長沙地鐵2號線信號系統DCS有線網組網方式介紹

祁 穎

（北京全路通信信號研究設計院集團有限公司，北京 100070）

長沙地鐵2號線信號系統DCS有線網組網方式介紹

祁 穎

（北京全路通信信號研究設計院集團有限公司，北京 100070）

地鐵信號系統主要由列車自動監控子系統（ATS）、列車自動防護子系統（ATP）、列車自動駕駛子系統（ATO）以及數據通信子系統（DCS）等組成。其中DCS子系統是一個寬帶通信系統，提供整個信號系統所需的雙向、可靠、安全的數據交換服務。可以說，DCS子系統性能的高低，直接影響著整個信號系統的功能實現。將基于長沙地鐵2號線信號系統中的DCS子系統，介紹一種新型的、比傳統DCS子系統更具優勢的DCS有線網組網方案。

信號系統；DCS；組網

1　DCS子系統介紹

DCS子系統是一個寬帶通信系統，提供信號系統所需雙向、可靠、安全的數據交換服務。DCS子系統與信號系統內的其他子系統間關系如圖1所示。

由圖1可知，信號系統內的所有子系統要實現其內部和外部的通信，都需要通過DCS子系統。按照DCS子系統實現的方式不同，可將DCS子系統分為有線網部分和車地無線網部分。

有線網部分主要由交換機通過光纖、網線來組網，無線網部分主要由軌旁無線模塊和車載無線模塊通過無線電波來組網。DCS子系統組成結構示意如圖2 所示。

本文只對有線網進行討論和描述。

2　傳統DCS子系統有線網組網方案

DCS子系統有線網部分主要分為ATS網和信號網兩部分。ATS網主要用于ATS子系統信息的傳輸，信號網主要用于信號相關設備的信息傳輸，軌旁ATP、軌旁ATO、聯鎖等子系統都屬于信號網。

如圖3所示，傳統的DCS子系統有線網在組網時，通常采用將ATS網和信號網在物理上進行隔離的組網方式，ATS網和信號網在物理上是相互獨立的。

ATS網連接控制中心、各車站、以及車輛段內ATS子系統相關設備，一對獨立的交換機通過光纖的連接構成獨立且冗余的骨干環網；各車站、車輛段和控制中心內的相關設備獨立構成局域網并通過直接或間接的方式接入骨干網中。

信號網連接各設備集中站、各車站內的信號相關設備，實現對現場設備的控制與監測。

ATS網和信號網之間的通信通過車站ATS服務器來實現信息交互。

這種傳統的組網方式能夠比較直觀的看出網絡結構，但是需要更多的交換機設備、且網絡維護也較麻煩，很不實用。

3　新型DCS子系統有線網組網技術

進入21世紀，通信技術更加迅猛的發展，新通信技術的出現使網絡結構也越來越簡單。

3.1虛擬局域網技術

虛擬局域網（VLAN）是把一個物理網絡劃分為多個邏輯工作組。它是一種先進的網絡構造方法。VLAN不是一個物理網絡，但存在于一個物理網絡上。使用VLAN技術可將整個網絡劃分為若干個邏輯上的子網，除非進行設置，否則，這些子網是分離的，就像在同一網絡上構造出若干個獨立的網絡，故稱為虛擬網。

VLAN技術能把一個局域網劃分成多個虛擬局域網，每個VLAN都有一個標識號（如VLAN TAG），在整個局域網中唯一標識該VLAN。根據不同的VLAN TAG就可以識別不同的VLAN。交換機可以將不同VLAN進行隔離。

3.2交換機的二層交換技術

二層交換機轉發數據報文是根據報文的MAC地址進行轉發的，交換機內部維護一個地址轉發表，該表內記錄MAC地址與其所對應的端口、VLAN號，轉發數據時根據這張表進行。MAC地址轉發表示意如圖4所示。

交換機通過將接收數據報文的源MAC地址、接收端口及VLAN號記錄在地址表中，來學習MAC地址。

由此可見，多個VLAN可以共享物理局域網、交換設備和鏈路，然而他們之間是相互隔離的，就好像各自組成一個獨立的局域網一樣。VLAN的所有幀流量都被限制在該VLAN中，這樣就能提高網絡性能，防止廣播風暴。

一個VLAN是一個邏輯的子網，一個VLAN與一個物理子網的區別：一個物理子網由一個物理纜線段上的設備所構成；一個邏輯的子網VLAN則由被配置為該VLAN成員的設備組成，這些設備可以位于交換區塊中的任何位置。無論是物理子網還是VLAN子網，他們的網絡特性是一樣的。

3.3生成樹技術

地鐵信號系統是與安全密切相關的系統，其在設計通信網時考慮了鏈路冗余和環網的設計思想，旨在一條通信鏈路故障時，不會影響本環網的正常運行，即使整個環網出現故障，也能確保整個通信系統正常運行。

但是這種設計也帶來一些弊端，例如當環網中兩條路徑都正常工作時，有可能造成網絡中廣播風暴。如何避免環網中廣播風暴，這就引入生成樹技術。

目前，較常用的是多生成樹協議(Multiple Spanning Tree Protocol，MSTP)，其工作原理是：可將環路網絡修剪成為一個無環的樹型網絡，避免報文在環路網絡中的增生和無限循環，同時還提供數據轉發的多個冗余路徑，在數據轉發過程中實現VLAN 數據的負載均衡。本種協議具有如下特性。

1）成型一個無環的樹型網絡（通過禁用充當備份的鏈路實現），從而解決網絡中廣播風暴的問題。

2）當網絡中的一條路徑故障后，能夠迅速啟動備用鏈路，從而縮短網絡的收斂時間。

3）可以為不同VLAN生成不同的生成樹，實現不同VLAN的流量可以按照不同路徑進行轉發，從而均衡了網絡負載。

3.4交換機的三層路由技術

前面已經講述不同VLAN之間是隔離的，無法實現通信，但是對于具體的應用來說，需要不同VLAN之間進行通信，這就需要用到路由技術。

三層交換機具有路由功能，在其內部管理著一張路由表，這張路由表指示出：在本交換機中，要去往目的地的下一跳的相關信息。

收到一個數據包后，交換機先查找本路由表中目的IP地址所對應的下一跳地址，然后通過重新封裝MAC幀后，從所對應的端口轉發出去。當然，整個處理過程相當復雜，還涉及到ARP協議的應用，這里就不再贅述了。

那么，交換機中這個路由表是如何生成和實現的呢？這就涉及到路由技術。

目前，最常使用的路由技術是開放式最短路徑優先（Open Shortest Path First，OSPF）協議，其工作原理是：路由器收集其所在網絡區域上各路由器的連接狀態信息，即鏈路狀態信息（Link-State），生成鏈路狀態數據庫（Link-State Database）。路由器掌握該區域上所有路由器的鏈路狀態信息，也就等于了解整個網絡的拓撲結構，再根據相關的算法獨立地計算出到達任意目的地的路由信息。

3.5虛擬路由器冗余協議技術

通常，一個網絡內的所有主機都設置了缺省網關，這樣主機發出的目的地址不在本網段的報文將被通過缺省網關發往發送出去，從而實現了主機與外部網絡的通信。當缺省網關故障時，本網段內所有主機將斷掉與外部的通信。虛擬路由冗余協議（Virtual Router Redundancy Protocol，VRRP）就是為解決上述問題而提出的，它為具有多播或廣播能力的局域網（如以太網）設計。

虛擬路由冗余協議是一種容錯協議。VRRP將局域網的一組路由器（包括一個Master即活動路由器和若干個Backup即備份路由器）組織成一個虛擬路由器，稱為一個備份組。控制虛擬路由器IP地址的VRRP路由器稱為主路由器，它負責轉發數據包到這些虛擬IP地址。虛擬IP地址在路由器間共享，其中一個指定為主路由器，而其他的則為備份路由器，如果主路由器不可用，這個虛擬IP地址就會映射到一個備份路由器的IP地址（這個備份路由器就成為主路由器）。

4　新型DCS子系統有線網組網方案

應用上述網絡和通信的技術，可以設計出一種新型DCS子系統有線網的組網結構，并且這種組網結構已應用到長沙2號線地鐵信號系統中，如圖5所示。

結合實際工程，本種方案的設計思想是：在原有環網設計的思想上，減少設備使用數量的同時、盡量增加更多的冗余環路和冗余直連通路。

1） 由8個設備集中站通過三層交換機首尾互聯，構成2個大環。

2） 由望城坡站、灣鎮站、五一廣場站、迎賓路口站通過三層交換機A首尾互聯，由溁灣鎮站、五一廣場站、迎賓路口站、萬家麗廣場站通過三層交換機B首尾互聯，由迎賓路口站、萬家麗廣場站、長沙大道站、長沙火車南站通過三層交換機A首尾互聯，由萬家麗廣場站、長沙大道站、長沙火車南站、光達站通過三層交換機B首尾互聯，構成4個小環。

3） 由望城坡站通過三層交換機對與控制中心三層交換機對分別直接互聯，由迎賓路口站通過三層交換機對與控制中心三層交換機對分別直接互聯，由光達站通過三層交換機對與控制中心三層交換機對分別直接互聯，構成6條直連路徑。

4） 由車輛段通過三層交換機對與光達站三層交換機對分別互聯，構成2條直連路徑。

5） 由控制中心、車輛段、各設備集中站內部通過三層交換機對之間直接互聯，構成直連路徑。

上述物理網絡結構中，通過在交換機上配置VLAN技術、路由技術、生成樹等技術，并結合交換機自身的交換特性，即可實現與傳統DCS網絡結構所具有的相同功能和特性。

綜上所述，在交換機上應用上述網絡技術，既可保證ATS網和信號網相互獨立， 又可實現ATS網和信號網的相互通信。與傳統的DCS子系統有線網組網方案對比，這種組網方案具有如下優勢。

1）需要的硬件更少，從而減少網絡中硬件的故障點數量（即減小了MTBF）。

2）能夠提供更多的冗余連接，這樣通過使用MSTP協議就可以保證鏈路出現故障后，更快恢復網絡通信的同時，不增加網絡的傳輸延時。

3）確保每個節點到目的地有最少的轉發次數，從而保證網絡中最小的傳輸延時。

4）保證網絡功能的同時，降低了成本。

5　結論及展望

本文介紹的新型DCS子系統有線網組網方案雖然在國內的實踐機會還比較少，但是在國外的地鐵信號系統領域內已得到實踐和驗證，如新加坡市區線DTL1-DTL2-DTL3、圣保羅8號線和11號線、拉加斯加1號線、以及馬德里7號線和8號線等。

另外，本文提出的組網設計思路也可應用除地鐵信號領域以外的其他領域。

[1]嚴偉，潘愛民.計算機網絡[M].北京:清華大學出版社，2012.

[2]華為技術有限公司.HCNA網絡技術學習指南[M].北京:人民郵電出版社，2012.

[3]沈海娟.網絡互聯技術—路由與交換[M].北京:浙江大學出版社，2006.

The subway signal system includes mainly the automatic train supervision subsystem (ATS), automatic train protection subsystem (ATP), automatic train operation subsystem (ATO) and data communication subsystem (DCS), of which the DCS subsystem is a broadband communication system, and it provides two-way, reliable and safe data exchange services for the entire signal system. That is to say, The performance of DCS subsystem will directly affect the functions of the entire signal system. The paper introduces a new DCS wired networking solution based on the DCS subsystem of the signal system for Changsha metro line 2, the solution has more advantages than traditional DCS subsystem.

signal system; data communication subsystem (DCS); networking

10.3969/j.issn.1673-4440.2016.03.020

2015-09-22）