基于以太網仿真的CRH2型動車通信網絡監控系統

孫小盛，譚獻海，侯世良

（西南交通大學 信息科學與技術學院 ，成都 610031）

列車通信網絡負責實現列車運行過程中牽引、制動等控制信息的傳遞，車輛運行信息的反饋等功能。隨著列車運行速度的逐漸提升，對列車通信網絡的要求也不斷提高, 理想的列車通信網絡應是可靠傳輸、實時響應并能快速排除故障，使列車恢復運行，其網絡狀況直接關系到列車的整體性能和安全性。因此，對列車通信網絡的網絡性能、運行狀態進行監控可以及時發現和糾正網絡傳輸中的錯誤信息，保障列車安全可靠地行駛。

ARCNET（Attached Resource Computer Network）是一種采用了優化的令牌總線協議（IEEE-802.4）標準，提供OSI參考模型中物理層和數據鏈路層的服務。其時間上的確定性、組網上的靈活性和傳輸上的可靠性可以很好地滿足列車通信網絡對網絡性能的要求。近年來我國一直致力于ARCNET網絡的研究，已經掌握了很多相關技術，并已在高速列車和城軌車輛上成功應用，目前CRH2型動車即采用ARCNET傳輸協議。

在已開發的基于以太網的ARCNET仿真平臺基礎上，設計并實現CRH2型動車通信網絡監控系統，可以監視ARCNET網絡上節點的運行狀態和全網的網絡性能，測試環路上節點的通斷和時延，為后續對實體ARCNET網絡的監控提供參考。

1 CRH2型動車通信網絡仿真平臺介紹

1.1 CRH2動車通信網絡系統

圖1為CRH2型動車通信網絡結構圖，其中，兩端為頭車，其余為車廂。頭車上掛載有中央裝置和終端裝置，其余的車廂只有終端裝置。中央裝置由控制器部和監視部組成，具有列車信息管理和向終端裝置傳送數據的功能。終端裝置負責實現各車廂中車載設備的數據傳輸。中央裝置和終端裝置采用光纖雙環網的形式連接，用ARCNET協議進行通信，傳輸的數據主要包括控制指令、設備數據狀態以及故障診斷信息。

圖1 CRH2型動車通信網絡結構圖

CRH2型動車通信網絡啟動時，環網上的每個節點都獲得一個邏輯地址，令牌（ITT）從低位地址節點向高位地址節點傳遞，只有獲得令牌的節點才有權發送數據。因此，環網上的所有節點共享總線使用權，使得其網絡性能在時間上具有確定性及可預測性。

1.2 CRH2列車通信網絡系統仿真平臺

如圖2所示，用10臺計算機與交換機連接來模擬CRH2型動車上的ARCNET環網結構，另用1臺計算機作網絡監控使用，通過對交換機設置端口鏡像（Port Mirroring）可以實時監視其它10臺計算機收發的數據。網絡上的各個節點分別產生數據信息：

PC1、PC10裝載司控臺仿真數據源，模擬產生司控臺信息；

PC2、PC5、PC6、PC9模擬產生車載設備數據信息；

PC3、PC4、PC7、PC8模擬產生車載設備數據信息及牽引控制信息。

仿真平臺節點間的數據傳輸機制采用ARCNET協議，數據信息產生后按照ARCNET數據幀（PAC幀）的格式封裝，由于仿真平臺建立在以太網(RFC894)環境下，因此還需要將PAC幀按照以太幀格式進行封裝。當有令牌到達后，經過查詢目的地址緩沖區，計算機將封裝好的ARCNET數據幀發送出去。

以上的節點間數據交換機制遵循CRH2型動車通信網絡模型和ARCNET的通信規范。

圖2 基于以太網的CRH2型動車通信網絡系統仿真平臺

2 監控系統分析與設計

根據CRH2型動車通信網絡的特點和仿真系統的實際需求，將監控系統分為2個模塊：數據包監控、節點工作狀態監控、令牌監控、網絡性能監控、網絡測試，如圖3。

圖3 監控系統模塊結構圖

2.1 數據包監控

數據包監控模塊是監控系統的數據來源和報文分析的基礎。該模塊的功能為捕獲環網上傳輸的數據包，顯示其類型、長度、源地址、目的地址和到達目的緩沖區時間，以16進制打印報文信息并解析內容。

通過數據包監控可以對仿真系統作更深入的分析，驗證仿真正確性、協助故障排查。按照仿真平臺的構建原則，數據包的到達時序應嚴格遵守ARCNET協議規范，如果出現報文時序錯亂則通信機制可能出現錯誤。

2.2 節點狀態監控

監控網絡上的節點是否可以正常地收發數據，顯示節點加入環網時和退網時其工作狀態的變更。如果有數據包從某節點發送到網絡中，說明該節點處于在線狀態。反之，說明該節點沒有加入網絡。通過對節點工作狀態的監控可以及時發現斷點，配合網絡測試來及時定位故障原因。

2.3 令牌監控

監視并維護令牌循環體系，按照ARCNET的通信規范，每個活躍的節點在一個令牌循環周期內都應有令牌到達，否則可判定該節點有傳輸故障。如果在全網內出現令牌丟失應及時產生新令牌來引導并恢復令牌循環。

此外，如果某個節點的工作狀態為在線，但是在令牌的循環周期內沒有令牌到達，則可以定位為令牌循環機制錯誤。

2.4 網絡性能監控

對網絡性能的監控包括以下2個方面。

2.4.1 監控令牌循環周期

參數：循環周期最大值、循環周期平均值、循環周期最小值、當前循環周期。按照CRH2型動車通信網絡仿真平臺的傳輸標準，令牌幀和ACK幀的大小均為60 byte，因此如果忽略傳輸時延，當傳輸速率為5 Mbit/s，節點數量為10，在無車載數據幀（PAC幀）發送的情況下，最小令牌循環周期為：

因此若按以上條件，監控結果顯示令牌循環周期遠小于2.4 ms，則可判定環網上傳輸的令牌數大于1，傳輸機制出現錯誤。

2.4.2 監控節點的性能表現

參數：平均時延、最大時延、最小時延、傳輸成功率、丟包率、差錯率、發包數、收包數、發送字節數、接收字節數。對節點性能參數作累加和平均計算可以得到整個網絡的整體性能參數。

令牌循環平均周期和全網平均時延是評價仿真平臺整體性能的重要參量，按照ARCNET協議的傳輸標準，令牌循環平均周期應不大于10 ms，因此在仿真平臺經過初始化并進入穩定期后的令牌循環時間應在10 ms左右。

2.5 網絡測試

網絡測試的功能主要是測試環網上各節點的通斷和時延，通過比較時延與閾值評價測試結果，測試結果為節點正常、時延大或不通。此外，網絡測試還可以通過對發送的數據作CRC校驗來統計誤碼率，與實驗室環境相比，實際運行環境中信噪比相對較小，誤碼率可以檢驗干擾強度對信息傳輸的影響。在實體ARCNET網絡中環路測試是雙向的，通過接收各節點的逐級應答可以定位故障源來自節點還是鏈路，由于本項目中仿真平臺的拓撲結構在物理上并不是環形，因此不具有測試鏈路通斷的功能。

3 監控系統實現

3.1 監控系統捕獲原理

基于以上功能需求，結合CRH2型動車通信網絡仿真平臺的結構設計，采用WinPcap技術實現網絡監控。WinPcap是一個應用于Win32平臺的，用以捕獲網絡數據包并進行分析的開源庫，為Win32應用程序提供了訪問網絡底層的能力。

圖4 監控系統原理圖

（1）網絡接口層

即仿真平臺硬件設備工作的層次，網絡數據包通過硬件設備接口進入系統內核層。通過設置交換機的端口鏡像功能，可以將仿真平臺上所有節點收發的數據包都轉發到監控計算機上，因此仿真平臺上負載越多需要監控的數據量也越大。

（2）系統內核層

系統內核層的核心是包過濾驅動程序NPF（Netgroup Packet Filter），其主要功能是高效地捕獲和過濾數據包，在數據包上附加時間戳、包長度等信息，并將這些數據包傳遞給上層應用模塊。

低級動態鏈接庫Packet.dll在Win32 平臺上給開發者提供了與NPF的一個通用公共接口。

用戶級的Wpcap.dll是獨立于操作系統的高級系統鏈接庫。它工作在用戶層，也給開發者提供了一個通用接口，但是相對于Packet.dll，它提供了更加高層、功能更加強大、抽象的函數調用。它通過調用Packet.dll提供的函數生成，包括過濾器生成等一系列可以被用戶級調用的高級函數，并且還有諸如數據包統計及發送等功能。

（3）用戶層

用戶層包含數據包監控模塊、節點工作狀態監控模塊、網絡性能監控模塊等。通過對底層捕獲的數據包進行類型解析后提交到不同的處理模塊。

3.2 監控系統軟件實現

在Microsoft Visual C++ 6.0環境下，以3個主線程來實現監控系統，分別是數據包捕獲線程、統計線程和網絡測試線程。

圖5為數據包捕獲線程流程圖，實現數據包監控功能。在設置完畢可用網卡和過濾規則后，調用Winpcap函數pcap_next_ex()來捕獲數據包，捕獲成功后按照仿真平臺定義的數據結構進行解析。

圖5 數據包捕獲線程

圖6統計線程流程圖，實現令牌監控、節點工作狀態監控、令牌循環周期監控的功能。首先解析數據包的源地址，由于源地址有數據發送，可以判定該節點處于活躍狀態；然后解析報文類型，由于該線程主要實現網絡性能統計的功能，因此這里只關心令牌幀和性能參數幀這兩種類型。

圖6 統計線程流程圖

圖7為測試線程圖，測試線程實現網絡測試功能。向環網上的節點發送測試包并等待應答，如果收到應答則可以得到時延和誤碼率，否則該節點測試結果為超時。在向環網上的所有節點都進行了測試之后，線程結束并顯示測試結果。

圖7 測試線程

4 監控系統運行結果分析

在仿真平臺負載為5個節點時，網絡初始化時將邏輯地址分別設置為：2，3，5，6，8，監控系統的運行狀態如圖8。

圖8 監控軟件運行圖示

通過監控系統界面可以看到，環網上有5個節點處于活躍狀態，令牌在節點間的傳遞順序為2-3-5-6-8-2…，符合ARCNET協議的通信規范。通過將數據包監控界面的報文時序與ARCNET通信規范比較可以驗證通信網絡的數據傳輸是正確的，右側文本區以16進制打印了報文信息，并對報文內容進行解析。整個網絡的平均時延保持在0.188 ms左右，發送成功率、丟包率和誤碼率的監控數據顯示網絡性能正常。監控得到的令牌循環時間實際值為1.305 ms，與理論結果相差不大。

圖9顯示了當環網上有2個令牌幀參與循環時的情況，此時不僅報文時序錯亂而且平均循環周期為0.8 ms左右，明顯低于1.2 ms的理論時間。

圖9 報文時序錯亂圖示

點擊“測試”按鈕后，測試結果如圖10，5個節點的時延均在可接受的范圍之內，錯誤校驗結果顯示正確。

圖10 網絡測試

5 結束語

本文在已開發的基于以太網的ARCNET仿真平臺基礎上，研究并實現了CRH2型動車通信網絡監控系統， 為仿真平臺的運行提供驗證和糾錯工具，并為實體ARCNET網絡的監控提供了模式參考和計算模型，測試結果顯示本系統在大吞吐量環境下運行穩定，監控數據比較精確，對了解ARCNET的模擬傳輸有一定的參考價值。

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