基于以太網的城軌列車網絡拓撲結構性能分析

譚文舉

（南寧軌道交通集團有限責任公司，廣西南寧530025）

基于以太網的城軌列車網絡拓撲結構性能分析

譚文舉

（南寧軌道交通集團有限責任公司，廣西南寧530025）

以太網技術已經逐漸應用在城市軌道交通列車上，而不同的網絡拓撲結構對列車的通信質量產生很大的影響。根據IEC61375構建了四種應用數據，仿真分析了總線性、環(huán)形和梯形三種網絡拓撲結構，并對其網絡時延、鏈路負載和鏈路利用率進行了比較；通過分析比較得出：在相同的負載下，梯形網絡拓撲結構優(yōu)于線型和環(huán)型網絡拓撲結構；研究結果為基于以太網的列車通信網絡拓撲結構的構建提供了參考。

城軌列車；以太網；拓撲結構

隨著城市軌道交通列車技術的發(fā)展，通過車載通信網絡技術實現整列車的實時控制和各類信息的傳遞已成為今后的技術發(fā)展趨勢。實際運用表明，采用網絡技術，不僅可以節(jié)省列車車載走線、減輕列車總重，并且可以提高系統(tǒng)的集成度、可靠性和可維護性[1]。

城軌列車需要應用網絡技術實現列車控制和服務功能，主要涉及司機指令（牽引/制動）控制，司機顯示屏控制，主變和輔變、防空轉/防滑行、列車信號通信控制、故障的診斷及記錄，及通過網絡提供服務，例如車門的控制、暖通空調控制、音視頻通信、照度控制和防火報警等。這就需要列車通信網絡具有大的通信容量、實時性、可靠性和較好的可維護性。現有的列車通信網絡已經不能滿足這種大容量、實時性的要求。以太網以其高帶寬、低成本、通用性強、組網靈活等優(yōu)點已經逐漸取代傳統(tǒng)的TCN、CAN等總線技術應用在城市軌道交通列車的通信網絡中[2]。為了構建合理可靠的城軌列車以太網通信網絡體系結構，本文把以太網交換技術引入列車通信網絡中，通過仿真方式，分析了總線性、環(huán)形和梯形三種網絡拓撲結構，并對其網絡時延、鏈路負載和鏈路利用率進行了比較分析。

1 基于以太網的城軌列車通信網絡結構

1.1 網絡結構

基于以太網的列車通信網絡采用TCP/IP協議，使用兩層網絡結構，分為列車級主干網（Ethernet Train Backbone，ETB）和編組網（Ethernet Consist Network，ECN）。主干網貫穿整個列車，實現列車級網絡管理與控制、VLAN劃分、優(yōu)先級控制、動態(tài)組網等功能。編組網包括單節(jié)、兩節(jié)、三節(jié)或更多車輛組成固定編組時，車輛內部及跨車組網，負責本節(jié)或本組車輛各接入節(jié)點設備的數據管理，以及本節(jié)或本組車輛的網絡管理。主干網由0、1、2或多個ECN網組成。對于固定編組運營的城軌列車，可以忽略主干網，全列車簡化為一ECN網絡。為了提高通信網絡的可靠性和安全性，網絡采用冗余技術。

構成基于以太網的列車通信網絡的網絡技術主要有兩種：總線技術和交換技術。總線技術的主要特點是多個終端設備連接同一個數據傳輸媒介（如TCN、CANopen等）；而交換技術的主要特點是每一個終端設備都和交換機連接，能夠在網絡內部主動的傳輸用戶數據。本文重點研究以太網列車通信網絡的交換技術。

應用交換技術時，列車通信網絡的結構如圖1所示，圖中列車級交換節(jié)點（即列車級交換機），具有ETB和ECN數據轉換功能，即列車級和編組級網絡的網關功能；網絡設備（EndDevice，ED）包括各種傳感器、接入節(jié)點、中心接點、診斷服務主機和車載無線通信平臺等接入車載交換機提供數據源的多種設備。列車級ETB和編組級ECN網絡各設備之間的通信接口規(guī)范和協議涉及到OSI的第一層至第七層協議。

圖1 基于以太網的列車通信網絡結構

1.2 拓撲結構

基于交換技術組網，交換機成為網絡通信的中間橋梁，所有終端設備直接與交換機連接，每個交換機至少包含兩個端口（接受數據和傳送數據），這樣能實現從一個端口接收數據然后轉發(fā)給另一個特定端口，或者以廣播的形式將數據發(fā)送到整條鏈路，從而實現了終端設備與交換機之間或者各交換機內部的點到點通信。當交換技術應用在城軌列車通信網絡中時，為了實現不同等級的冗余，其拓撲結構可有總線型、環(huán)型和梯型三種，如圖2所示。

圖2 基于交換技術的網絡拓撲結構

2 城軌列車通信網絡建模分析

2.1 網絡拓撲結構建模

利用OPNET仿真模型庫，根據列車編組規(guī)格，設置6節(jié)車廂，采用4節(jié)動車和2節(jié)拖車的編組方式，每節(jié)車廂配置一臺以太網交換機，每臺交換機接4個工作站，分別用來模擬過程數據、消息數據、音視頻流數據和“盡力而為”數據，第一臺交換機與服務器相連[3-5]。構建總線性、環(huán)型和梯形網絡拓撲結構，如圖3所示。

圖3 網絡拓撲結構

對于三種不同的網絡拓撲結構，分別創(chuàng)建總線型、環(huán)型和梯型三個網絡場景，采用帶寬100 M以太網傳輸。設置兩個FTP應用業(yè)務模擬過程數據和消息數據的傳輸，設置兩個Video Conference應用業(yè)務模擬音視頻流數據和“盡力而為”數據的傳輸。仿真時間設定60 mins，以太網時延、服務器時延、服務器負載和點對點吞吐量仿真結果如圖4-圖7所示。

圖4 三種拓撲結構的時延

圖5 三種拓撲結構的服務器時延

圖6 三種拓撲結構的服務器負載

圖7 三種拓撲結構的點對點鏈路利用率

2.2 仿真結果分析

從圖4可以看出，當網絡穩(wěn)定以后，梯型結構的網絡時延最小，比環(huán)型結構小15.6%，比線型結構小30.9%，且服務器時延最小，并且最穩(wěn)定。而線型結構的服務器時延最大，最不穩(wěn)定，如圖5所示。從圖6可知，服務器的負載相差不大，梯型結構的負載略小。從圖7可以看出三種結構中，服務器和交換機之間的鏈路利用率基本相同，都小于10%，能夠滿足城軌列車通信系統(tǒng)中數據傳輸的要求。綜合以上結果可以得出，在相同的列車車載傳輸環(huán)境下，梯型結構的網絡性能明顯優(yōu)于環(huán)型結構和總線型結構。

3 結束語

本文把交換技術引入以太網列車通信網絡中，分析了三種常見城軌列車車載網絡拓撲結構，并借助OPNET仿真軟件對三種結構進行了仿真分析，得出了梯型網絡拓撲結構的性能明顯優(yōu)于環(huán)型和總線型結構。對城軌列車部署網絡節(jié)點，降低網絡時延、提高網絡質量，從而保證列車安全、可靠、高效運行具有的指導意義。

[1]朱琴躍.列車通信網絡實時性理論與方法研究[D].上海：同濟大學，2008.

[2]任崇會，賀德強.列車通信網絡一致性測試研究綜述[J].裝備制造技術，2015（2）：30-33，40.

[3]符偉杰，劉志剛，吳娟，等.基于工業(yè)以太網的高速列車通信網絡仿真研究分析[J].城市軌道交通，2012，15（12）：69-77.

[4]朱辰，董銀虎.基于OPNET的網絡仿真技術研究及其應用[J].信息系統(tǒng)與網絡，2013，43（3）：12-15.

[5]雷昊，賀德強，苗劍.高速動車組車載以太網時延分析[J].計算機測量與控制，2013，21（5）：1320-1322.

The Performance Analysis of Topologies of Metro Train Based on Ethernet

TAN Wen-ju
（Nanning Rail Transit Group Co.，Ltd.，Nanning 530025，China）

Ethernet technology has been gradually applied in urban rail transit train，and network topologies can have different impact on the train communication network.Four kinds of application dates have been built according to IEC61375in this paper.Three network topologies which included liner，ring and ladder were simulated with the OPNET modeler.Then，the network delay，network load and the link utilization were compared in the simulation.According to the comparison，the ladder network topology is more superior than that of the linear and the ring network topology under the same load.The results could provide the reference value of the construction of the train network topology based on Ethernet.

urban rail transit train；ethernet；topology structure

TP391.9；U260

：A

：1672-545X（2017）01-0112-04

2016-10-04

譚文舉（1972-），男，廣西來賓人，高級工程師，研究方向：軌道交通機電系統(tǒng)監(jiān)測與控制。