Программно-аппаратный комплекс для измерения метрик производительности IP-сетей

Полезная модель относится к программно-аппаратным комплексам, выполненным на базе одноплатного микрокомпьютера с подключенным универсальным приемником навигационных сигналов спутниковых систем глобального позиционирования ГЛОНАСС/GPS/BeiDou/Galileo и предназначенным для измерения метрик производительности IP-сетей. Метрики производительности IP-сетей описаны в IETF RFC 2678.
Известен программно-аппаратный комплекс (см. патент США №US 7,720,109 В2, М. кл. H04J 3/06, опубл. 18.05.2010) на основе персональной ЭВМ, включающий модули оценки погрешности и синхронизации времени, узлы измерения времени задержки, вычислительный модуль, а также модули сравнения и подстройки времени.
Недостатком данного комплекса является низкая точность синхронизации времени двух измерительных узлов (ограничена 1 миллисекундой), применение комплекса невозможно в сетях с несимметричными каналами, также указанный комплекс реализует измерительный процесс односторонней сетевой задержки путем многократного нахождения значения двусторонней задержки каждым из узлов и последующего сравнения полученных величин.
Известен выбранный в качестве прототипа программно-аппаратный комплекс RIPE ТТМ (Georgatos, F., Gruber, F., Karrenberg, D., Santcroos, M., Susanj, A., Uijterwaal, H., Wilhelm, R., Providing active measurements as a regular service for ISPs // РАМ. - 2001), предназначенный для измерения односторонней сетевой задержки, джиттера, потерь пакетов и содержащий такой общий с заявляемым комплексом существенный признак, как навигационный приемник, подключенный к измерительной плате для синхронизации системного времени измерительного узла. Измерительная плата включает в себя скоростную шину обмена данными с процессором ЭВМ, RS-232-интерфейс для непосредственного подключения внешнего навигационного приемника системы глобального позиционирования GPS, а также вычислительное ядро для обработки PPS-сигнала приемника и синхронизации системного времени измерительного узла.
Недостатками известного устройства являются ограниченные возможности синхронизации времени только по данным системы позиционирования GPS, невозможность измерения доступной пропускной способности сетевого канала, примененная измерительная плата является узкоспециализированным изделием, использующим не стандартизованные интерфейсы соединения с навигационным приемником, область применения комплекса ограничена ввиду особенностей аппаратной и программной реализации.
Задачей, на решение которой направлена настоящая полезная модель, является создание устройства на основе широко распространенных узлов, соединенных стандартизованными интерфейсами, обеспечивающего синхронизацию системного времени с микросекундной точностью с использованием сигналов существующих и перспективных систем позиционирования ГЛОНАСС/GPS/BeiDou/Galileo и измерение четырех основных метрик производительности IP-сетей: односторонней сетевой задержки, вариации задержки (джиттера), потерь пакетов и доступной пропускной способности канала.
Поставленная задача решается за счет того, что предлагаемый аппаратно-программный комплекс, содержащий одноплатный компьютер и универсальный приемник сигналов спутниковых систем глобального позиционирования, формирующий сигнал PPS для синхронизации системного времени с микросекундной точностью, для измерения основных метрик производительности IP-сетей, включает стандартизованные интерфейсы для подключения навигационного приемника, а одноплатный компьютер установлен с возможностью фиксирования времени для измерения односторонней задержки, вариации задержки (джиттера), потерь пакетов и формирования пакетов различного размера для измерения доступной пропускной способности сетевого канала.
Использование стандартизованных интерфейсов позволяет избежать установки дополнительных согласующих устройств, что упрощает и удешевляет программно-аппаратный комплекс. Составные части комплекса могут быть легко заменены в случае выхода их из строя или проведения модернизации.
Метод синхронизации системного времени по сигналу PPS является общим признаком выбранного прототипа и предлагаемого комплекса. При старте измерительного процесса этот метод комбинируется с использованием альтернативных источников точного времени, что обеспечивает быстрый выход на заданную точность в одну микросекунду и возможность устойчивого функционирования в условиях кратковременного сбоя при приеме сигналов от систем глобального позиционирования.
На фиг. 1 изображена функциональная схема программно-аппаратного комплекса для измерения метрик производительности IP-сетей,
на фиг. 2 показан принцип измерения односторонней задержки,
на фиг. 3 изображена схема применения программно-аппаратного
комплекса для измерения метрик производительности IP-сетей.
На фиг. 1 показана схема функционирования программно-аппаратного комплекса для измерения метрик производительности IP-сетей. Аппаратная часть комплекса включает в себя навигационный приемник спутниковых сигналов систем глобального позиционирования ГЛОНАСС/GPS/BeiDou/Galileo, который подключен к интерфейсу ввода/вывода общего назначения (GPIO) одноплатного компьютера. Приемник формирует PPS сигнал, синхронизированный с началом каждой секунды, который вызывает высокоприоритетное аппаратное прерывание на компьютере. Далее аппаратное прерывание обрабатывается ядром операционной системы Linux с коррекцией системного времени на основе сигнала PPS. При этом информацию о дате, часах, минутах и секундах ядро получает из интернет-источников точного времени, корректируется только дробная часть секунды. Измерительная программа по расписанию отправляет тестовые пакеты с метками времени через IP-сеть к другим измерительным точкам и получает от них ответные метки времени.
На фиг. 2 изображен принцип измерения односторонней сетевой задержки в программно-аппаратном комплексе. Для проведения замеров необходимы две измерительные точки, на одной из которых запущена измерительная программа в режиме сервера, а на другой - в режиме клиента. Клиентская программа на точке 1 запоминает системное время и отправляет тестовый пакет через сеть к измерительной программе на точке 2, где фиксируется время получения пакета. Затем формируется ответный пакет, в который записывается время получения запроса от клиента и время перед отправкой ответного пакета. Созданный пакет незамедлительно отправляется на точку 1. На этой точке фиксируется время получения пакета и на основе меток времени из него рассчитывается длительность прохождения по сети в обе стороны раздельно.
Системное время всех программно-аппаратных комплексов для измерения метрик производительности IP-сетей синхронизировано с международным временем UTC (IETF RFC 3339) с точностью не менее 1 микросекунды. Измерительные узлы обмениваются тестовыми пакетами с метками времени, как показано на фиг. 3. С их помощью измеряется односторонняя задержка прохождения пакета по сети, а также вариация задержки (джиттер) и потери пакетов и доступная пропускная способность сетевого канала.
Предлагаемый программно-аппаратный комплекс реализован в виде пяти опытных образцов измерительных узлов и обеспечивает заявленную функциональность.