СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ СКОРОСТИ ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ (ДАННЫХ) ПРИ ШИРОКОПОЛОСНОМ ДОСТУПЕ В ИНТЕРНЕТ
METHOD OF MEASURING INFORMATION (DATA) TRANSMISSION SPEED WITH BROADBAND INTERNET ACCESS

Область техники
Изобретение относится к сетям передачи данных (область техники H04L 12/00 в международной классификации); к технологиям технического обслуживания и управления (H04L 12/24); к устройствам мониторинга и тестирования (H04L 12/26); к системам пакетной коммутации (H04L 12/56).
Предпосылки к созданию изобретения
В настоящее время имеется много разнообразных способов определения скорости передачи при доступе в Интернет. Однако среди них нет ни одного, способного выдержать метрологическую поверку и обрести правовую пригодность для разрешения конфликтов между оператором связи и потребителем. Предлагаемый метрологически обоснованный метод измерения скорости широкополосного доступа в Интернет призван восполнить этот пробел.
Заявленное изобретение направлено на достижение следующего технического результата: обеспечение заданной точности измерений скорости передачи информации, обеспечение повторяемости результатов измерений, обеспечение моделирования характера телекоммуникационного трафика, обеспечение единообразия измерений провайдером Интернета и пользователем, обеспечение наивысшего качества телекоммуникационной услуги потребителю, обеспечение уменьшения влияния топологии сети на точность измерений, обеспечение возможности исследования динамики изменения качества телекоммуникационной услуги, обеспечение одновременного измерения качества передачи информации (побитовой вероятности ошибки).
В описании и/или на чертежах могут использоваться следующие сокращения и англоязычные термины:
Аналогичные способы измерения
Одно из популярных приложений для оценки скорости доступа в Интернет - программное обеспечение Speedtest [1]. В магазине приложений "Play market" оно имеет более 10 млн загрузок для устройств, работающих под управлением операционной системы Android. Функциональность приложения позволяет оценить нисходящую и восходящую скорости передачи информации, а также задержку пакетов с помощью аналога программы ping, которая оперирует пакетами длиной 64 байта для проверки связности в сетях передачи данных на основе стека протоколов TCP/IP.
Speedtest [2] оценивает скорость передачи информации при помощи протокола HTTP, передача которого разрешена большинством сетевых устройств. При этом Speedtest оперирует тремя подпрограммами:
- HTTP ping - измеряет задержку передачи небольшого пакета (содержащего только текст "test") между оборудованием клиента и выбранным сервером;
- Download и Upload - оценивают скорость цифровых потоков между сервером и клиентом (downstream) и между клиентом и сервером (upstream).
Скорость передачи информации между сервером и клиентом оценивается следующим образом:
- Клиентский компьютер скачивает с выбранного сервера двоичные файлы малого объема (несколько десяткой килобайт). Измеряются параметры этих загрузок для оценки скорости передачи в этом направлении. Время измерения составляет 10 секунд.
- Двоичные данные генерируются случайным образом для исключения влияния кэширования на результат оценки.
- Для увеличения корректности результата измерений передача файлов осуществляется в несколько (от двух до четырех) потоков.
- Результаты передачи пакетов, содержащих фрагменты двоичных файлов, фиксируются до 30 раз в секунду.
- Результаты агрегируют в 20 сборок (каждая - 5% от общей выборки).
- 10% сборок (2 сборки) с самой высокой скоростью и 30% (6 сборок) с самой низкой отбрасываются и не учитываются при вычислении результата.
- Результат расчета скорости по оставшимся сборкам усредняется и представляется в качестве итоговой скорости передачи информации.
На результат измерения оказывают влияние следующие случайные факторы: объем сопутствующей служебной информации, способ буферизации данных, уровень загрузки центрального процессора. Эти факторы приводят к необходимости отбрасывать по 10% результатов с самой высокой и с самой низкой скоростью.
Дополнительно отбрасываются 20% результатов с самой низкой скоростью для того, чтобы исключить значения, измеренные в период от запуска теста до достижения наибольшей скорости.
Скорость передачи информации между клиентом и сервером оценивается следующим образом:
- Клиентский компьютер направляет на сервер двоичные файлы малого объема (несколько десяткой килобайт). Измеряются параметры этих загрузок для оценки скорости передачи в этом направлении.
- Двоичные данные генерируются случайным образом.
- На терминале клиента запускается специальный код, который осуществляет передачу файлов с помощью метода POST протокола HTTP.
- Для увеличения корректности результата измерений передача файлов осуществляется в несколько (от двух до четырех) потоков.
- Результатом оценки считается среднее значение половины результатов с самой высокой скоростью.
Подобным образом организован механизм оценки скорости передачи информации у аналогов ПО Speedtest [3-13]. В большинстве известных методов проводятся измерения: скорости получения и передачи информации, а также задержки сигнала на уровне приложений модели взаимодействия открытых систем.
Принципиальные недостатки известных методов измерения скорости передачи информации.
1. Текущие версии программного обеспечения аналогов Speedtest размещены на сетях передачи данных крупных операторов. Поэтому оценка скорости обычно производится только в пределах сети передачи данных оператора или до стыка между операторами.
2. В общем случае, результаты оценки аналогов Speedtest могут отличаться друг от друга и от результатов других методов, реализованных на серверах за пределами сети передачи данных оператора и/или использующих другую методику обработки результатов измерения.
3. На полученные результаты измерения скорости передачи информации могут влиять следующие факторы:
- нагрузка на сервер и терминал пользователя;
- аппаратная конфигурация и производительность терминала пользователя;
- состав программного обеспечения (ПО), установленного и/или работающего на терминале пользователя в момент измерений;
- состояние сети доступа и пользовательской линии в период измерений;
- использование средств безопасности (межсетевые экраны, брандмауэры, антивирусы) на сети и терминале абонента в момент измерений.
4. Время измерений скорости в сторону абонента ограничено 10 секундами. Для получения "достоверного" результата рекомендуется сделать несколько попыток оценки в разное время. Период суток не конкретизируется.
5. При оценке используется произвольный измерительный сигнал.
6. Обработка результатов измерения включает в себя отбрасывание до 40% полученных значений, что исключает возможность определения и нормирования погрешности метода.
Прототип изобретения
Наиболее близкий способ измерения скорости передачи информации предложен в патенте US 8,228,815, Оборудование и способы вычисления характеристик передачи данных по сетевому соединению на основе односторонних измерений [12]. Здесь предложен способ вычисления, включающий в себя: передачу сцепки пакетов, содержащей, по меньшей мере, один первый пакет TCP первого типа на головном конце сцепки пакета; по меньшей мере, один второй пакет TCP первого типа на хвостовом конце сцепки пакетов, и множество пакетов TCP второго типа, расположенных между головой и хвостом сцепки пакетов. В этом способе каждый пакет TCP в сцепке адресован на свободный порт соседнего маршрутизатора по сетевому соединению, в котором TCP пакеты первого типа инициируют ответ маршрутизатора, а пакеты второго типа - нет. Принятые ответы от каждого маршрутизатора по сетевому пути на головном конце и на хвостовом конце сцепки пакетов используются для вычисления, по меньшей мере, одной характеристики прохождения данных по сетевому соединению. Способ содержит операции: определение времени задержки между ответами, полученными от каждого маршрутизатора; определение значения интервала между пакетами для каждого маршрутизатора на основе соответствующего времени задержки маршрутизатора; вычисление пропускной способности сетевого соединения в зависимости от длины сцепки пакетов и значения максимального интервала между пакетами для каждого маршрутизатора.
Этот способ не свободен от недостатков, отмеченных выше, и не позволяет достоверно измерить скорость передачи информации как основного показателя качества телекоммуникационной услуги.
Существо изобретения
Способ реализуется при следующих исходных положениях:
1. Для измерений используется архитектура: средство измерений - оборудование пользователя, соединенные каналами связи. В качестве примера средства измерений может рассматриваться телекоммуникационный сервер, снабженный специализированным программным обеспечением, а в качестве оборудования пользователя - клиентский компьютер. В терминах телекоммуникаций такая архитектура называется Клиент - Сервер. В дальнейшем в описании существа изобретения будем пользоваться этим примером. Измерение осуществляется путем передачи потоков данных в прямом и обратном направлениях между сервером и клиентом.
2. Сервер представляет собой программно-аппаратный комплекс и является средством измерений с метрологическими характеристиками (погрешность временной метки +/- 1 мкс, погрешность длины кадра +/- 1 байт).
3. Пакеты данных для измерения скорости и качества передачи при доступе в Интернет формируются в стеке TCP/IP и используют следующие протоколы Ethernet, IP и TCP, а также протокол уровня приложений (протокол браузера) - HTTP. Для передачи данных управления и тестовых данных используется стандартный порт протокола HTTP - 80. Формат пакета данных показан в таблице:
4. Измерительное оборудование - серверы размещаются в точках обмена трафиком Интернета. Сервер обработки результатов измерения располагается в Центре контроля качества телекоммуникационных услуг.
5. Измерительный сигнал представляет собой эталонное количество информации в виде сегмента цифровой случайной последовательности двоичных импульсов, образованной из «белого шума». Эта последовательность разбита на пакеты длиной 1514, 1280, 1024, 512, 256, 128 или 64 байта, и вероятность появления каждого из которых соответствует заранее заданному закону распределения. В каждый пакет вводятся данные об общем эталонном количестве информации в измерительном сигнале.
Предварительные действия:
1. Перед измерением Клиент и Сервер синхронизируют внутренние часы по протоколу NTP.
2. Клиент иницирует соединение с Сервером по протоколу HTTP.
3. На Сервере открывается веб-страница, которая передается Клиенту, и запускается скрипт с командами для проведения измерения со стороны Клиента.
4. Сервер и Клиент обмениваются пакетами с полем данных в формате:
где Magic Number (16 бит) - уникальный идентификатор протокола (COFE); Sequence Number (16 бит) - порядковый номер пакета; Quantity of information (32 бита) - общее количество информации в измерительном сигнале; NTP Time Stamp (64 бит) - время по мировым часам; Data - данные до 1386 байт (соответствующая часть измерительного сигнала - случайной цифровой последовательности).
S
E
5. Клиент в результате работы скрипта формирует Таблицу, в которую для каждого пакета заносятся: номер пакета (N), длина пакета (L), время посылки пакета (T) и время приема пакета (T). Также в Таблицу заносится количество информации в измерительном сигнале. Таблица передается на Сервер.
6. Клиент открывает веб-страницу, которая передается Серверу, и запускает скрипт с командами для проведения измерения со стороны Сервера. Проведя аналогичные измерения, Сервер формирует свою Таблицу, в которую заносятся такие же данные измерений. Таблицы могут храниться в Центре контроля качества на отдельном сервере, накапливающем Базу данных результатов измерения.
C
S
7. Сервер производит обработку данных для определения скорости передачи информации (скорости доступа в Интернет) для нисходящего и восходящего потоков V и V как отношение общего количества информации ко времени приема измерительного сигнала, а также верность передачи как отношение правильно принятых символов к общему их количеству в измерительном сигнале.
Детализация способа измерения. Способ измерений скорости передачи информации (СПИ) заключается в выполнении следующих операций:
A. для измерения СПИ по прямому, а затем и по обратному каналам, связывающим средство измерений и компьютер пользователя услуги (потребителя информации), передается измерительная последовательность L, состоящая из N пакетов, выбранных из множества М пакетов случайным образом в соответствии с заданным законом распределения;
m
B. в следующих четырех точках сети связи, рисунок 1: - выход средства измерений (точка 1), - вход оборудования (компьютера) пользователя (точка 2), - выход оборудования (компьютера) пользователя (точка 3), - вход средства измерений (точка 4), - осуществляется регистрация значений текущего времени, соответствующих реализации заданных событий и общего эталонного количества информации Q.
Конкретизация операции В. Регистрируется:
- начало передачи каждого пакета от средства измерений к оборудованию пользователя (в точке 1),
- конец передачи каждого пакета от средства измерений к оборудованию пользователя (в точке 1),
- начало приема каждого пакета оборудованием пользователя (в точке 2),
- конец приема каждого пакета оборудованием пользователя (в точке 2),
- начало передачи каждого пакета от оборудования пользователя к средству измерений (в точке 3),
- конец передачи каждого пакета от оборудования пользователя к средству измерений (в точке 3),
- начало приема каждого пакета средством измерений (в точке 4),
- конец приема каждого пакета средством измерений (в точке 4).
C. зарегистрированные значения текущего времени передаются после передачи измерительной последовательности. Это обеспечивает минимальное значение задержек при передаче измерительной последовательности и минимизирует систематическую составляющую погрешности измерений интервалов времени.
D. после прохождения всей измерительной последовательности через точку 4 (см. рис. 1) для каждого из пакетов измерительной последовательности имеются следующие виды зарегистрированной информации:
1) номер i={1, 2, …, N} пакета,
Wi
2) количество I информации, являющейся результатом аналого-цифрового преобразования реализации «белого шума» и содержащейся в пакете с номером i;
B1i
3) значение текущего времени T, соответствующее началу (индекс В) передачи пакета с номером i, зарегистрированное по часам компьютера, находящегося в точке 1;
E1t
4) значение текущего времени T, соответствующее концу (индекс Е) передачи пакета с номером i, зарегистрированное по часам компьютера, находящегося в точке 1;
B2i
5) значение текущего времени T, соответствующее началу приема пакета с номером i, зарегистрированное по часам компьютера, находящегося в точке 2;
E2t
6) значение текущего времени T, соответствующее концу приема пакета с номером i, зарегистрированное по часам компьютера, находящегося в точке 2;
B3i
7) значение текущего времени T, соответствующее началу передачи пакета с номером i, зарегистрированное по часам компьютера, находящегося в точке 3;
E3t
8) значение текущего времени T, соответствующее концу передачи пакета с номером i, зарегистрированное по часам компьютера, находящегося в точке 1;
B4i
9) значение текущего времени T, соответствующее началу приема пакета с номером i, зарегистрированное по часам компьютера, находящегося в точке 4;
E4t
10) значение текущего времени T, соответствующее концу приема пакета с номером i, зарегистрированное по часам компьютера, находящегося в точке 4;
W
11) общее количество I информации, являющейся результатом аналого-цифрового преобразования реализации «белого шума» и содержащейся в пакетах от номера 1 до номера N в точке 4.
Предложенный способ измерения скорости широкополосного доступа в Интернет обладает метрологической состоятельностью, достаточной точностью измерения, обеспечивает повторяемость результатов, согласованность с используемыми протоколами и интерфейсами, естественное сопряжение с оценкой качества данной провайдера Интернета.
Литература