时延测试

7.2.1 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）
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7.2.1 时延的基本概念
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cdncontentiondistributionnetwork提供支持cdncdn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
T p T pd T ps
端到端时延
从结点 A 向结点 B 发送数据
在链路上产生 传播时延
在队列中产生 排队时延
在发送器产生 传输时延 数据 队列 结点 A 发送器
1011001 …
路径 在节点产生 处理时延 结点 B
举例：

对于一个H跳的链路，端到端时延：
delayt t g , 0 tt , 0
t 1 t 2 2 t
这种方法可以使同步精度达到纳秒级
7.2.3 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。
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。
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：
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
∆t
计 算 钟 差 发校正钟差 同步较正 通 信 链 路 测时延
s t0
tm 0
发同步信号 测时延
t
t1
m
s 1
发同步信号
主站
从站
Step 1： Step 2： Step 3：
s m t 1 t 1 t 0 t t t e
t 2 t t e t
由环境影响引起的误差传播时间
7.2.2 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。
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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。

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<时间，时延>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


(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(ound-trip loss) (7)丢弃模式(loss patterns，RFC3357) (8)数据包乱序(packet reordering，RFC4737)
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。
1 , h 0 bh
H
T p t p ,h ,
h 1
Tq
H 1 h 1
t
q ,h
Tc Tg T p
delayt l Tg T p Tq l Tc Tq
min delaytn Tc l
n
端到端时延



7.2.1 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-tripDelay-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。
(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)
Ch7 端到端性能测量－时延测量
西安电子科技大学 通信工程学院
7.1 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
t
H h 1
t ,h
t q ,h t p ,h t g . h t q , D
分组在源端的传播时延 分组在源端的传输时延 链路长度
delayt
分组在终端处的排队时延
分组长度

h 0
H
dh v

h 0
H
l bh
t
h 1
H
p ,h

H 1 h 1
t
q ,h
信号传播速度
链路带宽
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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。
delayt
H
b
h0
H
l


h0
H
dh v
H

t
h 1
H
p ,h

t
h 1
H 1
q ,h
h
d Tg h , h 0 v
7.2.1 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-Oneway-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-oneway-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


(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) ……
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7.2 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
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。
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测量指标定义必须遵守以下标准：