技术干货 | 信而泰测试仪表如何实现通信时延的高精度测量

7/08/2024，光纤在线讯，01. 网络时延概述：网络时延（Network latency）是指一个报文或分组从一个网络的一端传送到另一个端所需要的时间。它包括了发送时延、传播时延、处理时延和排队时延。发送时延是主机或路由器发送数据帧所需要的时间，即从发送数据的第一个比特开始，到该帧的最后一个比特发送完毕所需的时间。传播时延则是数据在物理媒介中传输所需要的时间，它与信号传播速度和传输距离有关。

02. 网络时延的降低成为科技发展上升的关键趋势
    根据工业和信息化部关于印发《新型数据中心发展三年行动计划（2021-2023年）》的文件，里面强调降低网络时延作为关键任务，旨在提升网络质量和科技发展水平。计划提出升级骨干网、优化直联点布局，并优化数据中心网络架构，以降低时延、提升数据传输效率。同时，推动边缘数据中心互联组网，优化网络配置，以提升用户服务体验。这些举措将有效推动网络质量的整体提升。

低时延网络传输研究进展：中国科学院计算技术研究所的李振宇研究员带领的团队对低时延网络传输进行了深入研究，提出了多路径协同传输协议和端-边-云协同传输机制，显著降低了传输时延，满足了视频直播等业务需求。

时间敏感网络白皮书：详细介绍了时间敏感网络（TSN）技术的发展背景、关键技术、标准化进展和产业应用，探讨了TSN在智能制造、车联网、音视频等领域的应用场景，并提供了技术和应用趋势的展望。

5G承载网技术和网络发展趋势-ZTE：5G三大业务场景对5G回传承载在带宽、时延、同步、IPv6和切片等方面提出刚性需求。

03. 时延测试需求
    在当今快速发展的信息技术时代，网络设备的性能直接影响到数据传输的速度和稳定性。企业对网络设备时延测试的需求日益增长，这不仅涉及到对设备处理数据包的响应速度进行精确测量，还包括对网络延迟的一致性和可预测性进行评估。时延测试需求的核心在于验证网络设备在不同负载条件下的时延表现，确保在高峰时段也能保持数据传输的低延迟和高吞吐量。此外，高精度的时延测试对于优化网络配置、提升服务质量和满足特定应用场景的时延敏感性至关重要。

    网络时延测试的对象广泛，它不仅涵盖了单一的网络设备，如交换机（Switch）、路由器（Router）和防火墙（Firewall）等，也包括了局域网络（Local Area Network, LAN）的整体性能评估。对于政府机关（Government Agencies）、金融机构（Financial Institutions）以及数据中心（Data Centers）等关键领域，网络时延的性能尤其受到重视，因为这些场所对数据传输的实时性（Real-Time Performance）和可靠性（Reliability）有着极高的要求。

04. 时延测试标准及规范
    RFC1242（[/b]网络互连设备基准术语）提供两种不同的延迟定义，根据测试设备（DUT）或测试系统类型、存储转发设备或直通设备（SUT）。

    RFC2544[/b]对RFC1242中的性能评测内容，规定了具体测试方法和详细的结果格式

    RFC4689（网络层流量控制机制基准测试术语）定义了最后到最后（LTL）度量，也称为最后进，最后出（LILO），称为转发延迟，而不是延迟。转发延迟定义为从输入IP包的最后一点提供给DUT/SUT的输入端口时开始，到从DUT/SUT的输出端口接收到输出IP包的最后一点时结束的时间间隔；以下为4种测试时延的模式以及对应场景：

    先进先出(First -to- First)
    先进后出(First -to- Last)
    后进先出(Last -to- First)
    后进后出(Last -to- Last)

      
05. 网络时延的构成
1、发送时延：
    串行化时延：数据从主机或应用层到网络接口卡（NIC）需要经过一系列的转换和封装，这个过程称为串行化。串行化时延指的是将数据从并行传输转换为串行传输所需的时间。

    接口队列时延：[/b]数据被发送到NIC后，可能会在NIC的发送队列中等待，直到NIC准备好发送数据。

2、节点处理时延：
    排队时延：数据包到达路由器或交换机等网络设备后，如果设备正在处理其他数据包或网络拥塞，数据包可能需要在输入队列中等待一段时间。

    处理时延：网络设备（如路由器或交换机）在接收到数据包后，需要一定的时间来处理数据包的头部信息，进行路由选择、转发决策、差错检验等操作。

3、传播时延：
    物理介质传播时延：数据包在物理介质（如光纤、电缆等）中传输时所需的时间。这个时间取决于物理介质的长度和电磁波在介质中的传播速度。

06. 如何进行高精度时延测量
1、理论计算：
    通过(FILO)的时延测量方法去测量帧插入时间(FIT)来验证测试仪器是否正确校准。FIT(frame insertion time (FIT))是将帧放置在介质上所需的时间，理论上以太网帧插入时间测量应与以下公式相匹配。

计算公式：

      
    其中，T为帧插入时间（秒），L为帧长（位），R为发送速率（bps）。因此，计算出在1G以太网链路上为64字节的最小以太网帧的帧插入时间：

      
2、仪表自检实操：
仪表预约两个端口，分别命名为A端口与B端口，两个端口用一根短距离的网线进行互联；

      
1）并且在A端口下创建不同的常规字节流（为了方便后续的统计，常规流包含了最常见的字节长度，同时尽量每条流之间间隔128byte），且修改流名称与定长相同以便后续时延的观察统计；

      
2）设定时延的模式为FILO，并关闭仪表的时延补偿功能；

      
3）发送流量并观察结果；

      
    通过观察我们发现，测试出来的时延值，随着字节的增大而增大，且每增加128字节的帧长，所增加的时延为1.024us、这里我们注意到仪表自环情况下会有一个时延抖动值。（由于本次使用的bigtao系列测试仪对应板卡的时延精度为8ns，所以这里产生了0.008us的抖动值）

4）测量仪表自环值
    当进行测试时，由于仪表本身会引入一定的时延，并且这种时延会随仪表的物理端口速率变化而有所不同，为确保测试的准确性，我们可以按照以下步骤测试出仪表的自环时延：

· 仪表设置FIFO模式
· 关闭仪表的时延补偿功能
· 进行时延测试

    测试得到当前仪表自环的时延值为1.263us，如下图所示：

      
二、测试实战
    本次测试使用了华为的S5720交换机，两口互联进行时延测试，由于交换机的端口没有配置其他的属性，因此交换机为直通转发模式。

测试条件：
· 配置模式为FIFO（测试直通设备）
· 关闭时延补偿
· 设置发送的时延补偿为：-1263ns（提前测的的仪表自环值）

      
根据结果分析：该交换机测试的平均时延值为：15.702us。

07. DarYu-X/BigTao-V系列网络测试仪
    DarYu-X系列和BigTao-V系列网络测试仪，均采用先进的模块化设计理念，由机箱、高性能板卡和用户友好的软件构成。测试仪支持从1G到400G的多种以太网速率，提供灵活的扩展选项，以满足企业用户在测试需求上的快速增长和未来业务的拓展。DarYu-X系列以其2.5纳秒的帧时戳分辨率，而BigTao-V系列则以8纳秒的分辨率，均能实现高精度的时延测试。这些技术突破为通信行业的时延测试提供了强有力的支持，推动了高精度测试技术的发展，确保企业在通信领域的竞争力和创新能力。

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