基于交換式以太網的TCN仿真研究及分析＊

邢 震，康洪軍，馬連川，穆建成

（1 軌道交通控制與安全國家重點實驗室，北京100044；2 唐山軌道客車有限責任公司，河北唐山064000； 3 北京交通大學電子信息工程學院，北京100044；4 軌道交通運行控制系統國家工程研究中心，北京100044； 5 鐵道部科技司，北京100844）

列車通信網絡（Train Communication Network，TCN）是一種硬實時系統，在數據傳輸過程中，報文帶有明確的時間限制，這些時間限制必須滿足，否則任務未能及時完成將導致災難性后果。但隨著基于通信的列車控制系統（CBTC）和中國列車控制系統3級（CTCS－3）在我國的不斷推廣，用于車輛控制與列車運行的數據種類會不斷增長，可以預見MVB和WTB的帶寬會越來越難以滿足這種信息的增長。為此提出一種基于交換式以太網的列車通信網絡方案，并通過Vx Works試驗平臺進行試驗驗證。

1 基于交換式以太網的TCN網絡方案

1.1 基于交換式以太網的列車通信網絡拓撲結構

該方案把列車通信網絡基本結構劃分為3層，如圖1所示。

第1層是骨干網——列車級控制層，各個車廂的交換機采用級聯的方式連接，實現列車級控制。第2層是車輛級控制層，物理介質采用雙絞屏蔽線。摒棄傳統TCN中的總線型拓撲方式，采用星型拓撲進行連接。第3層是設備控制層，連接鐵路車輛上車載可編程設備。

1.2 基于交換式以太網的TCN網絡通信協議棧

基于交換式以太網的列車通信網絡方案對傳統的TCN通信協議棧做了3大改進，如圖2所示。

圖1 列車通信網絡結構

首先將用戶的任務區分為實時和非實時任務；其次是將TCN網絡中的RTP協議用實時協議層表示，并在實時協議層下增加了實施確定性調度的實時虛擬層；三是最底層使用了交換式以太網。

為了能很好的與現有的TCN網絡融合，本文使上層的實時協議層完全符合TCN中的實時協議規定。但這樣做的同時，也要求下層為實時協議層提供傳輸周期性數據和非周期性數據的服務，對此我們設計實時虛擬層。它的特點是為上層提供進程數據、消息數據和監視數據傳輸服務，同時也屏蔽了下層以太網的實現方式。使得我們能夠用交換式以太網代替原TCN中的傳統以太網。

以上的3大改進在不改變TCN網絡上層協議的情況下，提高TCN網絡的數據傳輸速率，改善TCN網絡的確定性和實時性。

2 實時虛擬層

由上文分析可知，為了保證改進后列車網絡的實時性和確定性，本文引進了實時虛擬層，下面對實時虛擬層中確保網絡實時性的概念和措施進行說明。

2.1 虛擬鏈路

傳統的TCN網絡中采用介質共享的有線數據連接方式。本文參照文獻［1］中AFDX相關的概念，在實時虛擬層中采用了VL（Virtual Link，虛擬鏈路）的連接方式。為了保證交換式以太網是一個確定性網絡，虛擬鏈路具有以下特性：

（1）列車通信網絡中的數據通信都是通過VL來實現的，每條VL都有自己的虛擬鏈路標志符。

（2）終端系統可以通過設置每條VL的可用帶寬，實現VL間邏輯上的隔離。

（3）VL由兩個重要參數：一條虛擬鏈路內部相鄰的兩個以太網幀之間的最小時間間隔BAG，其取值范圍定義為1～128 ms；虛擬鏈路中允許傳輸的以太網幀的最大長度Lmax。因此將每條VL分配的最大帶寬定義［1］為

所以說對于一條BAG為1 ms，幀長度為1 518字節的虛擬鏈路，其最大數據傳輸速率為12 144 000 b／s。

（4）VL還能通過自身的兩個參數帶寬分配間隔（band width allocation gap）和抖動時延（Jitter），實現了流量控制的功能。

2.2 虛擬鏈路調度機制

除了引進虛擬鏈路概念外，在此還參考文獻［1］，在實時虛擬層中增加了流量整形和虛擬鏈路調度等實時數據傳送保證機制。流量整形是在虛擬鏈路間分配通信資源，即對每一個具體的虛擬鏈接按需分配可用帶寬間隔（BAG）和最大發送的幀長（Lmax）。流量整形功能是確定性分析的基礎，沒有經過流量整形的VL上的數據不是均勻傳輸的，假如VL上的數據經過流量整形后，會使VL上每個BAG間隔內發送的消息流不超過一個幀。這樣就能防止虛擬鏈路中出現瞬時數據流，決定了聚合流量最壞條件下的排隊延遲界限。

虛擬鏈路調度技術通過FIFO的方式將以太網幀發送到物理鏈路上，如圖3所示。

圖3 流量整形和虛擬鏈路調度［5］

2.3 信息發送和接收過程

由于方案中把用戶數據分為實時性數據和偶發性數據，所以信息發送就分為兩種情況。當列車中數據采集器采集到實時數據時，把數據發送到實時協議層進行封裝（符合TCN的RTP協議）。實際中，列車中的實時數據都是過程數據，進行周期性發送，且不會有太大的改變，所以可以把具體的過程數據與具體的虛擬鏈路關聯起來，即在某條虛擬鏈路上只傳輸某幾種特定的過程數據。在實時虛擬層上，根據這種對應關系把過程數據發送到相應的虛擬鏈路上，在通過流量整形器后，對虛擬鏈路上的數據幀進行流量整形。接著多條虛擬鏈路上的數據通過虛擬鏈路調度器調度后在加入UDP報頭、IP報頭和Ether net報頭，封裝成以太網幀。每個基本周期中，系統會根據輪詢策略（滿足TCN的輪詢策略）在交換式以太網中廣播一個主幀，所有設備接收該主幀并譯碼，并判斷自身是否被要求在這個基本周期內響應一個從幀（可以有多個設備被要求響應從幀），被確定要求響應從幀的設備隨后向交換式以太網中發送一個從幀。

對于非實時性數據，在實時協議層中的操作與傳統TCN中的操作是一致的，在實時虛擬層上，把報文發送到相關的虛擬鏈路上；在交換式以太網層上，把數據封裝成以太網幀，發送到交換式以太網中。

接收端接收到數據后，根據各層的協議進行完整性檢查，并去掉各層的報頭，最后在實時協議層中根據TCN中的RTP協議把數據傳遞給對應的應用程序。

3 試驗結果

為了進一步驗證基于交換式以太網的TCN方案的實時性能，搭建了一個基于Vx Works的仿真系統。該仿真系統模擬了如圖1的列車通信網絡系統，其中交換機的帶寬是100 Mb／s。計算出在最不利情況下（所有的設備同時發送數據）的網絡最大延遲，為了試驗結果易于分析，仿真系統中每臺交換機的負載數分別定為10，20，30，35，40，50臺。

試驗結構如圖4所示。為了能夠模擬上述假設的高負載，仿真系統中采用了Vx Works操作系統中的多任務機制、任務間通信機制和網絡通信機制。

由于網絡延遲的時間非常小，除了使用Vx Works實時操作系統外，還要在試驗過程中消除人為的干擾。accepter會匹配接收到的數據幀，只有接收到了規定的信號數據時，才能啟動計時。

當交換機的負載分別為10，20，30，35，40，50臺時，車輛控制層的試驗結果如表1。

把試驗數據繪制成試驗曲線如圖5所示。

圖4 試驗結構圖

表1 車輛控制層試驗結果 ms

圖5 車輛控制層試驗曲線

由于骨干層的試驗方法與車輛控制層的基本相似，詳細計算過程不再贅述。需要特別指出的是通過將1個以太網交換機劃分成8個虛擬局域網（Virtual Local Area Network，VLAN）來模擬8個實際的以太網交換機。試驗曲線如圖6所示。

圖6 骨干層仿真曲線

4 結果分析

4.1 車輛控制層延遲分析

由于TCN網絡是一個強實時性系統，對于周期性過程數據，為了達到硬實時性指標，必須滿足最壞情況下的應答時延和報文時延。

圖7 MVB報文

根據文獻［2］對MVB報文的規定可得，如圖7所示：在傳統TCN網絡的MVB總線上，一個基本周期內發送一個過程數據報文的時間為：

式中T＿主表示主幀發送時間，固定為22μs；T＿主從主幀與從幀的間隔時間，取值為2～43μs，為不失一般性，這里取43μs；T＿從表示從幀發送時間，分別為22，33，54，102，198μs，為計算最壞情況，這里取值22μs；T＿從主表示從幀到下一主幀的間隔時間，取值為2～43μs，這里同樣為不失一般性，取43μs。由上可知：

MVB總線的輪詢基本周期為1 ms，由文獻［3］中可知，一個基本周期內偶發相時間的缺省值為350μs，則周期相時間為650μs。則根據公式（3）的結果可知，一個基本周期內只能有650／130＝5個設備發送過程數據。

由圖5仿真結果分析基于交換式以太網的列車通信網絡，定義交換式以太網中過程數據發送時間：

從圖5試驗曲線可知，當有5個設備同時發送過程數據時，車輛級控制層端到端最大延遲為60.668μs，即

T＿S僅占周期相時間的16.74%。由圖5還可以得出在650μs的周期相中車輛級控制層可以滿足45臺設備同時發送過程數據。

所以基于上述的理論分析，從實時性方面來看，基于交換式以太網的列車通信網絡在車輛級控制層上比原TCN更加有優勢。并且在交換式以太網中傳輸時，以太網幀可以裝載46 B的過程數據量，每個交換機端口都可以獨占100 Mb／s的帶寬。而傳統TCN中的MVB總線上實際最大傳輸位數為297位，并且MVB總線的通信速率只有1.5 Mb／s。兩者相比，在數據量和通信帶寬方面，基于交換式以太網的列車通信網絡也要優于傳統TCN網絡。

4.2 骨干層延遲分析

圖8 WTB報文

根據文獻［2］對 WTB報文的規定可得，如圖8所示：在傳統TCN網絡的WTB總線上，一個基本周期內發送一個過程數據報文的時間：

傳統TCN網絡中WTB總線中的基本固定周期為25 ms，由文獻［3］可知，一個基本周期內偶發相時間占基本周期的40%，則周期相時間為15 ms。根據式（5）的結果可知在WTB總線上，一個基本周期內只能有15 ms／2 646μs＝5個設備發送過程數據。

由圖6仿真結果來分析基于交換式以太網的列車通信網絡的骨干層，當在骨干層中同時有5個設備發送過程數據時，最大的端到端延遲為0.446 77 ms；即T＿S從幀＝0.446 77 ms；T＿S主幀＝5.12μs；T＿S主從＝34 μs；根據式（4）可知：

T＿S僅占周期相時間的3.24%。由圖6還可以得出當每個交換機的負載都為50個時，T＿S＝5.3 ms。也只占一個基本周期中周期相的35.3%。

我們以速度為360 km／h，列車追蹤間隔為3 min的高速列車為例，從司機臺發出緊急制動命令到車輛8制動單元開始制動時，緊急制動數據幀時延為5.3 ms。列車超速時ATP制動響應時間不大于500 ms，可以看出數據幀時延只占響應時間的1.06%，有較好的安全性保證。

從上述理論分析中，可以得出基于交換式以太網的列車通信網絡在骨干網中數據傳輸的實時性同樣要優于傳統的TCN。并且在交換式以太網中傳輸時，以太網幀可以裝載46 B的過程數據量，相比較于WTB過程數據報文只能裝載1 024位過程數據，前者無疑具有較大的數據吞吐量。

5 結束語

提出基于交換式以太網的TCN方案，大大提高了列車通信網絡的信號傳輸速率，同時還能保證強實時性。能有效地解決列車通信網絡帶寬和數據信息種類和數量的不斷增長之間的矛盾，有利于促進鐵路的高速發展。下一步將繼續結合網絡演算對基于交換式以太網列車通信網絡的調度算法進行研究。

［1］ARINC.Specification 664：Aircraft data network，part7－deterministic networks［S］.2005.

［2］IEC.Electric rail way equipment－Trainbus－Part 1：Train Communication Network［S］.1999.

［3］IEC.Electric rail way equipment－Trainbus－Part 1：Train Communication Network［S］.2007.

［4］陳積明，王 智，孫優賢.工業以太網的研究現狀及展望［J］.化工自動化及儀表，2001，28（6）.

［5］SBS Technologies.Avionics Full Duplex Switched Ethernet（AFDX）white book［M］.