数据网端到端时延测量.ppt

2 2 概述 两个工作组： IETF的基准测试方法学工作组(Benchmarking Methodology Working Group，BMWG) BMWG主要关注在实验室环境下测试IP性能，主要目标是对各种网络互 联技术性能特征的测量方法给出建议，进而主要集中在基于这些技术的系 统和服务上。 IP性能度量指标工作组(IP Performance Metric，IPPM) IPPM工作组定义了一套用来定量表征互联网数据传送业务的质量、性能 和可靠性的一组标准度量。在其公布的RFC中给出了指标的定义、测量过 程和结果描述方法。 测量指标定义必须遵守的标准： (1)测量指标必须是具体和严格定义的； (2)对该指标的测量方法必须是可重复的； (3)测量指标必须是无偏的； (4)测量指标必须具有区分性； (5)测量指标对用户和网络运营商了解网络性能必须是有用的； (6)测量指标必须是能避免人为影响的性能指标。 3 IPPM定义和正在定义的指标 (1)连通性(Connectivity，RFC2678) (2)单向时延(one-way delay，RFC2679) (3)往返时延(round-trip delay，RFC2681) (4)时延抖动(delay variation，RFC3393) (5)单向丢弃率(one-way loss，RFC2680) (6)双向丢弃率(round-trip loss) (7)丢弃模式(loss patterns，RFC3357) (8)数据包乱序(packet reordering，RFC4737) (9)单向数据包复制(one-way packet duplication，草案阶段) (10)批量传输容量(bulk transfer capacity，RFC3148) 4 端到端时延测量 评估网络服务质量（QoS），验证网络运营商与客户之间服务 等级协议（SLA）的重要指标 能用来研究有效的拥塞控制机制，根据获得的时延动力学特征 及建立的模型，预测时延的变化情况来调整传输策略。这样使 得到的算法、设定的参数更符合实际网络运行规律 对于时延敏感型业务，如流媒体应用，可作为播放（Playout ）控制、接入控制的依据 可作为度量网络路径性能的指标（Metric），用以进行路由 优化和路由动态更新 可用作网络优化的依据，据其制定负载均衡策略，同时能给新 的网络应用，如CDN（Contention Distribution Network ）提供支持 CDN CDN技术是近年来在美国首先兴起并迅速发展起来的一种解决 互联网性能不佳问题的有效手段。 其基本思路就是尽可能避开 互联网上有可能影响数据传输速度和稳定性的瓶颈和环节，使 内容传输的更快、更稳。通过在网络各处放置节点服务器所构 成的在现有的互联网基础之上的一层智能虚拟网络，cdn系统能 够实时地根据网络流量和各节点的连接、负载状况以及到用户 的距离和响应时间等综合信息将用户的请求重新导向离用户最 近的服务节点上。 时延的基本概念 IETF的IPPM工作组制订： 单向时延（One-way Delay，RFC 2679） 双向时延（Round-trip Delay，RFC2681） IP分组时延变化（IP Packet Delay Variation，RFC3393） 7 时延的基本概念 RFC2679定义了 “Type-P-One-way-Delay”：对于实数dT，在T时刻 从源主机Src到目的主机Dst的“Type-P-One-way-Delay”为dT是指Src 在T时刻发送Type-P分组的第一个比特，而Dst在T+dT时刻收到该分 组的最后一个比特。测量时延的误差和不确定性主要来自于Src和Dst 主机时钟的同步（Synchronization）、精度（Accuracy）、分辨率 （Resolution）和频差（Skew，时钟偏差的一阶导数）。 “Type-P-One-way-Delay-Poission-Stream”,特指进行多次测量时， 测量时间序列符合Poission过程（也就是说相邻两个测量时刻间隔时 间服从指数分布），此时的参数有：源、目的地址，测量开始、结束 时间，平均到达率。最终得到了序列对。 对于得到的测量样本，RFC2679也定义了几个统计量： 百分数（Type-P-One-way-Delay-Percentile） 中值（Type-P-One-way-Delay-Median） 最小值（Type-P-One-way-Delay-Minimum） 逆百分数Type-P-One-way-Delay- Inverse- Percentile 时延的基本概念 RFC2681定义了往返时延的指标“Type-P-Round-trip-Delay” 服从Poission分布的测量时间序列指标“Type-P-Round-trip- Delay-Poisson-Stream” 几个统计量： Type-P-Round-trip-Delay- Percentile； Type-P-Round-trip-Delay-Median； Type-P-Round-trip-Delay- Minimum； Type-P-Round-trip-Delay-Inverse- Percentile。 时延的基本概念 RFC3393定义了对于IP电话和视频流等应用的性能非常重要的 指标单向时延变化（Delay Variation）“Type-P-One-way -ipdv”，该指标中还考虑了时钟之间的漂移（drift，时钟偏差 的二阶导数）， 服从Poission分布的测试流单向时延变化指标“Type-P-one- way-ipdv-Poisson-stream” 几个统计量： 概率分布 Type-P-One-way-ipdv-percentile Type-P-One-way-ipdv- inverse-percentile Type-P-One-way-ipdv-jitter Type-P-One-way-peak-to- peak-ipdv 时延测量方法 往返时延的测试。 不需同步，易于实现，常用的方法如ICMP echo/reply（ping）, TCP SYN/ACK等。 问题：不对称路径。 直接测量单向时延。 问题：测试点往往位于不同的地点，收发主机时钟同步问题。 11 端到端时延 端到端时延主要分为四个部分，即：处理时延、传输时延、传 播时延和排队时延： 传输时延（Transmission delay）：指发送节点在传输链路上 开始发送分组的第一个比特至发完该分组的最后一个比特所需 的时间。Tt主要由连接速度或容量决定，对于每一个探测包， 传输时延被认为是相同的。 传播时延（Propagation delay）：指发送节点在传输链路上发 送第一个比特时刻至该比特到达接收节点的时间。Tg由电磁波 通过通信链路的物理信道的传播时间所决定。 端到端时延 排队时延（Queuing delay）：指分组在路由器的缓冲区中， 传输或处理前的等待时间，Tq由路由器中的交换结构决定。若 节点的传输队列在节点的输出端，则排队时延是指分组进入传 输队列到该分组实际进入传输的时延。若节点的输入端有一个 等待队列，则排队时延是指分组进入等待队列到分组进入节点 进行处理的时延。 处理时延（Processing delay）：指分组到达一个节点的输入 端与该分组到达该节点的输出端之间的时延，指在交换网络的 时延。它受每个节点的计算能力和可用的硬件的影响。总体上 看是一个随机变化的，每一个探测包在路由器中处理的速度不 完全相同，因此，可以分为一个确定部分和一个随机部分： 1 0 1 1 0 0 1 发送器 队列 在链路上产生 传播时延 结点 B 结点 A 在发送器产生 传输时延 在队列中产生 排队时延 数据 从结点 A 向结点 B 发送数据 路径 在节点产生 处理时延 举例： 对于一个H跳的链路，端到端时延： 15 分组在终端处的排队时延分组在源端的传播时延 分组在源端的传输时延 链路长度 信号传播速度 分组长度 链路带宽 端到端时延 对端到端时延变化影响最大的是排队时延，影响的主要因素有 ：链路的负荷情况、队列管理机制、缓冲区管理机制、接口处 理能力等。 端到端时延 由于收发时钟不同步，仅仅简单地以分组到达接收主机时刻（ 读取接收主机时间）减去分组离开发送主机的时刻（读取接收 主机时间）获得端到端时延，常常误差较大。 发送数据包来测试端到端时 延，发送200字节长的1000 个数据包，时间间隔是200毫 秒, 用UDP协议，从源主机到 目的主机。 搬钟时间同步法 用一个标准钟作搬钟，然后用搬钟比对校准系统中的时钟。首 先让系统的标准时钟比对校准这个搬钟，然后将系统中的其它 时钟与搬钟同步比对，实现系统其它时钟与系统统一标准时钟 同步。搬钟同步方法虽然简单，但是在搬运过程中会受到搬运 方法和环境的影响。甚至在搬到异地后，由于地理条件的不同 ，环境不同而带来搬运标准钟的变化。另外，要保持较高精度 的时钟同步，那么就需要经常搬钟同步比对，很不方便。因此 ，这种方法由于不能实时或近实时作时间同步，现在很少采用 。 单向时间同步法 在单向时间同步法中，主站通过各种途径将同步信息传送给从 站，从站根据这些同步信息采用一定的算法校正到主站的时间 和频率上。为了精确定时，同步信息应该包括主站精确坐标、 主站系统频率及时间等。从站利用直接或间接得到的自己的坐 标与主站给的坐标计算信号传播的时延，然后利用计算得到的 时延、主站系统时间、距离时延校正以及从站接收机时延校正 就可以校正本站的时间，利用主站发送过来的系统频率就可以 校正本站频率。 由于传播途径所遇环境的复杂性，距离时延误差因传播信号的 路径的不同而差异较大。总的说来，单向时间同步法的时刻同 步精度大部分只能达到微秒级别，校频精度一般比主站频率准 确度小一两个数量级。但是该方法所用设备相对简单。比如传 统的短波授时、LORAN-C长波授时都属于单向时间同步法。 双向时间同步法 Step 1： Step 2： Step 3： 由环境影响引起的误差传播时间 这种方法可以使同步精度达到纳秒级 基于GPS授时的时钟同步 GPS的全称是“授时与测距导航系统全球定位系统”（ Navigation System Timing and Ranging/Global Positioning System， NAVSTAR/GPS）,是美国国防部为满足军事部门对海上、陆地和空中 设施进行高精度导航和定位而建立的新一代导航与定位系统。 具有全球性、全天候、连续的精密三维导航和定位能力，同时具有良好 的抗干扰性和保密性，在军事和民用方面都得到了很大的应用，它于 1978年开始可行性验证，到1994年最终建成。 基本原理：卫星不间断的发射自身的星历参数和时间信息，用户接收到 这些信息后，经过计算求出接收机的三维位置、三维方向及运动速度和 时间信息。 GPS定位原理 卫星位置： 用户位置： 无线电波速度： C 用户时钟和GPS主时钟标准时间的时差： 卫星i上的原子钟和GPS主时钟标准时间的时差： 用户测量得到的与第i个卫星之间的伪距： GPS基本组成：空间部分 21颗工作卫星，3颗备用卫星。分布在六个轨道面上（每轨道面四 颗），轨道倾角为55度。海拔20200km。运行周期约为11小时58分 。 GPS卫星在空间的配置，保障了在地球上的任何地点、任何时刻都 至少可以观测到4颗卫星，而且卫星信号的传播和接收不受天气的 影响。因此GPS是一种全球性、全天候的连续实时定位系统。 Solar powered, backup batteries GPS satellite Satellite Tasks Receive and save the ephemeris（星历） from control segment Generate GPS signal (code and carrier phase) Transmit the GPS signal Accept the control command to adjust the satellite status Communication Main load on board Radio transceivers, atomic clock （2 CESIUM and 2 RUBIDIUM ）,computer Various ancillary (satellite antenna, solar panel, backup batteries, propulsion system etc.) GPS控制部分 地面控制部分由1个主控站，5个全球监测站和3个地面注入（控制 ）站组成。 监测站（Monitor Station）将取得的卫星观测数据，包括电离层 和气象数据，经过初步处理后，传送到主控站。 主控站（Master Control Station）从各监测站收集跟踪数据，计 算出卫星的轨道和时钟参数，然后将结果送到3个地面控制站。提 供GPS系统的精密时钟基准; 调整偏离轨道的卫星;启用备用卫星。 地面控制站（Ground Antenna）在每颗卫星运行至上空时，把这 些导航数据及主控站指令注入到卫星。这种注入对每颗GPS卫星每 天一次，并在卫星离开注入站作用范围之前进行最后的注入。 用户设备部分 接收GPS卫星发射信号，以获得必要的导航和定位信息，经数据处理 ，完成导航和定位工作。GPS接收机硬件一般由主机、天线和电源组 成。 GPS系统采用扩频技术，GPS采用码分多址来区分各个卫星。 GPS卫星产生两组电码, 一组称为C/A码( Coarse/Acquisition Code ，1.023MHz) ；一组称为P码(Precise Code，10.23MHz) ，P码因频 率较高，不易受干扰，定位精度高，因此受美国军方管制，并设有密 码，一般民间无法解读，主要为美国军方服务。C/A 码人为采取措施 而刻意降低精度后，主要开放给民间使用。 GPS的军事应用 全时域的自主导航。 各种作战平台的指挥监控。 精确制导和打击效果评估。 在近几场高技术局部战争中，美军使用精确制导导弹和炸弹的比例 比海湾战争时增加了近100倍，而它们全部或大部分都依靠GPS制 导。 未来单兵作战系统保障。 在科索沃战争中，美军的F117隐形飞机被击落后，由于飞行员配 备了GPS接收机的呼救装置，从而使美军能抢在南联盟军队之前， 在7小时内找到并救出飞行员。 军用数字通信网络授时。 GPS receiver types Some Website /gps/index.html /geography/gcraft/notes/gps/gps_f. html .au/snap/gps/gps_survey/principl es_gps.htm GPS测时 GPS采用独立的时间系统作为导航定位计算的基础，即GPS时间系 统（GPST），它属于原子时系统（Atomic Time，AT），其秒长 采用原子时秒长，原点规定于1980年1月6日0时与协调世界时（ Universal Time Coordinated，UTC）时刻一致，以后采用原子 时秒长累计计时。 GPS测时 单站测时法 应用一台GPS 接收机，在一已知坐标(或坐标未知但能收到4 颗以 上卫星) 观测站上进行测时。精度可达50ns 共视测时法 在两个观测站或多个观测站各设一台GPS 接收机，同步观测同一 颗卫星来测定两用户时钟的相对偏差，从而达到高精度时间比对的 目的。精度一般能达到数十ns 到几ns。缺点：实时性差。 综合法 与单站多星测量模式相似，在各站观测所有在视的卫星，同时又像 共视法同步观测，交换两站数据综合处理。结果与共视法的精度相 当，但提高了可靠性。 GPS测时特点 利用GPS实现时间同步具有以下特点： （1）同步精度相对较高，时钟同步精度可以达到纳秒级，频率校正精 度可以达到 10 12 量级； （2）不需要发送设备，省去了需自配昂贵的高准确度原子频率基准， 故它的成本相对较低； （3）可以在任何时间任何地点任何天气情况下都能接受到GPS信号 （4）利用GPS的时间同步系统的可靠性相对较好。因为GPS系统作为 美国的战略系统，它有严密的可靠性保障，一般不容易出问题。 基于GPS的时钟同步系统 GPS接收机不但可以输出时间信息，还可以以一定精度输出代表GPS 系统时的秒脉冲信号。若地面系统内的所有站都同步于该秒脉冲则该 系统就实现了时间同步。 基于GPS的时钟同步系统 （1）原子钟:产生原始频率信号，校正后可以达到更高频率准确度的输出频率 。同时产生高精度的秒脉冲信号，经校准后作为同步系统的输出。 （2）GPS接收机:接收GPS信号，产生同GPS系统时有一随机误差的秒脉冲用 于同步系统的定时和校频。 （3）时差频差测量:测量GPS接收机输出的秒脉冲和原子钟分频产生的秒脉冲 之间的沿差，测量GPS时钟的原始频率，并把这两个测量数据输出给微处 理器进行处理。 （4）微处理器:接受测量模块传送的数据，然后对其进行处理并按一定的时序 送给校正模块 （5）时间和频率校正：包括校正秒沿差模块和校频模块 （6）人机界面：显示微处理器给出的状态信息并在系统工作异常时报警。 北斗导航 The Galileo Satellite Constellation 30 satellites in three Medium Earth Orbit MEO planes at 23616 km altitude 1 satellite per orbital plane is a spare Inclination of orbital planes 56 degrees One revolution 14 hours 4 min Ground track repeat 10 days Inclination 56 degrees 基于NTP的时钟同步方法 网络时间协议NTP( Network Time Protocol)最早由美国特拉华大 学（University of Delaware）David L. Mills教授于1985年提出 ，用来实现计算机时钟与国家标准时间同步。 NTP版本1于1988年提出，定义于RFC1059 中，引入对称和客户/服 务器的工作模式。 NTP版本2于1989年提出，定义于RFC1119中，引入对称密钥认证模 式，同时DEC公司提出了DTSS(Digital Time Synchronization Service数字时间同步服务)实现。 基于NTP的时钟同步方法 NTP版本3于1992年出现，定义于RFC1305中，它综合了DTSS与NTP 以前版本的优点，提出了正式的正确性原则，并引入广播模式。 1994年提出NTP内核版，定义于RFC1589中，描述了一些新的实现与 接口，精度达到了微秒量级。 如今可以得到的NTP最新版本是NTP版本4, 定义于RFC-4330，称为 IPv4、IPv6和OSI的简单网络时间协议(Simple Network Time Protocol，SNTP)版本4。 在局域网上其准确度可达1-2毫秒，在广域网上可达几十毫秒。 NTP原理 NTP协议是通过网络实现计算机时钟的同步,最典型的操作模式是客户 /服务器(client/server)模式。 则客户机和服务器之间的时间偏移量和报文在网络的往返传输延时D 分别为 这里假定从客户到服务器和从服务器到客户的时延相等，而且假定偏 移量不随时间变化，即不考虑两者时钟之间的频差和抖动。 对称模式NTP 一次测量通常不能得到准确的时间，所以NTP时间同步需要获取多个 服务器上的多个信息。 为了提高时间服务器的稳健性，NTP协议还提供了另外一种操作模式 对称模式。运行在对称模式的主机既可以同步对等方，又可以被 对等方同步。这样，即使是高层的时间服务器出现故障，或与该服务 器的通信中断时，底层的主机之间也可以相互同步起来。 NTP的网络结构和实现模型 NTP系统采用层次式时间分布模型，其网络结构包括主时间服务器、 从时间服务器及客户与节点间的传输路径。 主时间服务器与高精度同步时钟源直接连接 ，提供准确到100us或 10us量级的同步到UTC的时间精度。 从时间服务器经由主服务器或其它从服务器获得同步。在正常情况下 ，节点(包括从时间服务器及客户)只用最可靠、最准确的服务器及传 输路径来进行同步，因此通常的同步路径呈现为一个层次结构。 NTP的网络结构和实现模型 NTP将传输路径区分为工作同步路径(Active Synchronization Paths)与备份同步路径(Backup Synchronization Paths)。两者都进 行时间消息包的传输，但节点只用工作同步路径的数据进行同步处理 。 NTP的基本实现模型 发送进程收集数据库信息，并把NTP消息发送到对端机。各消息含有 在发送时刻的本地时间戳，加上接收到的时间截，以及其它用以确定 分层和管理协同的必要信息消息。 接收进程负责接收NTP消息，及其它协议的消息，以及来自直接相连 的时钟的信息。采用过滤算法舍弃低劣的数据 NTP的基本实现模型 更新过程是在接收到消息的情况下启动。它处理来自各服务器的偏移 数据，用时间选择算法选择最佳者。 本地时钟进程是用来对更新过程产生的偏移数据进行操作。使用时钟 调节算法来调节本地时钟的相位和频率，通过本地时钟的步进改变或 渐进相位调节使得本地时钟能够向系统中的其它用户提供稳定的时间 信息来源 NTP是一个跨越广域网或局域网的复杂的同步时间协议，它通常可获 得毫秒级的精度。简单网络时间同步协议SNTP (Simple Network Time Protocol )用于那些不需要完整NTP实现的主机，它是NTP的一 个子集。通常让局域网上的若干台主机通过因特网与其它NTP主机实 现时钟同步，接着再向局域网内其他客户端提供时间同步服务。 NTP的体系结构 为了获得时间服务的最大可靠性和准确性，客户机通常要配置多个服务器以 提供冗余，即要通过多条同步路径来同步于根部的初级时间服务器。 由时钟滤波器算法从中选出最好的抽样值作为相对于该服务器的偏移量。 经时钟选择算法，检测并丢弃时间误差较大的服务器，可能会有多个符合要 求的服务器。 时钟合成算法以同步距离为权值，将这些符合要求的服务器的偏移量进行