必须是在 数据包构造之前就获取，这就会导致获取的时间戳距离真实的发包时刻相差更远。针对这 两个问题的解决方案是采用TCP来传送T2和T3,在保证了数据可靠传输的同时也避免了因 需要传送T2和T3而带来的发包时间戳的误差。在源端记录时间戳T1和T4,在目的端记录 时间戳T2和T3,将T2和T3作为数据利用TCP协议从目的端传送到源端，以供计算往返时 延。
[0030] 4)时间戳记录的真实性影响时延值的准确性。下面以接收数据包为例来进行说 明。以太网上的物理帧被网卡芯片获取之后，网卡将数据传递到主机内存，同时通过中断通 知驱动程序处理接收到的数据包。接着主机响应中断，将数据包拷贝到上层协议栈中进行 处理，处理后的数据包到达应用层。在不同位置插入时间戳所受缓存和中断响应时间带来 的延迟的影响是不同的，这会导致时间戳与数据包到达的真实时间偏差也不同。为了数据 包的接收时间戳更加接近测试数据包接收的真实时间，将时间戳的计时位置从应用层转移 到物理层网卡的位置。在数据包到达网卡时刻记录数据包接收时间。
[0031] 图1是是本发明时延测量原理，包括如下步骤：
[0032] 步骤101，源端构造测量数据包；
[0033] 步骤102,源端发送测量数据包，记录数据包离开网卡的时间作为发送时间戳T1 ;
[0034] 步骤103,将该时间戳T1存放到时延计算模块中；
[0035] 步骤104,目的端接受测量数据包，记录数据包到达网卡的时间作为接收时间戳 T2,并将T2存放在通信模块中；
[0036] 步骤105,目的端对测量数据包进行响应，构造新的测量数据包；
[0037] 步骤106,目的端发送测量数据包，记录数据包离开网卡的时间作为发送时间戳 T3 ；
[0038] 步骤107,将该时间戳T3存放在通信模块中；
[0039] 步骤108,源端接收测量数据包，记录数据包到达网卡的时间作为接收时间戳T4， 并将T4传递到时延计算模块；
[0040] 步骤109,目的端构造TCP数据包，将T2和T3作为数据传送到源端；
[0041] 步骤110,源端接收TCP数据包，得到时间戳Τ2和Τ3,结合本地存储的Τ1和Τ4计 算往返时延值并显示结果。
[0042] 图2是数据包接收过程中可以添加时间戳位置的示意图。
[0043] 影响数据包收发处理时间的因素主要为几下几点：中断服务开销；数据拷贝和内 存分配操作；在内核协议栈上多余的协议处理时间。每个数据包的响应时间是在内核里的 传输时间和用户空间程序响应时间之和。内核里的传输时间包括硬终端延时、中断服务开 销、中断和内核的上下文切换时间、协议栈处理的时间以及内核和用户空间的上下文切换 时间。数据包在用户空间的处理时间不仅取决于程序本身的效率，还与LINUX内核行为有 关。如图2所示，加入时间戳的位置可以有多种选择，记录的时间戳分别为用户空间、内核 空间、硬件时间戳。最常用的时延测量工具PING采用的是用户空间时间戳，如图2中11、t2 位置。内核空间网卡驱动是通过软件可以控制的最接近数据包收发的真实时刻，见图2中 t3、t4位置。硬件时间戳须修改硬件，虽然实现较为复杂，但是最接近数据包收发的真是时 亥IJ。本方案将时间戳记录位置移动到MAC层，即图2中t5、t6位置，以便更接近数据包到达 网卡的真实时间。
[0044] 图3是本发明实施例的数据包发送和接收过程示意图，包括如下步骤：
[0045] 步骤301，Linux网卡驱动程序为IP数据包添加14字节的MAC包头，构成MAC数 据包，主机的CPU首先检查网卡是否有足够大的发送缓冲区，用于存放待发送的数据包；
[0046] 步骤302,主机CUP将内存缓冲区中的MAC数据包拷贝到网卡的发送缓冲区内；
[0047] 步骤303,网卡芯片将其发送缓冲区内的MAC数据包封装成物理帧，并添加头部信 息和CRC校验码，然后将MAC数据包传到以太网上并记录此时的时间戳。等到MAC数据包 传到以太网后，网卡设备产生一个发送中断，随后进入中断处理程序，清楚缓冲区里的数据 包；
[0048] 步骤304,来自以太网的帧会被网卡芯片获取网卡芯片检测物理帧的 CRC (Cyclical Redundancy Check),从而保证物理巾贞的完整。检验完成后，物理巾贞的头部会 被去掉，从而得到MAC包。网卡芯片对比MAC包内的目的MAC地址是否与本网卡MAC相同， 不同则丢弃，若相同则记录时间戳，然后将MAC帧拷贝到网卡上接收缓冲区中；
[0049] 步骤305, MAC帧接受完后，网卡会产生接收中断，通知主机有数据包被接收，CPU 进入接收中断处理；
[0050] 步骤306，CPU会在内存中分配块缓冲区，来存放数据包；
[0051] 步骤307,网卡驱动通过中断将网卡缓冲区中的数据包拷贝到系统分配的内存中 的缓冲区中；
[0052] 步骤308,协议帧会去掉缓冲区传来的MAC包头，得到数据包。
[0053] 图4是本发明时延计算原理图图。将目的端对数据包进行处理的时间去掉，使得 测量所得时延能更好的反应当下网络的运行状况，同时避免目的端设备差异带来的影响。 计算公式为：往返时延值RTT= (T2-T1) + (T4-T3) = (T4-T1)-(T3-T2)。具体步骤如下：
[0054] 步骤401，源端向目的端发送测量数据包；
[0055] 步骤402,目的端接收到数据包后对源端进行响应，向源端发送测量数据包。
[0056] 图5是本发明时间戳数据传输原理图。首先，源端建立TCP三次握手协议与目的 端建立连接；其次，发送UDP测量数据包；目的端接受后记录T2,并返回相应UDP包记录T3 ; 同时TCP将记录结果Τ2和Τ3传递到源端。每一次测量过程都是上述过程的重复，所有测 量包发送结束后，TCP四次挥手结束连接。
[0057] 图6是传输时间戳数据的TCP报文格式，TCP数据被封装在一个IP数据包中，在 构造TCP数据包时将T2和T3填充到TCP数据部分。
[0058] 图7是UDP测量数据报格式，用户数据报协议在IP数据报服务至上增加了端口功 能和差错功能。UDP报文中有两个部分：数据部分和首部，首部部分由四个字段组成：源端 口号、目的端口号、长度、检验和。
[0059] 以上这些实施例应理解为仅用于说明本发明而不用于限制本发明的保护范围。在 阅读了本发明的记载的内容之后，技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等效变 化和修饰同样落入本发明方法权利要求所限定的范围。
【权利要求】
1. 一种提高时延测量精度的网络时延测量方法，其特征在于，包括以下步骤： 101、 当进行网络时延测量时，源端按照UDP协议构造测量数据包I，然后将构造好的 测量数据包I发送给目的端，并记录测量数据包I离开源端网卡的时间作为发送时间戳 T1，将该发送时间戳T1存放到源端MAC层的时延计算模块中； 102、 当目的端接收到源端发送来的测量数据包I后，目的端将测量数据包I到达目的 端网卡的时间作为接收时间戳T2,并将T2存放在目的端MAC层的通信模块中； 103、 目的端对测量数据包I进行响应，按照UDP协议构造新的测量数据包II，并将新 的测量数据包II发送给源端，将测量数据包II离开目的端网卡的时间记为发送时间戳T3， 将该时间戳T3存放在目的端MAC层的通信模块中； 104、 当源端接收到新的测量数据包II后，将新的测量数据包II到达源端网卡的时间为 接收时间戳T4,并将T4传递到源端MAC层的时延计算模块； 105、 同时目的端构造TCP数据包，将T2和T3作为数据传送到源端，当源端接收到TCP 数据包后，得到时间戳T2和T3,源端MAC层的时延计算模块结合本地存储的T1和T4,计算 往返时延值RTT= (T2-T1) + (T4-T3) = (T4-T1)-(T3-T2)，并显示网络时延测量结果值。
2. 根据权利要求1所述的提高时延测量精度的网络时延测量方法，其特征在于：步骤 101中所述的测量数据包I为UDP数据包。
【文档编号】H04L12/26GK104144088SQ201410355604
【公开日】2014年11月12日 申请日期:2014年7月24日 优先权日:2014年7月24日
【发明者】唐红, 刘静娴, 赵国锋, 邓娅茹, 王大瑞, 戴俊, 王新恒, 唐文广 申请人:重庆邮电大学