EPON測試儀表中網絡測速軟件的設計與實現

2013-12-03 02:12:14涂繼輝長江大學電子信息學院湖北荊州434023

長江大學學報(自科版) 2013年19期

涂繼輝（長江大學電子信息學院，湖北荊州434023）

湯元斌（四川文理學院現代教育技術中心，四川達州635000）

鄒學玉（長江大學電子信息學院，湖北荊州434023）

以太網無源光網絡（Passive Optical Network，EPON）是將以太網技術與無源光網絡（Passive Optical Network，PON）技術結合，其目標是用最簡單的方式實現一點到多點拓撲結構的千兆以太網光纖接入網絡。隨著EPON技術的普及和推廣，EPON已經大規模應用于電信運營城市和農村的寬帶接入，因此EPON網絡終端設備開通和維護的綜合測試儀表對于EPON網絡的維護具有重要的實用價值。

目前能夠進行網絡的測速軟件較多，歸納起來分為2類：一類是網絡命令附帶具有網絡測速功能，如ping命令等，此類軟件雖具有測速功能，但是測速效果不佳，并且還不具備良好的操作界面、實時顯示和統計結果的功能；另一類是基于Windows下的網絡測速軟件，該類軟件雖然具有良好的操作界面和基本的速度實時顯示統計功能，但一般很難脫離Windows的環境集成在專門的網絡維護儀表上。為此，筆者提出了一種利用FTP協議測試網絡速度的軟件。

1 網絡測速原理

網速［1］是衡量計算機網絡性能很重要的指標之一，是指網絡通信線路所能傳輸數據的能力，也就是熟稱的帶寬。圖1為網絡中t時間傳輸數據包P的曲線圖，瞬時網絡速度表現為曲線上某時間點切線的斜率值，可以用公式表示，網絡在某一時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算瞬時速率，即計算實際速率值在極短時間內的上傳或者下載數據包變化量，用數據包的變化量除以所經歷的時間，其結果就為網絡在該時刻的實時速率；用一段時間里數據包上傳或者下載的總量除以所需要的時間就是網絡的平均速率。

圖1 網絡數據包和傳輸時間關系圖

文件傳輸協議（File Transfer Protocol，FTP）是TCP／IP協議組中的協議之一，工作在網絡的應用層，是常用的網絡文件傳輸協議，用戶可以通過該協議把文件上傳到遠程計算機上，或者把文件從遠程計算機上下載到本地計算機。測速軟件利用FTP協議傳輸文件的過程中，通過獲取在某個較小的時間傳輸文件變化量，計算出網絡的實時速率；通過獲取整個文件傳輸所需要的總時間，計算出網絡的平均速率。

2 系統的總體設計

該軟件所在的硬件平臺配置是Marvell 88f6560芯片／內存256M／Flash128M／天馬4.3寸液晶屏。

筆者設計的軟件是嵌入在EPON測試儀表中，通過連接要測試鏈路中的FTP服務器，然后進行文件的上傳和下載來得到測試鏈路的網絡速度。整個軟件總體結構如圖2所示，主要由FTP連接模塊、網速計算模塊、數據實時顯示模塊和統計模塊4個部分組成。整個軟件通過消息事件進行控制和管理，在傳輸文件過程中，利用定時器每隔一定的時間向前臺顯示模塊通報實時傳輸文件的大小和速率，前臺通過曲線和進度條實時顯示。筆者設計的軟件是基于嵌入式Linux平臺，開發工具為Qt4.7［2］。

圖2 系統總體結構圖

3 具體實現

3.1 FTP連接模塊

FTP在進行文件傳輸之前首先要與FTP服務端之間建立連接，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據連接建立2個階段：第1階段建立的連接是控制連接，控制連接用于發送FTP命令，接受FTP Server的應答。在控制連接建立之后，第2階段將進入建立數據傳輸連接階段，在數據傳輸連接建立之后，FTP客戶端就可以與FTP服務端進行文件的傳輸了。FTP支持主動模式（Active模式）和被動模式（Passive模式）2種工作模式。

該軟件的設計是利用了Qt下的QFtp類來進行FTP服務器的連接，如圖3所示。首先與FTP服務器連接，然后發送登陸服務器的用戶名和密碼，等待服務確認，當確認成功，客戶端就和服務器之間鏈路建立完成。

圖3 FTP建立連接的流程圖

3.2 網速計算模塊

網速計算模塊［6－7］是軟件的核心模塊，流程如圖4所示。它主要需要檢測文件傳輸過程中的實時網速、最大網速、最小網速和平均網速。在極短時間內得到文件上傳或者下載的大小，就可以近似計算出網速。筆者利用Qt中的定時器來設置一個時間作為極短時間，當定時時間到了，就得到該段時間內上傳或者下載文件的大小，利用此改變的大小除以定時器的時間，就得到該時刻的實時網速，同時用該網速與上一個時刻的最大網速和最小網速比較，來更新該時刻網絡的最大網速和最小網速。該軟件采用500ms作為一次速率計算的統計時間段。

3.3 實時顯示模塊

Qt程序主要通過事件進行驅動，該軟件通過繪屏事件進行屏幕的顯示。每當產生一個新的實時速率，就觸發paintEvent事件函數進行實時顯示網絡速度。如果采用一般的實時繪圖方式，即繪制一次，刷新一次屏幕的方式，會引起整個圖像的閃爍。因此在用Qt繪制圖像時應該采用雙緩沖技術，即在內存中創建一個與屏幕繪圖區域一致的對象，先將圖形繪制到內存中的這個對象上，再一次性將這個對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 統計模塊

統計模塊主要是當上傳下載結束后，統計出鏈路的最高網速、最低網速和平均網速。最高網速和最低網速數據傳輸的過程中已經實時統計出來，平均網速根據上文的公式利用傳輸的數據包總數除以傳輸時間即可得到，通過一個對話框在數據傳輸結束時顯示出統計的速度。

3.5 軟件的移植

由于軟件需要在EPON的網絡測試儀上運行，因此在PC開發應用程序需要移植到EPON的網絡測試儀的開發板上。移植的步驟如下［3－4］：建立目標機交叉編譯器的編譯環境；交叉編譯Qt4.7并設置Qt4.7的環境變量；交叉編譯的Qt4.7環境下編譯網絡測速軟件；通過串口將編譯成功的網絡測速軟件燒錄在EPON測試儀的開發板上。

圖4 網速計算流程圖

4 測試結果與分析

4.1 測試環境

測試是在局域網中進行，網絡結構如圖5所示。FTP服務器IP為192.168.1.100，端口默認為21。FTP測速軟件集成在EPON儀表中，啟動界面如圖6所示。筆者在另外一臺PC上安裝了FlashFXP軟件，和筆者設計的FTP測速軟件進行對比，起到驗證速率準確性的作用。測試分為2步進行：首先進行下載測試，然后進行上傳測試。