ARCNET列車數據網絡建模與性能分析

魏俊超，張新有

(西南交通大學信息科學與技術學院，成都 610031)

1 概述

目前應用比較廣泛的2種類型的列車通信網絡:基于WTB和MVB的TCN(T型)列車數據通信網絡和Echelon公司推出LonWorks(L型)列車控制網絡技術，它們具有抗干擾能力強、數據傳輸可靠性高、響應實時性強、數據傳輸安全等特點。此外，ARCNET協議、工業以太網等通用網絡技術也在列車通信網絡中有一定的應用［1～2］。

ARCNET(Attached Resource Computer Network)是一種基于令牌傳遞(Token Passing)協議、優化過的令牌總線網絡，該總線具有確定性、快速性、可擴展性、錯誤自檢測和支持長距離傳輸等特點［3－4］，非常適合工業過程實時控制，近年來在各種自動化領域廣泛應用，是一種理想的現場總線技術。

ARCNET網絡除了具有一般列車數據網絡的優點之外，還具有以下幾個顯著特點。

(1)幀傳輸確定性。由于ARCNET網絡采用優化了的令牌傳遞技術，只有持有令牌的節點才能有權發送消息，因此任何節點都不能獨自占有網絡，網絡上的節點都公平地享有對總線的使用權，不存在競爭，使得網絡在時間性能上具有確定性和可預測性。與使用沖突檢測機制的CAN總線網絡和工業以太網有顯著不同［5～6］的是，ARCNET 網絡能夠計算出在最壞情況下節點之間傳遞信息所需的時間。ARCNET網絡即使在網絡流量大、負載很重的情況下，也不會給網絡造成擁塞。

(2)網絡配置自動化。ARCNET協議的另一個優點是可以適應網絡的變化。不管何時網絡中刪除或加入一個節點，ARCNET網絡將自動重新配置。當有節點要加入到網絡中時，通過發送一個阻塞信息從而造成網絡的重構，完成節點的加入。而節點退出網絡時，通過不響應邏輯鄰居節點的消息，造成超時，直到后繼節點響應為止，節點退網完成。由于節點退網時不需要整個網絡的重構，所以不會造成整個網絡的癱瘓，網絡故障的恢復時間是比較快的。

(3)節點間可發送廣播報文。ARCNET網絡還支持對所有節點發廣播報文。與同一消息依次傳送到網絡中所有節點不同的是，廣播報文會一次性傳送到所有的節點。允許接收廣播報文的節點會收到一個目的地址為0的消息，同時接收到廣播報文的節點不需要返回NAK幀或ACK幀。

(4)支持多種布線方式。ARCNET網絡可支持星型、總線型以及分布式星型等拓撲結構。常用的傳輸介質有同軸電纜、雙絞線、光纖等，同時3種介質在網絡中也可以交叉使用。ARCNET網絡布線方案，可根據節點間的距離、傳輸的數據類型、數據通信量、網絡的覆蓋范圍、網絡相關設備的性價比等靈活地選擇合適的傳輸介質和網絡拓撲結構。事實上，CRH2型高速動車組的數據傳輸網絡就是使用雙重環網的ARCNET網絡。

以上的這些特點使得ARCNET網絡能夠適用于列車數據網絡，特別是對于可變編組的列車數據網絡。文章利用OPNET仿真軟件對ARCNET列車數據網絡進行動態仿真，通過仿真對該ARCNET網絡的鏈路吞吐量和實時性進行分析，得出影響網絡端到端時延的主要因素和保證ARCNET列車數據網絡正常運行的最大誤碼率，對ARCNET協議在列車數據網絡當中的應用具有一定的借鑒價值。

2 ARCNET網絡拓撲結構建模

列車通信網絡是針對鐵路環境惡劣、列車流動性大、實時性強、數據可靠性要求高等特點的控制網絡，所以列車中的ARCNET網絡和普通的ARCNET網絡有所區別，應具有特殊性［7～8］:(1)網絡中的活動節點保存有邏輯鄰居的節點地址，從而可構成活動節點地址表;(2)設置空閑區查詢幀，避免目的節點沒有足夠的空閑緩沖區而引起的數據丟失，減少了不必要的消息重傳。

由于列車數據網絡長期在惡劣的環境下工作，受電磁干擾強烈，而且對通信網絡的實時性要求高，所以本模型中的ARCNET列車數據網絡使用光纖作為傳輸介質，數據傳輸速率設定為2.5 Mb/s［9］。

列車數據網絡中傳送的數據大致分為2種:(1)監視和檢測信息，如列車檢測和自我診斷信息等。監視信息優先級別低，對實時性要求相對較低，可以根據需要選擇性發送;(2)控制指令信息，如牽引、制動，以及對輔助電源和設備的控制指令等，控制指令優先級別高，對實時性要求較高，周期性發送。ARCNET列車數據網絡中規定發送控制指令的周期為10 ms［10］，所以令牌在網絡當中的循環時間就不能超過10 ms。

為進一步提高ARCNET網絡的安全性、實時性和可靠性，在列車數據網絡中使用雙重環網結構。對于列車控制指令采用雙向傳輸;當要傳輸列車監視信息時，采用單向傳輸，當原方向鏈路傳輸失敗時再向反方向傳輸。

在該ARCNET列車數據網絡的拓撲結構模型［11］中(圖1)，列車模型由8節車廂組成，列車編組為4M4T，由2個動力單元組成。每個動力單元由2個動車和2個拖車(T－M－M－T)組成。T1c(包括節點1、2)、T2c(包括節點 6、7)為車頭，T1k、T2 為拖車車體，M1s、M2、M1為動車車體。拓撲模型中一共有10個數據處理節點，節點1和節點6作為中央處理節點，其他節點為終端處理節點，中央處理節點主要負責控制指令的發出，網絡維護以及處理終端節點的信息等。

圖1 ARCNET列車數據網絡拓撲模型

車廂T1c和T2c中節點之間的距離設定為20 m，其余每個終端節點之間的距離設定為50 m。

正常運行的情況下，在該雙重環網拓撲結構模型中，其中一個作為主環，另一個作為熱備及起輔助作用的備用環。當主環出現故障情況下，可由備用環接替主環的工作，從而避開故障部位。

3 基于OPNET的ARCNET網絡節點建模

在ARCNET列車數據網絡節點模型中，由于網絡為雙重環網結構，所以節點模型中需要2對收發器。xmt_1、rcv_1對應網絡中的主環以及xmt_2、rcv_2對應網絡中備用環。App_In_Out模塊主要完成網絡中對應的應用層協議的功能，Proc處理模塊主要完成ARCNET網絡的鏈路層協議的功能，是整個節點仿真模塊的核心功能部分。如圖2所示。

3.1 基于OPNET的應用層建模

節點模型中的App_In_Out作為應用層模塊主要完成接收從鏈路層到來的數據包和負責節點數據包的產生的功能。

仿真模型首先進入數據初始化狀態，依次讀入節點地址、節點的類型等參數，并轉到等待數據接收狀態。當RCV_ARRVL條件成立時，表示有數據從鏈路層到來，即轉到節點數據接收狀態;當XMT_ARRVL條件成立時，表示應用層有數據要發送，即轉到節點數據發送狀態，等到應用層數據發送或接收完成后轉到等待狀態。

3.2 基于OPNET的鏈路層建模

節點模型中的Proc處理模塊作為鏈路層進程模型，主要完成數據的組幀，數據格式的分析和錯誤檢測，網絡故障處理，網絡通訊管理等功能。

圖3為節點鏈路層進程狀態轉換模型。模型首先進入初始化狀態，依次對每個節點的統計量和中斷等參數進行設置，并轉到等待數據接收狀態。在等待狀態下，若有數據傳輸到物理層，則進入lo_frame低層數據處理狀態;若有數據傳輸到應用層，進入up_frame高層數據處理狀態。在up_frame高層數據處理狀態下，若當前節點為終端數據節點并且持有令牌，那么該節點首先向中央節點發送請求幀，在收到應答幀之后，向中央處理節點發送消息數據。在發送消息數據完畢后，將令牌傳遞到邏輯鄰居節點，然后轉入等待狀態。若當前節點為中央處理節點并且持有令牌，則從節點兩端同時向終端數據節點發送消息數據;若終端數據節點沒有持有令牌，則將到來的數據進行排隊，等待令牌的到來。在lo_frame低層數據處理狀態下，主要是對到達物理層的消息數據進行處理，對非當前節點的數據，則轉發到邏輯鄰居節點，等消息處理完畢之后，轉入等待狀態。

圖3 節點鏈路層進程狀態模型

4 網絡仿真

文章在對列車數據網絡需求以及ARCNET網絡協議進行思考、分析的基礎上，通過建立ARCNET網絡拓撲模型，主要對節點間鏈路吞吐量和網絡的實時性進行仿真分析。

4.1 ARCNET網絡實時性仿真

網絡實時性的仿真主要是對令牌的循環時間和端到端(ETE)時延進行仿真。ARCNET列車數據網絡要求控制指令的循環時間不能超過10 ms，否則，控制指令信息將不能按時傳輸到各個終端數據節點，會對列車的安全運行造成嚴重影響。

首先網絡場景初始化，網絡范圍的大小設置為125 m×125 m;網絡拓撲類型為Ring雙環類型，節點模型為圖2自定義的節點類型，數量為8個;鏈路模型為自定義的鏈路類型，其數據傳輸率默認值為2.5 Mbps，數據傳送方式為半雙工;根據實際應用，設置網絡的中心坐標為(60，60)，工作半徑為45 m。同時為了仿真網絡的實時性和鏈路的吞吐量，需要收集網絡中每個節點的Load統計量以及網絡令牌的Delay統計量。運行仿真，采用DES仿真，仿真時間設置為500 s，在數據為2.5 Mb/s傳輸速率下，分別進行2次仿真試驗。仿真試驗1，誤碼率為0，仿真結果分別如圖4、圖6所示;仿真試驗2，誤碼率為1×10－7情況，仿真結果分別如圖5、圖7和圖8所示。

對應用層端到端(ETE)時延的仿真結果如圖4所示，由仿真結果可以看出ARCNET網絡端到端的平均時延在0.5 ms以下。由于ARCNET協議是基于令牌傳遞技術的，因此網絡中端到端平均時延相對穩定。

圖4 誤碼率為0時端到端時延仿真

圖5為數據傳輸的誤碼率為l×10－7時的令牌循環時間。此時由于數據誤碼率超出了系統的承受范圍，數據在傳輸過程中發生了頻繁的重傳，造成了令牌循環時間增大，嚴重影響了數據傳輸的效率。

圖5 誤碼率為1×10－7時令牌循環時間

4.2 網絡鏈路吞吐量仿真

圖6是在數據傳輸誤碼率為0時，各節點間鏈路吞吐量的仿真結果。由于ARCNET令牌環是單向傳輸，導致各節點間的鏈路吞吐量不盡相同。

圖6 節點間鏈路吞吐量仿真

圖7 主鏈路環吞吐量的仿真

圖7與圖8分別是在誤碼率為1×10－7時，主鏈路環以及備用環的鏈路吞吐量仿真結果。可以看出當主鏈路環意外發生故障時，備用環接替主環繼續工作，造成備用環的鏈路吞吐量突然增大，與此同時主環的鏈路吞吐量減小，同時也保證了系統能夠繼續正常工作。

圖8 備用鏈路環吞吐量的仿真

5 仿真結果分析

式中，Ts為端到端時延;Tf為節點發送時延;Tb為介質傳播時延;Tc為節點處理時延。

由公式(1)可知，源節點數據發送處理時延、鏈路傳輸時延和目的節點數據處理時延是造成數據傳輸時延的主要因素。其中，影響鏈路傳輸時延主要因素為數據傳輸速率和介質的傳輸距離。在ARCNET列車數據網絡中采用光纖作為傳輸介質，以及節點之間的距離較小，因此鏈路傳輸消耗的時延非常小，基本上可忽略掉。依據仿真結果可以得出，源節點的數據發送時延是影響端到端時延主要因素。

同時在仿真的過程中，通過設置不同的誤碼率發現，在數據傳輸的誤碼率高于1×10－7時，令牌循環時間將會超過10 ms，同時網絡中數據傳輸質量也會嚴重下降，滿足不了系統的要求。所以在數據傳輸的誤碼率不超過1×10－7的情況下才能保證ARCNET列車數據網絡的安全運行。

由圖6的鏈路吞吐量仿真結果可以看出，由于ARCNET列車數據網絡是單向傳輸，導致網絡中各個節點間的鏈路吞吐量并不盡相同。因此在主環正常工作的情況下，如果4號終端節點要向1號中央節點發送消息數據，則要通過其后繼終端節點5號、6號…傳輸，而10號終端節點則要向中央節點轉發前面所有節點傳輸的消息。仿真結果表明，節點之間鏈路負載量將會隨著節點地址的增加而增大。

6 結語

ARCNET網絡的端到端時延以及令牌的平均循環時間反映了網絡的性能，從整體上描述了系統的時延;各個節點的鏈路吞吐量描述了網絡擁塞的情況。仿真結果表明:當數據傳輸誤碼率超過1×10－7時，網絡中數據傳輸質量嚴重下降，網絡擁塞情況嚴重，令牌循環時間超過10 ms，滿足不了高速列車數據網絡系統的要求。

通過網絡建模和仿真，對ARCNET列車數據網絡進行鏈路吞吐量和網絡實時性仿真，得到不同誤碼率環境下的網絡整體性能情況。結果表明，影響端到端時延的主要因素是源節點的數據發送時延，建議使用高性能的節點處理器以減少端到端時延。

［1］張元林.列車控制網絡技術的現狀與發展趨勢［J］.電力機車與城軌車輛，2006，29(4):1-4.

［2］常振臣，牛得田，王立德，等.列車通信網絡研究現狀及展望［J］.電力機車與城軌車輛，2005，28(3):5-7.

［3］Betancor，M J，Gabiola F J，Lopez-hernandez，F J.IR wireless system for ARCNet local area network［C］∥Local Computer Networks，September 30-October 3，1990，Dept.Electr.y Telecomunicacion，Univ.de Las Palmas de G.C，1990:183-187.

［4］J.A.Murphy，Token-passing protocol boosts throughput in local networks［J］.Electronics，2002(8):15-18.

［5］錢存元，邵德榮，謝維達.現場總線在列車控制網絡中的應用與發展［J］.交通與計算機，2004，22(1):68-72.

［6］丁超義，苗劍，賀德強，章睿.基于OPNET的列車工業以太網仿真研究［J］.廣西大學學報，2010，35(2):269-272.

［7］況長虹，李家武，王玉松，王利鋒，宋紅霞.基于OPNET的ARCNET列車網絡的建模與仿真［J］.鐵路計算機應用，2008，17(5):49-51.

［8］曾祝林，謝偉達.智能型列車總線ARCNET通信網卡的研究［J］.機車電傳動，1997(6):5-7.

［9］倪文波，王雪梅.高速列車網絡與控制技術［M］.成都:西南交通大學出版社，2008.

［10］曾祝林，劉鳳芳.ARCNET局域網的協議剖析和應用技術［J］.自動化博覽，2002(6):30-33.

［11］李 馨，葉 明.OPNETModeler網絡建模與仿真［M］.西安:西安電子科技大學出版社，2006.