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东北大学硕士学位论文 摘要 以太网时延测量仪的设计与实现 摘要 网络仪表是由计算机技术、网络通信技术与仪表技术相结合所形成的新一代仪器仪 表。它充分利用了计算机的软件和硬件优势，既增加了测量功能又提高了技术性能，是 仪器仪表的发展方向。 网络性能特征的测量是理解网络行为和设计更好的性能控制算法的关键所在，而时 延是网络性能特征的主要度量指标。本文对网络仪表作了简要概述，阐述了网络时延的 基本概念和测量方法，研究了基于嵌入式控制器的以太网t c p i p 协议族的时延测量仪 的设计与实现方法。 时延测量仪的硬件方面主要涉及以太网的网络接口设计，本课题中仪表接入以太网 的方法是基于c y g n a l 单片机和以太网控制专用芯片r t l 8 0 1 9 a s 的设计方案。根据设计 方案，本文完成了硬件电路设计，并在此基础上完成了系统软件设计及实现。软件设计 的重点是t c p i p 协议的实现，分别包括t c p i p 协议族各个分层的多个协议子模块的实 现。论文较好地解决了链路层以太网协议实现的关键技术，并在此基础上通过硬件电路 及软件设计的协同工作，实现了时延测量仪所需的功能。 本文采用单片机外接硬件计数器的方法提高测量时延精度，设计出的以太网时延测 量仪，可以把测量精度提高到微秒级，为掌握网络的真实行为特征、网络协议和控制机 制等提供了可靠的理论依据。 关键词：网络仪表；t c p i p 协议；r t l 8 0 1 9 a s ；时延测量 东北大学硕士学位论文 a b s t r a c t d e s i g na n d r e a l i z a t i o no fe t h e r n e td e l a y m e a s u r e m e n ti n s t r u m e n t a b s t r a c t n e t w o r ki n s t r u m e n tf o r m e db yc o m b i n i n gc o m p u t e rt e c h n o l o g y ，n e tc o m m u n i c a t i o n t e c h n o l o g ya n di n s t r u m e n tt e c h n o l o g yi sn e wg e n e r a t i o no fi n s t r u m e n t a t i o n i th a sf u l l yu s e d t h ec o m p u t e rs o f t w a r ea n dt h eh a r d w a r es u p e r i o r i t y ，b o t hi n c r e a s e dt h em e a s u r e m e n t f u n c t i o na n dt oe n h a n c et h et e c h n i c a lp e r f o r m a n c e ，w a st h ei n s t r u m e n t a t i o nd e v e l o p m e n t d i r e c t i o n m e a s u r e m e n to ft h en e t w o r kp e r f o r m a n c ec h a r a c t e r i s t i c si sc r u c i a lt ou n d e r s t a n d i n gt h e i n t e r n e tb e h a v i o u ra n dd e s i g n i n ga p p r o p r i a t ec o n t r o lm e c h a n i s m sf o rb e t t e rp e r f o r m a n c e d e l a yi st h ep r i m a r ym e t r i cd e s c r i b i n gn e t w o r kc h a r a c t e r i s t i c s t l l i sa r t i c l ed e s c r i b e sn e t w o r k i n s t r u m e n tb r i e f l y ，d i s c u s s e st h eb a s i cc o n c e p ta n dt r a d i t i o nt e s t i n go fd e l a y ，i tr e s e a r c h e s t h em e t h o d so ft h ed e s i g no fd e l a ym e a s u r e m e n ti n s t r u m e n tw h i c hi se f f e c t i v e l yi m p l e m e n t t c p i pp r o t o c o l so ne m b e d e ds y s t e m so nb a s eo fe t h e m e tt e c h n o l o g y t h ei n t e r f a c eo ft h ee t h e r n e tn e t w o r ki s d e s i g n e di nh a r d w a r e ，t h em e t h o do f i n s t r u m e n t sc o n n e c t i n gt oe t h e r n e ti sb a s e do nt h ed e s i g no fc y g n a lm c ua n dt h ec h i p ， r t l 8 0 1 9 a s ，w h i c hi sah i g h l yi n t e g r a t e de t h e m e tc o n t r o l l e r a c c o r d i n gt ot h es y s t e m s c h e m e ，t h eh a r d w a r ec i r c u i ta n dt h es o f t w a r ea r ed e s i g n e d t h es o f t w a r ei se m p h a s i z e do n t h et c p i pp r o t o c o l s ，i nf o u rd i f f e r e n tl a y e r s t h i sp a p e rs u c c e s s f u l l ys e t t l e dt h ek e y p r o b l e mt or e a l i z ee t h e r n e tp r o t o c a l ， a n du n d e rt h ec o o p e r a t i o nb e t w e e nh a r d w a r ec i r c u i t a n ds o f t w a r ed e s i g n ，i n s t r u m e n tf u n c t i o ni sa c h i e v e d 1 1 1 ea r t i c l eu s e sm e t h o do fm c ua n dh a r d w a r ec o u n t e ri m p r o v ep r e c i s i o no fd e l a y m e a s u r e m e n t e t h e r n e td e l a ym e a s u r e m e n ti n s t r u m e n tm a yi m p r o v em e a s u r ep r e c i s i o nt o m i c r o s e c o n d t h et e s th e l p st os t u d yt h en e t w o r kp r o t o c o la n dc o n t r o lt h e o r y k e yw o r d s ：n e t w o r ki n s t r u m e n t ；t c p i pp r o t o c o l ；r t l 8 0 1 9 a s ；d e l a ym e a s u r e m e n t - i i i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取得的 研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人己经发表或撰写过的 研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。与我一同工作 的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示谢 意。 学位论文作者签名：雾潞 日 期：知彩、2 。琊 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学位论 文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和 磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学可以将学位论文的全部 或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 ( 如作者和导师同意网上交流，请在下方签名；否则视为不同意。) 学位论文作者签名： 签字日期： 导师签名： 签字日期： 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 第一章绪论 1 1 网络仪表概述 仪表是对物质世界的信息进行测量与控制的基础手段和设备，是信息产业的源头和 组成部分。它伴随着科学技术的发展而发展，近2 0 年来发展尤为迅速，特别是近几年 来计算机技术渗透到仪器仪表领域之后正在形成的新一代仪器仪表一网络仪表。网络仪 表是计算机技术、网络通讯技术与仪表技术相结合所产生的一种新型仪器，它充分利用 了计算机的软件和硬件优势，既增加了测量功能又提高了技术性能，是仪器仪表的发展 方向q 1 1 1 测控网络与信息网络的融合 i n t e m e t 的普及使得t c p i p 协议成为事实上的互连网标准，而以太网则是t c p i p 协议使用最普遍的底层物理网络，据统计，目前全球8 5 以上的网络采用的都是以太 网技术。测控网络与信息网络的融合就是从以太网在工业测控领域中的应用开始的。由 于以太网在物理信号层采用的是c s m a c d ( 载波监听多路访问冲突检测) 机制，早期的 共享式以太网在数据传输过程中会发生碰撞，从而产生无法预料的延迟和重发，无法满 足工业网络通信的实时性和确定性要求。随后出现的交换式以太网通过网段隔离较好地 解决了信号传送的冲突问题，并且以太网本身的数据传输带宽也越来越大。继干兆以太 网普及之后，2 0 0 2 年通过的万兆以太网标准( i e e e 8 0 2 3 a e ) 则标志着局域网技术开始 进入1 0 g 时代。现在的高速交换式以太网已经能够满足工业测控网络的实时性和确定 性要求。与此同时，作为工业测控网络主流的现场总线发展并不顺利。1 9 9 9 年，国际 电工委员会( i e c ) 统一现场总线技术标准的行动失败，最终通过的i e c 6 1 1 5 8 标准是一 个各方商业利益妥协的结果：8 种总线技术将同时并存。由于不同总线间的互联和互操 作仍然没有解决，这种局面自然促使一部分人将眼光转向了在i t 行业已经获得巨大成 功的以太网技术。因此，现场总线的标准之争，给了以太网进入自动化领域一个难得的 机会。法国施耐德电器有限公司是将以太网技术引入工厂设备底层，广泛取代现有现场 总线技术的积极倡导者和实践者，施耐德公司面向工厂自动化提出了基于“以太网 + t c p i p ”的解决方案，并称之为“透明工厂”。“透明工厂”的基本含义就是“协议规 范统一，信息透明存取”，当前已经有一批工业级产品问世并得到实际应用。无法统一 的现场总线技术标准也纷纷向以太网靠拢，主要的现场总线组织纷纷开始制定基于以太 网的现场总线标准，以实现与t c p i p 协议的无缝集成1 3 j 。 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 2 网络仪表的特点和发展 测量是为了确定量值而进行的一组操作。在早期，测量的范围主要局限于对各种现 实存在的物理量的计量测试，但随着科学技术的进步和人类生产、管理模式的发展变 化，测量早已突破了传统意义上的范畴，甚至己扩展到人文与社会科学领域；且近几 年又正在发展形成一些新的测量领域，如软件测试、生物测试、符号法测量等。在各种 测量结果上形成的形形色色的控制系统、反馈系统以及信息传播，已经成为现代化生产、 管理的基本手段。按照传统定义，测量仪器是指单独或连同其他设备一起用以实现对被 测对象进行测量的装置。随着测量范围、内容、技术及其特点的不断发展，测量仪器 技术同样在飞速进步。本质上讲，测量仪器主要完成三个基本功能：信号采集与控制、 信号分析与处理、测得结果表达与输出。在测量仪器发展的不同阶段，实现这三方面 功能的具体模块有着很大的区别。 智能仪器实现信号采集与控制、信号分析与处理功能的核心是微处理器。虚拟仪器 完成信号采集与控制功能的是处于被测现场的各种测量单元；其信号分析和处理功能由 运行在p c 机上的软件完成：测得结果信号的传输，则是通过各种总线实施的。由于虚 拟仪器的测量模块只负责信号的输入和输出，而测量、信息处理等主要功能是借助软件 在微机上实现的，所以就有“软件就是仪器”的说法。现在的虚拟仪器发展正在走标 准化和互操作性的道路，它带来的好处是显而易见的。 网络仪表是由指针式仪表、数字仪表、智能仪表发展起来的新一代仪表，它可实现 远程调试、诊断、数据采集，多台网络仪表与上位计算机可联网通信，以全面提高控制 管理、服务能力，并帮助我们最有效地发挥设备功能。仪表含有一个单片计算机或体积 很小的微型机，有时亦称为内含微处理器的仪表，或称为基于微型机的仪表。网络仪表 向用户开启了仪表内部参数( 包括输入类型、运算方式、输送参数、通讯协议等) 的设定 界面。以一表多用的特点，让合用者拥有充分的自主权，能方便用户进行二次开发。网 络仪表支持多机通讯，可选择多种通讯接口方式( 如r s 2 3 2c ，r s 4 8 5 ，r s 4 2 2 等1 。 可与各种带串行输入输出的设备( 如电脑、可编程控制器、p l c 等) 进行通讯，若采用 r s 一4 8 5 接1 3 ，通讯距离可达l k m 。能方便的实现多台仪表与上位机进行联网管理，构成 各种监控系统。可直接配接各种串行打印机，以实现各通道测量值即时打印、各通道测 量值定时打印等功能怛j 。 计算机和软件的发展成为了测量仪器进步的巨大推动力。而近几年水平迅速提升的 信息技术、网络技术及它们在测量领域的应用，又正在促使人们更新对测量仪器的传统 看法。 测量与控制早已密不可分。既具有测量又带控制功能，已成为某个系统是否先进的 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 主要标志之一。有测量和控制功能的系统被称为测控系统。测控系统本身当然具备测量 仪器的三个基本功能，但它又在性能、特点上丰富了这三个方面的能力。首先，基于 i n t e m e t 的测控系统中实现信号采集与控制的前端模块具有虚拟仪器不可比拟的强大功 能，它不仅仅完成信号的采集和控制，在一定程度上还兼顾实施对信号的分析与传输。 这主要是因为它以一个功能强大的微处理器和一个嵌入式操作系统为支撑。在这个平台 上，使用者可以很方便地实现各种测量功能模块的添加、删除以及不同网络传输方式的 选择。而微电子技术的发展已为实现嵌入式计算机的小型化铺平了道路。再者，基于 i n t e r n e t 的测控系统最为显著的特点是信号传输的方式发生了改变。用传统仪器进行测 量，不存在信号的传输问题；用智能仪器实施测量，测得结果信号的传输也较为容易； 由虚拟仪器完成的测量过程中的信号传输，是依靠专用网络实现的：而基于i n t e r n e t 的 网络化测控系统对测得信号、控制信号等的传输，则是建立在公共的i n t e m e t 上的。有 了前端的嵌入式模块，系统的测量数据安全、有效传输便成为可能。再有，基于i n t e m e t 的测控系统对测得结果的表达和输出也有了较大的改进，一方面，不管身在何处，使用 者都可以通过客户机方便地浏览到各种实时数据，了解设备现在的工作情况；另一方面， 在客户端的控制中心，所拥有的智能化软件和数据库系统，都可被调用来服务于测得结 果的分析，以及为使用者下达控制指令或做决策提供帮助。 由于基于i n t e m e t 的测控系统能够实现传统仪器仪表的基本功能，同时又具备传统 仪器仪表所没有的一些新的特点，所以从系统的观点考虑并根据网络仪表的定义，基 于i n t e m e t 的测控系统无疑也属于网络仪表。基于i n t e r a c t 的测控系统这一类网络仪表 利用嵌入式系统作为现场平台，实现对所需测量数据的采集、传输和控制，并以i n t e m e t 作为数据信息的传输载体，且可在远端p c 机上观测、分析和存储测量数据与信息。可 以看到，这种服务于随时随地获取测量信息的智能化、网络化、具有开放性和交互性的 网络化测控系统，正在成为新一代网络仪器仪表及其系统的发展趋势 4 1 。 1 ，2 论文选题的目的和意义 我国网络仪表行业基本上处于起步阶段，缺乏对产品关键技术的研究。因此在计算 机网络技术全面渗透仪器仪表行业的今天，研究网络仪表具有重要意义。本课题主要研 究将嵌入式系统接入网络，并实现测量以太网时延功能的网络仪表的设计方法。其目的 和意义概括为以下几点： ( 1 ) 适应控制系统和仪器仪表网络化、i n t e r n e t 化的发展趋势。 随着网络技术的迅速发展，i n t e r a c t 正把全世界的计算机系统、通信系统逐渐集成 起来，形成信息高速公路与公用数据网络。而现场总线技术的兴起，改变了控制系统的 结构，使其向着网络化的方向发展，形成了对人类生产、生活有着重要影响的另一类网 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 主要标志之一。有测量和控制功能的系统被称为测控系统。铡控系统本身当然具备测量 仪器的三个基本功能，但它又在性能、特点上丰富了这三个方面的能力。首先，基于 i n t e m e t 的测控系统中实现信号采集与控制的6 口端模块具有虚拟仪器不可比拟的强大功 能，它不仅仅完成信号的采集和控制，在一定程度i 还兼顾实施对信号的分析与传输。 这主要是因为它以一个功能强大的微处理器和一个嵌入式操作系统为支撑。在这个平台 上，使用者可以很方便地实现各种测量功能模块的添加、删除以及不同网络传输方式的 选择。而微电子技术的发展已为实现嵌八式计算机的小型化铺平了道路。再者，基于 i n t e m e t 的测控系统晟为显著的特点是信号传输的方式发生了改变。用传统仪器进行测 量，不存在信号的传输问题：用智能仪器实施测量，测得结果信号的传输也较为容易： 由虚拟仪器完成的测量过程中的信号传输，是依靠专用网络实现的；而基于i n t e m e t 的 网络化测控系统对测得信号、控制信号等的传输，则是建立在公共的i n t e r n e t 上的。有 了前端的嵌入式模块，系统的测量数据安全、有效传输便成为可能。再有，基于i n t e m e t 的测控系统对测得结果的表达和输出也有了较大的改进，一方面，不管身在何处，使用 者都可以通过客户机方便地浏览到各种实时数据，了解设备现在的工作情况：另一方面， 在客户端的控制中心，所拥有的智能化软件和数据库系统，都可被调用来服务于测得结 果的分析，以及为使用者下达控制指令或做决策提供帮助。 由于基于i n t e m e t 的测控系统能够实现传统仪器仪表的基本功能，同时又具备传统 仪器仪表所没有的一些新的特点，所以从系统的观点考虑并根据网络仪表的定义，基 于i n t e r a c t 的测控系统无疑也属于网络仪表。基于i n t e m e t 的测控系统这一类网络仪表 利用嵌入式系统作为现场平台，实现对所需测量数据的采集、传输和控制，并以i n t e r n e t 作为数据信息的传输载体，且可在远端p c 机上观测、分析和存储测量数据与信息。可 以看到，这种服务于随时随地获取测量信息的智能化、网络化、具有开放性和交互性的 网络化测控系统，正在成为新一代网络仪器仪表及其系统的发展趋势h j 。 1 2 论文选题的目的和意义 我国网络仪表行业基本上处于起步阶段，缺乏埘产品关键技术的研究。因此在计算 机网络技术全面渗透仪器仪表行业的今天，研究网络仪表具有重要意义。本课题主要研 究将嵌入式系统接入网络，并实现测量以太网时延功能的网络仪表的设计方法。其目的 和意义概括为以下几点： f 1 1 适应控制系统和仪器仪表网络化、i n t e r a c t 化的发展趋势。 随着网络技术的迅速发展，i n t e m e t 正把全世界的计算机系统、通信系统逐渐集成 起来，形成信息高速公路与公用数据网络。而现场总线技术的兴起，改变了控制系统的 结构使其向着网络化的力向发展，形成了对人类生产、生活有着重要影响的另一类网 结构，使其向着网络化的方向发展，形成了对人类生产、生活有着重要影响的另一类网 东北大学硕士学位论文第一章绪论 络，即控制网络。由于现场总线技术适应了控制系统向智能化、网络化、分散化发展的 趋势，因而显示了强大的生命力，得到了迅速的发展，成为控制领域的热点技术。从工 业控制领域来讲，由于现在工厂和生产在地域上越来越分散，要总揽现场控制信息和生 产状况，或要实现对分散在各工厂和生产线上的控制网络进行状态监控、远程软件下载 及设备的诊断维护只有通过i n t e m e t ，因此，将控制网络与i n t e m e t 结合将成为控制领 域的一个新方向。 ( 2 ) 仪表自身功能增强，可直接连入网络实现基于i n t e m e t 的远程数据传输。 由于仪表中嵌入了t c p i p 协议的网络连接芯片，因此可直接通过电话网络等连入 i n t e m e t ，而在应用终端无需增加和更换新的硬件，也无需使用专门的软件，只用一般的 m o d e m 和i e 浏览器等即可查看仪表的信息，具有很高的通用性。所以无论从软、硬件 成本的角度，还是技术应用角度考虑都具有重大意义。 ( 3 、既可实现简单的网络通信和控制功能，又解决了成本的问题。 今天，计算机和网络已经步入后p c 时代，嵌入式系统被广泛应用。最近在i t 行 业特别流行的就是嵌入式操作系统，如w i n d o w sc e 等嵌入式操作系统。它们都支持 t c p i p 协议，可以实现w e b 服务器功能，然而，这样的实时操作系统报价都很高，一 般都要7 0 0 8 0 0 美元以上。事实上在很多场合并不需要带有这么强大功能的实时操作 系统。很多嵌入式系统的核心都由8 位微处理器硬件和嵌入式软件构成，这些微处理器 的片内资源比较少，相应的软件也不会太庞大，完全可以完成一些简单的网络通信和控 制功能，由此解决了成本的问题，另外，将仪表直接接入i n t e m e t ，在一定条件下，便 可通过i n t e m e t 控制生产系统和现场设备的运行状况及各种参数，即不必亲临现场，通 过网络实现对远程被控对象的监控，以节省大量的交通、人力【5 】。 f 4 1 研究了以太网时延的测量方法，为掌握了网络真实的行为特征提供理论依据。 这是研究此课题的主要目的和意义之所在。 网络性能测量对网络研究与发展十分重要，可以用于分析当前网络的基本特性，如 网络体系的流量模型等。时延是网络性能特征的主要度量指标，是网络发展的一项重要 课题。本课题设计的以太网时延测量仪能够分析当前网络的基本特性，宜接为网络的规 划、运营管理、网络安全、设备开发和网络的发展提供支持。 ( 5 ) 本设计克服了常用的时延测量方法大多依赖于g p s 接收机或采用n t p 协议来 实现收发端时钟的同步，而g p s 接收机价格较高而且与接收环境密切相关、n t p 协议 的精度不能满足要求的缺点。 东北大学硕士学位论文第二章网络性能测量技术 第二章网络性能测量技术 i n t e r n e t 已经渗透到社会各个角落。随着i n t e r n e t 的飞速发展，i p 业务量的快速 增长和新应用的涌现，人们越来越关注网络的性能，因此对其的测量和研究也就成为一 项具有重要意义的工作。 从服务质量看，q o s 敏感应用越来越成为i n t e r n e t 承载的主要业务。传统的 i n t e r n e t 提供尽力而为( b e s te f f o r ts e r v i c e ) 的服务，业务流量被网络尽快处理， 没有时间延迟阀值保证机制。随着电子商务、v o i p ( v o i c eo v e ri p ) 、v o d 等业务的发 展，用户需要网络提供时延、丢包率等q o s 保证，i s p 也需要网络提供q o s 保证机制以 开展新的增值业务。控制、管理、计费和测量是相互关联的整体，人们提出的一系列的 o o s 保证框架。许多q o s 控制机制，如基于测量的连续接纳控制、q o s 路由、流量工程、 拥塞瓶颈检测等，都需要通过测量获取网络性能；q o s 管理需监测网络和用户的服务性 能，进行动态资源管理、确认服务等级合约等；q o s 计费需要根据用户实际获得服务质 量来收费；不论是在应用层的负载均衡或传输层的综合服务和区分服务或网络层的流量 工程，各种q o s 保证机制的基础是为对网络运行状态实时检测并将信息进行有效发布【6 1 。 因此网络性能测量是q o s 的基础和重要环节之一。 从网络性能优化看，在稳定运行阶段，网络可能会由于网络设备故障或业务流量激 增导致性能下降，可以通过网络性能测量来定位故障，确定优化方案，改进协议和应用 的设计和实现。网络性能测量对于许多i n t e r n e t 应用和协议，特别是涉及大量数据传 输和具有时延限制媒体流的应用至关重要。内容分发网络中的请求路由协议、对等网络、 网络缓存的位置选择和维护策略、端系统的组播、内容服务器中的流调度和接纳控制策 略、d n s 和w e b 性能检测等都需要网络测量的有力支持。 网络性能测量技术还是传统网络管理系统必要的有益的补充，基于s n m p 的网络管 理系统可以通过轮询和接收异常t r a p 消息的方法似乎可以得到设备及其各个端口运行 的状念，但对于详细的协议分析、基于应用的流量特征、端到端的性能检测及其计费策 略等都无能为力。这使得系统地研究网络测量这一基础性课题成为必然而迫切的需求。 2 1 网络性能测量的概念 网络由一个个的网络实体( n e t w o r ke n t i t y ) 组成，网络实体可以分成网络节点 ( n e t w o r k n o d e ) 和网络路径( n e t w o r k p a t h ) 。节点的定义是能使用互联网协议来通讯的计 算机，包括主机、路由器、交换机、代理等。路径是一个节点到另一个节点的单向连接。 性能特征( p e r f o r m a n c ec h a r a c t e r i s t i c ) 是描述网络实体性能与稳定性方面的内在属 东北大学硕士学位论文 第二章网络性能测量技术 性。节点和路径的性能特征使得由于不同类型网络流量形成的网络行为就能够有区别的 表现出来。 网络测量是研究网络行为学( 互联网运行规律的科学) 的重要方法，它是指遵照一 定的方法和技术，利用软件或硬件工具来测量或验证表征网络性能的指标的一系列活动 的总和。网络性能测量是网络测量的主要内容之一，主要包含以下三个要素： 1 、测量对象：被测量的节点或链路，测量节点、链路或网络性能特征，如链路的 时延、带宽、丢包率，路由器的路由效率、时延、丢包率，w e b 服务器的应答延迟、 吞吐率、系统容量、最大稳定链接数等； 2 、测量环境：包括测量点的选取、测量时间的确定、测量设备、通信链路的类型 等： 3 、测量方法：测量方法( m e a s u r e m e m m e t h o d o l o g y ) 是记录和估算性能特征的技术。 一般，一种特征有多种测量的方法。测量方法可能是“原始”的，也可能是“推导”。“原 始”测量方法得到测量的原始记录。“推导”测量方法则是聚合或估算一组“原始”测 量或低级的“推导”测量得到测量结果的。例如，通过统计分析突发数据包的方法来估 计带宽的容量。 测量方法的输出就是观察值( o b s e r v a t i o n ) 。一个观察值可能是不可分割的原子 ( s i n g l e t o n ) e 录值，也可是原子值组合而成的抽样( s a m p l e ) 值，也可是在对抽样值的统计 f s t a t i s t i c ) 结果值。 因为网络性能特征具有高速变化的动态特性，每个观察值必须带有时间信息，用于 表明测量的时间。对于“原子”观察值，一个时间戮就够了，“统计”观察值的记录， 开始和结束观察的时间均要记录。 针对某一具体的网络行为指标，选取合适的测量方法，测量方法应满足： 稳健性：被测网络轻微变化，不会使测量方法失效； 可重复性：同样的网络条件，多次测量结果应一致； 准确性：测量结果应能反映网络的真实情况。 2 2 测量指标和方法 2 2 1 测量指标 网络性能的测量指标必须遵守以下的定义标准【_ 7 】： 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，即在多个不同时刻、相同的环境下采用 相同的测量方法可以得到相同的结果； 3 、测量指标必须是无偏的，即对相同的口技术实现具有相同的测量结果； 东北大学硕士学位论文 第二章网络性能测量技术 4 、测量指标必须具有区分性，即对测量结果可以理解和反映出不同的实现技术； 5 、测量指标对端用户和网络运营商了解网络必须是有用的； 6 、测量指标必须是避免人为影响的性能指标。 对网络性能可靠性指标的研究最先被用来进行协议设计与实现、网络模拟仿真和分 析网络性能等。我们可以利用一些已有的协议工具来进行网络测量，其中网络测量可用 的协议有：s n m p 、r o m n 、c m i p 、i c m p 等，可利用的公开发布的工具软件有：p i n g ，t c p d u m p ， t e l n e t ，f p i n g ，t r a c e r o u t e r ，l i b p c a p 等。另外，路由器( 如路由表信息，c i s c o 路 由器中的n e t f l o w 模块可以采集网络业务流) 、网管软件的统计数据也会以给网络测量 提供有价值的信息。根据实际情况的需要，有时，我们还要自己编制各种测量工具对某 些网络性能指标进行测量。 i e t f 成立了专门的工作组i p p m ( i p p e r f o r m a n c e m e t r i c ) 【8 j ，开发用于描述i n t e r a c t 数据传输服务质量、性能、可靠性的测量指标集和测量框架，目前，i p p m 定义和正在 定义的指标和测量方法有：流通性( c o n n e c t i v i t y ) 、单向时延( o n e w a y d e l a y ) 、往返 时延( r t t ，r o u n d t r i pt i m e ) 、丢包率( p a c k e tl o s s ) 、吞吐率( t h r o u g h o u t ) 、瞬时分 组延时差、大批传输容量( b u l kt r a n s f e rc a p a c i t y ) 周期流( p e r i o d i cs t r e a m s ) 等。其 中，时延、带宽、丢包率被作为网络性能测量中最基本的三大指标。 网络的时延、带宽和丢包率是最能体现网络行为的三类性能特征，如图2 1 所示。 但它们只是一般化的概念，在得到有意义的测量数据之前，它们被细化成两到三种更细 的性能特征。带宽包括容量带宽( c a p a c i t yb a n d w i d t h ) ，可用带宽( a v a i l a b l eb a n d w i t d h ) 和己用带宽( u t i l i t y b a n d w i d t h ) 。时延特征包括单向时延、往返时延。丢包率包括单向丢 包( o n e w a y l o s s ) 、双向丢包( r o u n d - t r i pl o s s ) 、丢包模式( l o s sp a t e r n ) 。这些分类不是固 定不变的，有时根据需要会增加类别。 图2 1 网络性能特征 f i g2 i n e t w o r kp e r f o r m a n c ec h a r a c t e r i s t i c 东北大学硕士学位论文 第二章网络性能测量技术 2 2 2 测量方法 对于网络性能指标的研究，必须采用一定的测量方法和测量系统得到。根据i p p m 在r f c 2 3 3 0 中所指的，测量方法必须满足结果重现性和连续性。所谓结果重现性是指在 相同的网络环境下( 相同的网络设旆和负载) 不同的时刻采用该测量方法进行测量，具 有一致的测量结果。所谓连续性是指当网络具有微小的变动，采用该测量方法得到的测 量结果不应该有很大的变化。 根据测量过程中是否向被测系统中发送主动探针( a c t i v ep r o b e ) ，可将网络性能测 量方法分为两种：主动测量和被动测量一j 。主动测量是将探测分组注入网络进行测量， 如通过在一端发送探测分组，而在另一端接收该分组，可以观测探测分组的行为和到达 时间，估计网络的延时、丢包率等网络性能指标，如i e p m 、n i m i 、n l a n r a m p 、s u r e y o r 、 s k i t t e r 等网络性能测量项目都采用了主动测量的方法。被动测量是在网络的某处布置数 据采集器，收集流过该处的网络业务流，进行分析、提取业务特征，获得性能数据，如 n l a n rp m a 、c o r a l r e e f 等网络测量项目。c i s c o 公司的n e t f l o w 就是这样的一个被动测 试工具，它能让路由器获得大量的流量统计，包括一个包的源和目的i p 地址及端口号、 协议类型等。主动测量的优点是能够根据不同的应用场景控制探测包，如流量特征、采 样频率、调度方法、包大小和包类型( 以模仿各种应用) 、被监视的路径和函数等。主 动测量可以让测量者按照自己的意图进行，因此容易用于进行场景的模仿，检验网络是 否满足q o s s l a ( 服务质量服务等级协议) 等。主动测量比被动测量能够更有效的测试 网络性能，所以主动测量是处于网络边缘的端用户了解网络状态常用的测量方法。被动 测量法可能需要查看网络上的所有数据包，因此存在如何访问和保护所采集到的数据的 保密性和安全的问题，所以主动网络测量技术被广泛采用和研究。本文是采用主动测量 的方法去测量网络的时延。 从测量点的分布，测量方法可分为单点测量和多点测量两种。大部分的网络测量项 目都采用分布式多点测量，如：n i m i 、r i p e 、n l a n r a m p 、p m a 、s k i t t e r 、m p m 等都 是分布式多点测量项目。一些测量依赖于在网络的多个点上进行监测，如要测量一个数 据包从主机a 和到达主机b 所需的时间，则需要使用准确同步的时钟记录数据包离开主 机a 和到达主机b 的时间。对于大型网络上通信流量的测量，可以考虑在多点监测流量， 以收集到数据包通过该网络的详细信息。单点测量在非合作的情形下能发挥巨大作用， 如美国朗迅科技公司b e l l 实验室的单点测量项i | - - i n t e m e tm a p p i n g 。 网络测量还可分为单程测量和环回测试两种【1 “。单程测试是指探测分组在网络的源 端进入网络，在目的端输出，根据输出参数来评价网络性能。环回测试是指探测分组在 网络一端进入网络，到达目的端后转发回源端输出，根据输出参数来评估网络。采用单 东北大学硕士学位论文 第二章网络性能测量技术 程测试时，测试点往往位于不同的地点，必须解决测试时钟同步的问题。本文采用环回 测试，它的主要优势是测试配置简单，成本低。 按与被测网络的关系网络性能测量可分为：合作测量、非合作测量。合作测量指需 要对方主动配合的测量。对网络运营者来说，合作测量能够掌握网络的运行状况、找出 瓶颈、业务分布情况等，以便有效的管理网络、充分利用网络资源。非合作测量是指无 需对方主动配合的测量，测量目的往往是窥探对方网络的情况，这在军事上有非常重要 的意义。 2 3 时延测量的意义 网络性能特征的测量与分析是理解网络行为和设计更好的性能控制算法的关键所 在，而时延是网络性能特征的主要度量指标。 网络时延主要分为往返时延( r t t ，r o u n d t r i pt i m e ) 和单向时延( e n d e n dd e l a y ) 即端到端时延两类。往返时延是指一个固定大小的i p 数据包从源端到目的端往返所需的 时间间隔；单向时延是指发送固定大小的i p 探测数据包，源端离开的时标和到达目的标 的时标之差。 本文选择往返时延作为测量对象是因为时延作为刻画网络性能特征的度量指标存 在以下的必要性和优势。 测量单向时延和双向时延的好处： 1 、如果两机器之间的端到端时延超过某个阐值后，它们之上的一些应用程序不能 很好的工作，或者根本不能工作。 2 、交互形式的实时应用很难或不可能在时延的恶性波动的环境下工作。 3 、时延越大，传输协议越难保持占用高的带宽。 4 、从时延的最小值可直接得知构成时延的固定部分连接的传输时延和机器的发送 时延。 5 、当时延指标值最小时表明测量包经过的连接负载极小。 6 、最大值之上的时延表示连接上出现拥塞。 测量往返时延的优势： 1 、易于部署。测双向时延时无需像测量单向时延那样要在目的端安装专门的测量 软件。已经有许多基于i c m pe c h o 和t c p 回应的测量工具。 2 ，易于解释。在某些时候只要双向时延，如果把一条连接的相反方向单向时延和 两端的处理时延相加得到双向时延，会带来较大的不准确性。 3 、时钟带来的测量误差只要考虑源端时钟的频率一致性，不需考虑源和目的端的 同步。 东北大学硕士学位论文 第二章网络性能测量技术 i n t e r n e t 因其异构性、业务类型的多样性且变化的随机性，使得人们对i n t e r n e t 网 络体系结构很难准确地把握，数学模型难以建立，从而导致网络测量成为唯一可行的方 法。 东北大学硕士学位论文 第三章网络仪表总体方案设计 第三章网络仪表总体方案设计 根据以上测量方法，我们设计了以太网时延测量仪，见图3 1 。本仪表基于t c p i p 协议，可以在以太网中直接使用来测量任意两节点的网络时延，为获得网络性能数据， 掌握网络真实的行为特征，网络协议和控制机制提供了可靠的理论依据。 图3 1 时延测量仪总框图 f i g 3 1d i a g r a mo f d e l a ym e a s u r e m e n ti n s t r u m e n t 3 1 硬件方案 3 1 1 硬件结构总体框图 本课题选择的方案硬件电路简单，外围器件比较少，相对来说成本低廉。硬件结构 总体框图如图3 2 所示： 以 太 网 图3 2 硬件电路结构框图 f i g 3 2 t h ec o n f i g u r a t i o nd i a g r a mo f h a r d w a r ec i r c u i t 单片机完成的功能：它负责根据输入的i p 包数据参数，按照t c p i p 协议的格式封 装成一个i p 数据包，然后对网卡进行初始化，把封装好的i p 数据包通过网卡发送出去。 另外还要完成对接收到的i p 数据包进行协议检测，从硬件计数器中提取数据计算时间。 网卡完成的功能：它集成了介质访问子层( m a c ) 和物理层的功能，主要负责数据 包的发送和接收。 硬件计数器完成的功能：从数据包发送时开始计数直到数据包返回。 上位机的功能：向单片机发送命令并显示测量结果。 东北大学硕士学位论文第三章网络仪表总体方案设计 液晶显示的功能：显示i p 数据包的参数和测量结果。 3 t 2 单片机的选择 利用8 位单片机作为主处理器来处理t c p i p 协议，众所周知，t c p i p 是一组协议 集，内容庞大，对单片机系统要求较高，需要有大容量的存储器和较高的运行速度。在 8 位单片机中，c y g n a l 集成产品公司推出的c 8 0 5 1 f x x x 系列8 位高速单片机令业界人 士耳目一新，它的指令以时钟周期为运行单位，平均每个时钟可以执行完1 条单周期指 令。与8 0 5 l 相比，在相同时钟下，单周期指令运行速度为原来的1 2 倍；全指令集平均 运行速度为原来的9 5 倍。本课题选用c 8 0 5 1 f 0 2 0 ，它的程序存储器包含6 4 k 字节的 f l a s h 。该存储器以5 1 2 字节为一个扇区，可以在系统编程，但不需特别的编程电压。 主要特点有： 1 模拟外设 1 1逐次逼近型a d c 0 1 2 位a d c ，可编程转化速率可达1 0 0 k s p s ；有8 路外部输入，可选择为单端或差分 输入；可编程的放大器增益：1 6 ，8 ，4 ，2 ，l ，o 5 ；同时还包括数据相关窗口中断发生 器，内置温度传感器。 2 18 位a d c l 可编程转化速率可达5 0 0 k s p s ；有8 路外部输入，可编程的放大器增益：4 ， 2 ，1 ，o 5 。 3 1两个1 2 位的d a c 可以同步输出产生无抖动波形。 4 1 两个模拟比较器 5 1电压基准 包括内部基准和外部基准输入。 6 )精确的v d d 监视器和降压检测器 2 片内j t a g 调试和边界扫描 片内调试电路提供全速、非侵入式的在线系统调试；支持断点、单步、观察点、 堆栈监视器、支持观察修改存储器和寄存器。 3 高速8 0 5 1 微控制器内核 含有流水线指令结构，7 0 的指令执行时间为一个或者两个系统时钟周期，速度可 达2 5 m i p s ，同时有2 2 个矢量中断源。 4 存储器 有4 3 5 2 b