高速列車控制與服務(wù)網(wǎng)絡(luò)（TCSN）業(yè)務(wù)分析與建模

白雪+譚獻(xiàn)海+劉力浩

摘 要：隨著高速列車網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，列車通信網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)臉I(yè)務(wù)不只是列車上的控制類業(yè)務(wù)，高速鐵路運(yùn)營(yíng)商為了提高鐵路旅客的舒適度，為旅客提供了上網(wǎng)服務(wù)等業(yè)務(wù)。為了后期能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)TCSN網(wǎng)絡(luò)性能的仿真，文中對(duì)列車上的控制業(yè)務(wù)和旅客服務(wù)業(yè)務(wù)進(jìn)行分析，建立了符合實(shí)際的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)模型。

關(guān)鍵詞：TCSN；控制業(yè)務(wù)；旅客服務(wù)業(yè)務(wù)；業(yè)務(wù)分析；建模

中圖分類號(hào)：TP273；TP391 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-1302（2017）08-00-03

0 引 言

隨著我國(guó)高速鐵路和高速列車的快速發(fā)展，為提高高速鐵路的舒適性，在不影響列車控制業(yè)務(wù)傳輸?shù)那疤嵯拢惨獮槁每吞峁┍M可能多的上網(wǎng)服務(wù)業(yè)務(wù)。目前，國(guó)內(nèi)外還沒(méi)有對(duì)高速列車控制與服務(wù)一體化網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)的相關(guān)研究。

本文對(duì)控制和旅客服務(wù)這兩大類業(yè)務(wù)進(jìn)行分析，通過(guò)分析CRH2型動(dòng)車車載設(shè)備的接口資料，總結(jié)了列車上具有代表性的幾類控制業(yè)務(wù)的幀格式、傳輸時(shí)序圖，為使后續(xù)區(qū)分服務(wù)的仿真工作順利進(jìn)行，文章對(duì)控制類業(yè)務(wù)進(jìn)行了建模。但對(duì)于列車上的旅客服務(wù)業(yè)務(wù)卻并沒(méi)有人做過(guò)分類統(tǒng)計(jì)，本文利用實(shí)驗(yàn)室中抓包實(shí)驗(yàn)的方法進(jìn)行了業(yè)務(wù)流量識(shí)別、分類與建模工作。

1 TCSN業(yè)務(wù)分析

1.1 TCSN業(yè)務(wù)概述

TCSN（Train Control and Service Network，TCSN）網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在早期的TCN（Train Control Network，TCN）網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展而來(lái)，在原來(lái)只傳輸列車控制業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)中增加了旅客服務(wù)業(yè)務(wù)。由于傳輸業(yè)務(wù)種類的增加與傳輸帶寬的需求，TCSN傳輸業(yè)務(wù)均基于工業(yè)以太網(wǎng)[1，2]。

本文根據(jù)高速列車上的實(shí)際情況將高速列車通信網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)臉I(yè)務(wù)分為兩類，即列車控制類數(shù)據(jù)與旅客上網(wǎng)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)。其中列車控制類數(shù)據(jù)又細(xì)分為牽引、制動(dòng)、輔助電源、空調(diào)控制等多種數(shù)據(jù)，旅客服務(wù)業(yè)務(wù)包括微博、微信和優(yōu)酷視頻等多種常用的娛樂(lè)性質(zhì)的應(yīng)用業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)。

1.2 TCSN控制類業(yè)務(wù)分析

列車控制信息通過(guò)貫穿列車的總線進(jìn)行傳輸，通過(guò)列車運(yùn)行、顯示器顯示等設(shè)備動(dòng)作進(jìn)行集中管理，列車控制業(yè)務(wù)可以有效幫助列車司機(jī)和乘務(wù)員操縱列車，加強(qiáng)車載設(shè)備的監(jiān)控、維護(hù)和保養(yǎng)，提升乘客乘車舒適度。本節(jié)以牽引控制業(yè)務(wù)為例介紹控制類業(yè)務(wù)。

牽引控制業(yè)務(wù)是牽引控制單元（TCU）與控制與管理系統(tǒng)（TCMS）之間的通信業(yè)務(wù)，車輛控制裝置以10 ms為周期向TCU循環(huán)發(fā)出狀態(tài)請(qǐng)求信息，對(duì)象牽引設(shè)備則在每次請(qǐng)求后將自己的狀態(tài)信息返回至車輛控制裝置。如果裝置發(fā)生故障，則在幀中插入跟蹤數(shù)據(jù)。通常情況下，中央控制裝置發(fā)送兩種請(qǐng)求信息，分別為實(shí)時(shí)監(jiān)控（狀態(tài)數(shù)據(jù)）請(qǐng)求（SDR）和故障排除用信息（跟蹤數(shù)據(jù)）請(qǐng)求（TDR），SDR數(shù)據(jù)長(zhǎng)度為40B，TDR長(zhǎng)度為6 B。對(duì)象機(jī)器返回實(shí)時(shí)監(jiān)控用信息（狀態(tài)數(shù)據(jù)：SD）和故障排除用信息（跟蹤數(shù)據(jù)：TD），SD長(zhǎng)度為77B，TD長(zhǎng)度為54 B。后面將根據(jù)以上信息對(duì)牽引控制業(yè)務(wù)進(jìn)行建模。牽引控制業(yè)務(wù)傳輸時(shí)序如圖1所示。

其中，T1（只要求SD時(shí)）=T2（只要求SD和TD時(shí)）=10 ms，對(duì)象機(jī)器在接收信息完畢后1 ms內(nèi)做出應(yīng)答，如果檢測(cè)到錯(cuò)誤則無(wú)應(yīng)答。

和牽引控制單元與車輛信息控制中心傳輸?shù)臉I(yè)務(wù)類似，制動(dòng)控制器、側(cè)面目的地顯示器、輔助電源、空調(diào)顯示設(shè)定器等終端裝置都會(huì)定期與車輛信息控制中心進(jìn)行通信來(lái)傳輸自身的狀態(tài)跟蹤信息以及相應(yīng)中央裝置的命令。TCSN除了網(wǎng)絡(luò)列車上的周期性控制業(yè)務(wù)信息外，還會(huì)傳輸一種非周期性的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，如與故障相關(guān)的信息，這些數(shù)據(jù)都由外界觸發(fā)產(chǎn)生，屬于偶發(fā)數(shù)據(jù)，發(fā)生的時(shí)間不固定，但存在一定的發(fā)生概率。

1.3 TCSN旅客服務(wù)業(yè)務(wù)分析

高速列車的旅客服務(wù)流量大且集中，以?shī)蕵?lè)性質(zhì)的網(wǎng)絡(luò)流量為主，業(yè)務(wù)發(fā)生源主要為智能手機(jī)、平板電腦和筆記本電腦等，所以旅客服務(wù)業(yè)務(wù)也多屬于移動(dòng)IP業(yè)務(wù)。戴斌介紹了對(duì)移動(dòng)業(yè)務(wù)流量分析的流程[3]，本文借鑒上述流程并根據(jù)譚思遠(yuǎn)等人提到的抓包方案[4]，通過(guò)Wireshark對(duì)常用軟件的抓包進(jìn)行業(yè)務(wù)分析，包括數(shù)據(jù)包到達(dá)時(shí)間間隔和包長(zhǎng)度分布。

1.3.1 移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)分析

本節(jié)對(duì)移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)的建模通過(guò)捕獲、分析實(shí)際流量獲得。通過(guò)抓包軟件Wireshark抓到的手機(jī)通信數(shù)據(jù)包，每個(gè)業(yè)務(wù)流都具有唯一的屬性，如源端口和目的端口號(hào)，且一系列屬性參數(shù)決定了流的行為，這為后續(xù)業(yè)務(wù)分類和建模研究提供了研究方向。圖2所示是通過(guò)Wireshark抓取的QQ聊天時(shí)的數(shù)據(jù)包，由圖可知，每秒數(shù)據(jù)包到達(dá)量服從泊松分布。

由實(shí)際聊天流量擬合出來(lái)數(shù)據(jù)分組的到達(dá)時(shí)間間隔服從λ=1/2 092的泊松分布，由圖3可以看出分組范圍為54～141 B，平均分組大小為382.5 B。同樣通過(guò)此方法可以得出其他應(yīng)用的參數(shù)，為后文的建模提供方便。

1.3.2 P2P業(yè)務(wù)分析

隨著P2P技術(shù)的不斷發(fā)展，近些年的P2P業(yè)務(wù)也在不斷增長(zhǎng)，現(xiàn)在比較常用的P2P軟件有酷狗、迅雷、PPLive、uTorrent等。據(jù)統(tǒng)計(jì)，P2P業(yè)務(wù)流量已經(jīng)占據(jù)了網(wǎng)絡(luò)流量的70%以上。傳統(tǒng)的Internet網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)（大多基于C/S、B/S架構(gòu)）只建立單個(gè)TCP連接，P2P業(yè)務(wù)不經(jīng)過(guò)服務(wù)器，而在網(wǎng)絡(luò)用戶之間直接傳輸數(shù)據(jù)，P2P業(yè)務(wù)各節(jié)點(diǎn)之間建立多個(gè)TCP連接來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，提高網(wǎng)絡(luò)利用率并搶占網(wǎng)絡(luò)資源。在TCSN網(wǎng)絡(luò)中傳輸大量P2P業(yè)務(wù)，會(huì)造成控制業(yè)務(wù)和旅客上網(wǎng)服務(wù)業(yè)務(wù)時(shí)延增大，因此對(duì)于P2P業(yè)務(wù)的分析、識(shí)別與限制非常重要，上述分析方法同樣可用于P2P業(yè)務(wù)流量的分析。

2 TCSN業(yè)務(wù)建模

對(duì)于高速列車控制業(yè)務(wù)與旅客服務(wù)業(yè)務(wù)的建模是TCSN網(wǎng)絡(luò)仿真的基礎(chǔ)。本節(jié)在上節(jié)業(yè)務(wù)分析的基礎(chǔ)上總結(jié)出TCSN網(wǎng)絡(luò)中傳輸?shù)膬纱箢悩I(yè)務(wù)的業(yè)務(wù)模型。endprint