EPON測(cè)試儀表中網(wǎng)絡(luò)測(cè)速軟件的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

涂繼輝 （長(zhǎng)江大學(xué)電子信息學(xué)院，湖北 荊州434023）

湯元斌 （四川文理學(xué)院現(xiàn)代教育技術(shù)中心，四川 達(dá)州635000）

鄒學(xué)玉 （長(zhǎng)江大學(xué)電子信息學(xué)院，湖北 荊州434023）

以太網(wǎng)無(wú)源光網(wǎng)絡(luò) （Passive Optical Network，EPON）是將以太網(wǎng)技術(shù)與無(wú)源光網(wǎng)絡(luò) （Passive Optical Network，PON）技術(shù)結(jié)合，其目標(biāo)是用最簡(jiǎn)單的方式實(shí)現(xiàn)一點(diǎn)到多點(diǎn)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的千兆以太網(wǎng)光纖接入網(wǎng)絡(luò)。隨著EPON技術(shù)的普及和推廣，EPON已經(jīng)大規(guī)模應(yīng)用于電信運(yùn)營(yíng)城市和農(nóng)村的寬帶接入，因此EPON網(wǎng)絡(luò)終端設(shè)備開通和維護(hù)的綜合測(cè)試儀表對(duì)于EPON網(wǎng)絡(luò)的維護(hù)具有重要的實(shí)用價(jià)值。

目前能夠進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)的測(cè)速軟件較多，歸納起來(lái)分為2類：一類是網(wǎng)絡(luò)命令附帶具有網(wǎng)絡(luò)測(cè)速功能，如ping命令等，此類軟件雖具有測(cè)速功能，但是測(cè)速效果不佳，并且還不具備良好的操作界面、實(shí)時(shí)顯示和統(tǒng)計(jì)結(jié)果的功能；另一類是基于Windows下的網(wǎng)絡(luò)測(cè)速軟件，該類軟件雖然具有良好的操作界面和基本的速度實(shí)時(shí)顯示統(tǒng)計(jì)功能，但一般很難脫離Windows的環(huán)境集成在專門的網(wǎng)絡(luò)維護(hù)儀表上。為此，筆者提出了一種利用FTP協(xié)議測(cè)試網(wǎng)絡(luò)速度的軟件。

1 網(wǎng)絡(luò)測(cè)速原理

網(wǎng)速［1］是衡量計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)性能很重要的指標(biāo)之一，是指網(wǎng)絡(luò)通信線路所能傳輸數(shù)據(jù)的能力，也就是熟稱的帶寬。圖1為網(wǎng)絡(luò)中t時(shí)間傳輸數(shù)據(jù)包P的曲線圖，瞬時(shí)網(wǎng)絡(luò)速度表現(xiàn)為曲線上某時(shí)間點(diǎn)切線的斜率值，可以用公式表示，網(wǎng)絡(luò)在某一時(shí)段的平均速率可以用公式表示。筆者采取的是采用近似的方法計(jì)算瞬時(shí)速率，即計(jì)算實(shí)際速率值在極短時(shí)間內(nèi)的上傳或者下載數(shù)據(jù)包變化量，用數(shù)據(jù)包的變化量除以所經(jīng)歷的時(shí)間，其結(jié)果就為網(wǎng)絡(luò)在該時(shí)刻的實(shí)時(shí)速率；用一段時(shí)間里數(shù)據(jù)包上傳或者下載的總量除以所需要的時(shí)間就是網(wǎng)絡(luò)的平均速率。

圖1 網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包和傳輸時(shí)間關(guān)系圖

文件傳輸協(xié)議 （File Transfer Protocol，F(xiàn)TP）是TCP／IP協(xié)議組中的協(xié)議之一，工作在網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用層，是常用的網(wǎng)絡(luò)文件傳輸協(xié)議，用戶可以通過(guò)該協(xié)議把文件上傳到遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)上，或者把文件從遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)上下載到本地計(jì)算機(jī)。測(cè)速軟件利用FTP協(xié)議傳輸文件的過(guò)程中，通過(guò)獲取在某個(gè)較小的時(shí)間傳輸文件變化量，計(jì)算出網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)速率；通過(guò)獲取整個(gè)文件傳輸所需要的總時(shí)間，計(jì)算出網(wǎng)絡(luò)的平均速率。

2 系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

該軟件所在的硬件平臺(tái)配置是Marvell 88f6560芯片／內(nèi)存256M／Flash128M／天馬4.3寸液晶屏。

筆者設(shè)計(jì)的軟件是嵌入在EPON測(cè)試儀表中，通過(guò)連接要測(cè)試鏈路中的FTP服務(wù)器，然后進(jìn)行文件的上傳和下載來(lái)得到測(cè)試鏈路的網(wǎng)絡(luò)速度。整個(gè)軟件總體結(jié)構(gòu)如圖2所示，主要由FTP連接模塊、網(wǎng)速計(jì)算模塊、數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示模塊和統(tǒng)計(jì)模塊4個(gè)部分組成。整個(gè)軟件通過(guò)消息事件進(jìn)行控制和管理，在傳輸文件過(guò)程中，利用定時(shí)器每隔一定的時(shí)間向前臺(tái)顯示模塊通報(bào)實(shí)時(shí)傳輸文件的大小和速率，前臺(tái)通過(guò)曲線和進(jìn)度條實(shí)時(shí)顯示。筆者設(shè)計(jì)的軟件是基于嵌入式Linux平臺(tái)，開發(fā)工具為Qt4.7［2］。

圖2 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

3 具體實(shí)現(xiàn)

3.1 FTP連接模塊

FTP在進(jìn)行文件傳輸之前首先要與FTP服務(wù)端之間建立連接，建立一條文件傳輸邏輯通道。FTP連接［5］建立又分為控制連接建立與數(shù)據(jù)連接建立2個(gè)階段：第1階段建立的連接是控制連接，控制連接用于發(fā)送FTP命令，接受FTP Server的應(yīng)答。在控制連接建立之后，第2階段將進(jìn)入建立數(shù)據(jù)傳輸連接階段，在數(shù)據(jù)傳輸連接建立之后，F(xiàn)TP客戶端就可以與FTP服務(wù)端進(jìn)行文件的傳輸了。FTP支持主動(dòng)模式 （Active模式）和被動(dòng)模式 （Passive模式）2種工作模式。

該軟件的設(shè)計(jì)是利用了Qt下的QFtp類來(lái)進(jìn)行FTP服務(wù)器的連接，如圖3所示。首先與FTP服務(wù)器連接，然后發(fā)送登陸服務(wù)器的用戶名和密碼，等待服務(wù)確認(rèn)，當(dāng)確認(rèn)成功，客戶端就和服務(wù)器之間鏈路建立完成。

圖3 FTP建立連接的流程圖

3.2 網(wǎng)速計(jì)算模塊

網(wǎng)速計(jì)算模塊［6－7］是軟件的核心模塊，流程如圖4所示。它主要需要檢測(cè)文件傳輸過(guò)程中的實(shí)時(shí)網(wǎng)速、最大網(wǎng)速、最小網(wǎng)速和平均網(wǎng)速。在極短時(shí)間內(nèi)得到文件上傳或者下載的大小，就可以近似計(jì)算出網(wǎng)速。筆者利用Qt中的定時(shí)器來(lái)設(shè)置一個(gè)時(shí)間作為極短時(shí)間，當(dāng)定時(shí)時(shí)間到了，就得到該段時(shí)間內(nèi)上傳或者下載文件的大小，利用此改變的大小除以定時(shí)器的時(shí)間，就得到該時(shí)刻的實(shí)時(shí)網(wǎng)速，同時(shí)用該網(wǎng)速與上一個(gè)時(shí)刻的最大網(wǎng)速和最小網(wǎng)速比較，來(lái)更新該時(shí)刻網(wǎng)絡(luò)的最大網(wǎng)速和最小網(wǎng)速。該軟件采用500ms作為一次速率計(jì)算的統(tǒng)計(jì)時(shí)間段。

3.3 實(shí)時(shí)顯示模塊

Qt程序主要通過(guò)事件進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，該軟件通過(guò)繪屏事件進(jìn)行屏幕的顯示。每當(dāng)產(chǎn)生一個(gè)新的實(shí)時(shí)速率，就觸發(fā)paintEvent事件函數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示網(wǎng)絡(luò)速度。如果采用一般的實(shí)時(shí)繪圖方式，即繪制一次，刷新一次屏幕的方式，會(huì)引起整個(gè)圖像的閃爍。因此在用Qt繪制圖像時(shí)應(yīng)該采用雙緩沖技術(shù)，即在內(nèi)存中創(chuàng)建一個(gè)與屏幕繪圖區(qū)域一致的對(duì)象，先將圖形繪制到內(nèi)存中的這個(gè)對(duì)象上，再一次性將這個(gè)對(duì)象上的圖形拷貝到屏幕上，這樣能大大加快繪圖的速度，并且避免圖像的閃爍。

3.4 統(tǒng)計(jì)模塊

統(tǒng)計(jì)模塊主要是當(dāng)上傳下載結(jié)束后，統(tǒng)計(jì)出鏈路的最高網(wǎng)速、最低網(wǎng)速和平均網(wǎng)速。最高網(wǎng)速和最低網(wǎng)速數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪^(guò)程中已經(jīng)實(shí)時(shí)統(tǒng)計(jì)出來(lái)，平均網(wǎng)速根據(jù)上文的公式利用傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包總數(shù)除以傳輸時(shí)間即可得到，通過(guò)一個(gè)對(duì)話框在數(shù)據(jù)傳輸結(jié)束時(shí)顯示出統(tǒng)計(jì)的速度。

3.5 軟件的移植

由于軟件需要在EPON的網(wǎng)絡(luò)測(cè)試儀上運(yùn)行，因此在PC開發(fā)應(yīng)用程序需要移植到EPON的網(wǎng)絡(luò)測(cè)試儀的開發(fā)板上。移植的步驟如下［3－4］：建立目標(biāo)機(jī)交叉編譯器的編譯環(huán)境；交叉編譯Qt4.7并設(shè)置Qt4.7的環(huán)境變量；交叉編譯的Qt4.7環(huán)境下編譯網(wǎng)絡(luò)測(cè)速軟件；通過(guò)串口將編譯成功的網(wǎng)絡(luò)測(cè)速軟件燒錄在EPON測(cè)試儀的開發(fā)板上。

圖4 網(wǎng)速計(jì)算流程圖

4 測(cè)試結(jié)果與分析

4.1 測(cè)試環(huán)境

測(cè)試是在局域網(wǎng)中進(jìn)行，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖5所示。FTP服務(wù)器IP為192.168.1.100，端口默認(rèn)為21。FTP測(cè)速軟件集成在EPON儀表中，啟動(dòng)界面如圖6所示。筆者在另外一臺(tái)PC上安裝了FlashFXP軟件，和筆者設(shè)計(jì)的FTP測(cè)速軟件進(jìn)行對(duì)比，起到驗(yàn)證速率準(zhǔn)確性的作用。測(cè)試分為2步進(jìn)行：首先進(jìn)行下載測(cè)試，然后進(jìn)行上傳測(cè)試。

圖5 測(cè)試網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

4.2 測(cè)試結(jié)果

1）上傳測(cè)試 選擇的文件是ceshiwenjian2.rmvb， 文 件 大小為247.4Mb。圖7為FTP測(cè)速軟件和FlashFXP軟件上傳同一個(gè)文件時(shí)的實(shí)時(shí)上傳速度和上傳速率波形圖。圖8為FTP測(cè)速軟件和FlashFXP上傳完成后的文件信息、平均速度以及耗時(shí)。

圖6 FTP測(cè)速軟件的界面圖

圖7 上傳實(shí)時(shí)速度和速率波形圖

2）下載測(cè)試 ceshiwenjian.rmvb，文件大小為599Mb。圖9為FTP測(cè)速軟件和FlashFXP同時(shí)下載同一個(gè)文件時(shí)的實(shí)時(shí)下載速率和速率波形圖；圖10為FTP測(cè)速軟件和FlashFXP下載完成后的文件信息以及平均速度的顯示。

圖8 軟件上傳完成后的最大、最小和平均速度以及耗時(shí)

圖9 實(shí)時(shí)下載速度和速度波形圖

圖10 下載結(jié)果顯示對(duì)比圖

測(cè)試表明，該軟件具有良好的操作界面和可視化的實(shí)時(shí)顯示，與FlashFXP進(jìn)行對(duì)比，軟件對(duì)網(wǎng)絡(luò)速率測(cè)試結(jié)果準(zhǔn)確，性能穩(wěn)定。

5 結(jié) 語(yǔ)

筆者設(shè)計(jì)的EPON測(cè)試儀表下的網(wǎng)絡(luò)測(cè)速軟件不僅具有方便的操作界面和良好的可視化顯示，而且測(cè)速結(jié)果較為精確。該軟件經(jīng)過(guò)測(cè)試，表明具有穩(wěn)定的性能，對(duì)于網(wǎng)絡(luò)的維護(hù)和檢測(cè)起到了重要的實(shí)際作用。目前該集成此軟件的EPON測(cè)試儀已經(jīng)在實(shí)際中投入使用，收到了良好的效果。

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