基于TSN的实时通信网络延迟评估技术

论文标题：A TSN-based Technique for Real-Time Latency Evaluation in Communication Networks

作者信息：

• Alberto Morato, Claudio Zunino, Manuel Cheminod, Stefano Vitturi，来自意大利国家研究委员会，CNR-IEIIT。电子邮件: {alberto.morato, claudio.zunino, manuel.cheminod, stefano.vitturi}@ieiit.cnr.it
• Federico Tramarin，来自意大利摩德纳大学“恩佐·费拉里”工程学院。电子邮件: [e-mail]

论文出处：2024 IEEE International Instrumentation and Measurement Technology Conference (I2MTC)

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摘要
实时网络和软件定义网络（SDN）在现代通信系统中扮演着关键角色，支持视频会议、在线游戏、VoIP通话、虚拟现实（VR）系统和工业4.0自动化等应用。这些应用需要低且可预测的延迟来确保实时互动性、响应性和不间断的性能。在动态网络环境中实现低且可预测的延迟是具有挑战性的，因为网络拓扑、流量负载和连接设备的变化等因素都会影响延迟。此外，网络协议和设备（如交换机和路由器）引入了额外的延迟。SDN通过允许基于各种标准的动态控制通信路径，增强了对时间敏感应用的性能。本文提出了一种新的测量方法，通过利用Linux内核中嵌入的时间敏感网络（TSN）特性和工具，轻松评估延迟。我们的方法能够准确捕获网络延迟，无论工作负载、配置和计算能力如何。

关键词
实时网络、软件定义网络（SDN）、低延迟、时间敏感网络（TSN）、动态网络环境、延迟测量方法

第一节 引言
实时网络和SDN已成为现代通信和数据交换系统的关键组成部分，支持多种应用，如视频会议、在线游戏、VoIP通话、虚拟现实（VR）系统和工业4.0自动化。这些应用共同的特点是需要低且可预测的延迟来确保实时互动性、响应性和不间断的性能。然而，确保这一特性并非易事。这些网络可以被描述为动态网络环境，其中网络拓扑、流量负载和连接设备可能会不断变化。在这样的环境中，网络延迟不仅受到通信节点之间物理距离的影响，还受到网络拓扑、流量负载和路由策略的影响。此外，网络协议和网络设备，如交换机和路由器，引入了额外的延迟。幸运的是，现代通信网络，包括实时网络，可以与SDN结合，允许根据各种标准动态控制通信路径，包括延迟。在这种情况下，SDN使得动态网络配置成为可能，并提高了对时间敏感应用的性能。

第二节 问题分析
评估通信网络的真实延迟确实是一个挑战性的任务，因为它受到多个因素的影响。这些因素包括网络拓扑和流量负载，以及用于测量的技术和探针的位置，以测量帧传输和接收之间的经过时间。在没有时间敏感网络（TSN）特性的传统设备中，为了评估网络延迟，可以采用简单的方法来测量两个平台的系统时钟（SYS clock）之间的经过时间。换句话说，在传输帧时，将当前传输时间戳从SYS时钟嵌入到帧中。接收器然后提取这个时间戳，并与其自己的SYS时钟进行比较，以计算延迟。然而，这种简单的技术提出了两个主要问题：时钟同步和软件及硬件延迟。

第三节 实验设置
我们根据图1所示的方案实施了实验设置。实际的实验设置显示在图2中。设置包括两个TNKi5000 Intel NUC，配备了Intel Core i5-1135G7 CPU，运行Ubuntu 22.04，内核版本为6.3。在这个测试平台中，网络黑盒是一个简单的直线连接，意味着两个NUC直接使用大约2米长的以太网电缆连接。使用的以太网NIC是Intel i225，配置为1 Gbps。用于测量延迟的探针帧总长度为298字节。关于同步，NUC 1被指定为Grand Master（GM），负责为作为Follower的NUC 2提供时钟参考。详细来说，SYS Clock Src被选为NUC 1上的参考时钟。然后，使用名为phc2sys的时钟管理工具将PHC clock Src设置为SYS Clock。之后，使用精确时间协议（PTP）将PHC clock Dst（目标）设置为PHC Clock Src。最后，将Sys clock Dst设置为PHC clock Dst。值得注意的是，这个设置中的时钟管理软件没有进行调整。因此，预计两个NUC之间的同步误差应该在17纳秒以内。

第四节 实验结果
在本节中，我们讨论实验结果。对于表I中列出的每个实验，我们进行了两组测量。特别是，我们测量了评估的延迟，测量源PHC时钟和目标SYS时钟之间的时间差，即应用延迟。这些测量包括直到目标设备上协议栈的应用程序的处理时间。这些结果在图3中显示，详细情况报告在表II中。为了表明我们提出的测量技术能够仅捕获由于（黑盒）网络的延迟，我们还测量了源PHC时钟和目标PHC时钟之间的延迟，即网络延迟，使用前面描述的机制检索。结果在图4中报告，并在表III中总结。

第五节 结论
在本文中，我们提出了一种新的方法来评估实时通信网络，该方法能够独立于系统配置评估网络特定的延迟。利用时间敏感网络（TSN）特性以及Linux内核中的SO TIMESTAMPING API，我们的方法能够准确捕获网络引入的延迟，同时将其与其他因素隔离开来。我们已经展示，在理想条件下的部署中，所提出的测量方法将产生接近0纳秒的延迟评估。然而，在其他情况下，例如配置错误或通信网络问题，这些条件预计将通过延迟的增加来检测。未来的工作将集中在引入真实网络到我们的黑盒中，测试我们的方法在更复杂和现实条件下的鲁棒性；将我们的方法扩展到涉及多个源和目的地的场景；采用我们提出的方法到包括无线时间敏感网络（WTSN）设备的网络中。