TCSN業(yè)務流量及傳輸特性分析*

侯世武，譚獻海

(西南交通大學 信息科學與技術學院， 四川 成都 611700)

TCSN業(yè)務流量及傳輸特性分析*

侯世武，譚獻海

(西南交通大學 信息科學與技術學院， 四川 成都 611700)

TCSN(Train Control and Service Network)的目標是實現(xiàn)列車控制與服務信息的一體化傳輸。流量的自相似特性對網(wǎng)絡性能具有一定的影響，文章對列車控制信息和旅客服務業(yè)務的流量特性進行了分析，發(fā)現(xiàn)列車控制類流量不具有自相似特性，旅客服務類流量具有較強的自相似特性，列車控制業(yè)務流量和旅客服務業(yè)務流量聚合之后，聚合流量具有自相似特性。通過OPNET仿真，發(fā)現(xiàn)在列車傳輸網(wǎng)中加入旅客服務流量后，由于旅客服務流量具有較強的自相似特性，造成網(wǎng)絡時延大幅增加。只有當網(wǎng)絡服務速率大幅提高后，才可以使網(wǎng)絡的時延與沒有加入旅客服務之前的時延相當。該研究結(jié)果對TCSN的建設具有一定的參考意義。

列車控制與服務網(wǎng)絡；流量特性；自相似；時延特性

0 引言

列車控制與信息服務網(wǎng)絡(TCSN)是我國的國家科技支撐項目，目的是實現(xiàn)列車控制網(wǎng)絡與信息服務網(wǎng)絡融合，全面提升我國的交通移動裝備安全和服務水平。網(wǎng)絡流量特性是網(wǎng)絡設計和性能分析時所必須考慮的一個關鍵因素，Hurst系數(shù)是流量特性的一個重要參數(shù)，體現(xiàn)了網(wǎng)絡流量是否具有自相似特性以及自相似特性的強弱，對網(wǎng)絡性能具有很大的影響。列車運行時會生成大量的設備控制信息和旅客服務信息[1]。列車中的控制類信息大都是周期性的，突發(fā)性較弱，而旅客服務信息具有較強的突發(fā)性，因此它們的流量特性可能存在巨大差異?？刂菩畔⒑吐每头招畔⒕酆虾?，網(wǎng)絡的流量特性也可能發(fā)生變化，對列車網(wǎng)絡性能造成一定影響。文獻[2]對TCSN網(wǎng)絡調(diào)度算法進行了深入的研究，對不同業(yè)務在不同算法下的網(wǎng)絡性能進行了總結(jié)和比較。文獻[3]通過對用戶行為進行統(tǒng)計，得到了基于用戶行為的網(wǎng)絡流量模型，發(fā)現(xiàn)用戶行為具有較強的自相似特性。本文主要分析TCSN中控制信息、旅客服務信息以及控制類業(yè)務和旅客服務業(yè)務融合之后的流量特性。通過OPNET仿真，分析列車傳輸網(wǎng)絡中控制類業(yè)務和旅客服務業(yè)務占有不同比例時的時延特性，對TCSN網(wǎng)絡研究具有一定的參考意義。

1 TCSN業(yè)務分析與分類

列車網(wǎng)絡系統(tǒng)是軌道交通的“大腦”，承擔著列車全部的控制信息和故障信息的傳輸、處理[4]。隨著用戶對控制網(wǎng)絡的開放性要求的提高，以及基于網(wǎng)絡的遠程診斷和維護、旅客信息與舒適性等新需求的提出，控制網(wǎng)與旅客服務網(wǎng)融合是必然的選擇。

TCSN中傳輸?shù)臉I(yè)務有控制業(yè)務和旅客服務業(yè)務兩種?？刂菩畔⒋蠖际侵芷谛詳?shù)據(jù)，按照各自的周期傳送，它的實時性、有效性和服務質(zhì)量對列車的運行安全具有重要的意義。旅客服務業(yè)務包括用戶與列車員通信、用戶上網(wǎng)服務等，其中上網(wǎng)服務是最常使用的，如即時通信和視頻音頻業(yè)務等。

2 TCSN控制業(yè)務流量特性研究

列車控制的設備主要有：牽引變流器、制動控制、側(cè)面目的地顯示器、輔助電源裝置和空調(diào)顯示設定器，主要實現(xiàn)實時監(jiān)控和故障排除等。本文通過國家科技支撐計劃項目“列車控制與信息服務網(wǎng)絡(TCSN)關鍵技術及系統(tǒng)研制”中給出的控制類業(yè)務模型進行仿真，分析在10 ms時間尺度上控制類信息的流量特性。

由圖1可知，列車控制類業(yè)務流量突發(fā)性較小，因為列車控制信息大部分是周期性發(fā)送，只有當列車遇到緊急情況時，才會有突發(fā)性的控制信息產(chǎn)生，所以控制業(yè)務流量的突發(fā)性較小。通過VT分析方法得到圖2，由圖可知控制信息在10 ms時間尺度上的Hurst參數(shù)值為0.017 761<0.5，因此不具有自相似特性。

圖1 TCSN控制信息10 ms時間流量

圖2 TCSN控制信息10 ms時間Hurst值

3 TSCN旅客服務流量特性分析

WIRESHARK可用于網(wǎng)絡故障分析和診斷、網(wǎng)絡測試、網(wǎng)絡協(xié)議開發(fā)等領域[5]。本文旅客服務數(shù)據(jù)來源于WIRESHARK采集的數(shù)據(jù)包，由瀏覽網(wǎng)頁、聊天軟件、視頻和郵件等業(yè)務共同產(chǎn)生。采集時間為2017年3月21日晚上7點到8點一個小時，共采集35.676 7萬個數(shù)據(jù)包，運行時間3 600 s，平均每秒產(chǎn)生數(shù)據(jù)包99個。

由圖3可知，旅客服務信息流量具有很強的突發(fā)特性。突發(fā)性是導致流量具有自相似特性的一個重要原因[6]，可以推測旅客服務流量具有較強的自相似特性。對流量進行Hurst參數(shù)估計得到圖4，由圖可知流量的Hurst參數(shù)值為0.893 75>0.5，因此旅客服務流量具有很強的自相似特性，證實了前面的猜測。

圖3 旅客服務流量數(shù)據(jù)

圖4 旅客服務流量Hurst值

4 TCSN聚合流量特性分析

具有不同性質(zhì)的流量聚合以后，流量特性會發(fā)生較大的變化。列車控制信息和旅客服務信息具有不同的流量特性，其中控制信息沒有自相似特性，旅客服務信息具有很強的自相似特性。當列車網(wǎng)絡中加入旅客服務業(yè)務后，流量是由控制業(yè)務和旅客服務業(yè)務產(chǎn)生的流量聚合而成的。隨著旅客的增加，網(wǎng)絡中旅客服務產(chǎn)生的流量在總流量中的比例不斷增加，具有自相似特性的流量在總流量中的比例越來越大，因此流量特性將會發(fā)生重大的變化。在此分析兩種業(yè)務流量在不同比例時的流量特性。

由圖5可知，即使在傳輸控制網(wǎng)絡中加入少量的旅客服務信息，聚合流量也會有很強的自相似特性。這是因為旅客服務流量的自相似較強，并且旅客服務業(yè)務產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量要遠遠大于控制類業(yè)務產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量。但是隨著人的參與程度越來越高，聚合流量的自相似參數(shù)的值沒有發(fā)生明顯變化，這是因為流量的自相似特性已經(jīng)很大，隨著人參與程度越來越高，網(wǎng)絡的自相似特性會趨于平穩(wěn)，最終與現(xiàn)有的互聯(lián)網(wǎng)流量特性類似。

圖5 控制旅客服務不同比例Hurst值

5 TCSN流量特性對網(wǎng)絡性能的影響分析

OPNET采用三層建模機制：進程層、節(jié)點層和網(wǎng)絡層[7]。使用OPNET生成流量時，有兩種不同的方式，第一種是使用OPNET自帶的函數(shù)生成流量數(shù)據(jù)。OPNET自身提供了兩類生成自相似流量的模型，第一類是RPG模型，文獻[8]研究了一種RPG改進的模型，但比較復雜，另一類是使用Pareto分布的ON/OFF源。第二種是導入數(shù)據(jù)流量，先建立一個節(jié)點模型，由數(shù)據(jù)源source、隊列queue和接收源sink組成。如圖6所示。這樣建模不考慮網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)、網(wǎng)絡設備和具體的業(yè)務，其研究結(jié)果有普遍的意義。

圖6 節(jié)點模型

其中queue的排隊模型是acp_fifo，其中a(active)表示隊列是主動形式， 即源模塊發(fā)送數(shù)據(jù)，c(concentrating)是指多個客戶到來的數(shù)據(jù)排列在一起集中處理，p(packet)是以包為單位處理，fifo(first in first out)指先入先出隊列。Sink是simple_sink進程模型，simple_sink將所有隊列queue發(fā)送的數(shù)據(jù)包銷毀。Source在本文中是將列車控制類業(yè)務模型產(chǎn)生的控制類流量和采集到的真實的互聯(lián)網(wǎng)流量作為流量源來驅(qū)動OPNET仿真。

首先分析列車網(wǎng)絡中只傳輸控制類業(yè)務時的網(wǎng)絡時延特性。根據(jù)列車控制類業(yè)務產(chǎn)生的數(shù)據(jù)驅(qū)動OPNET仿真，網(wǎng)絡參數(shù)設置如圖7所示。由于流量包到達速率為632 package/s，因此網(wǎng)絡利用率為632/744=0.85。

由圖8可知，當網(wǎng)絡趨于穩(wěn)定后，在未加入旅客服務業(yè)務之前，網(wǎng)絡的平均時延在0.005 77 s附近，并且由于數(shù)據(jù)包是周期性發(fā)送，當服務速率一定時，時延波動很小。

圖7 網(wǎng)絡參數(shù)設置

圖8 未加入旅客服務信息之前時延特性

接下來分析當列車傳輸網(wǎng)絡中加入旅客服務信息之后網(wǎng)絡的時延特性。首先分析當網(wǎng)絡參數(shù)都不變時網(wǎng)絡的時延特性。

由圖9可知，傳輸網(wǎng)絡在不同時刻的時延具有很大的波動。這是由于加入旅客服務信息后，不同時刻網(wǎng)絡數(shù)據(jù)包到達率相差太大導致的。對網(wǎng)絡時延求平均值可知隊列平均時延為0.222 478 s。雖然數(shù)據(jù)包平均到達率僅增加了15.66%，但時延卻是原來的38.558倍?？梢娫趥鬏斁W(wǎng)絡中加入旅客服務信息會導致網(wǎng)絡時延大幅增加。

圖9 網(wǎng)絡參數(shù)不變加入旅客服務信息后時延特性

接下來提高網(wǎng)絡服務速率，分析在網(wǎng)絡利用率相同時的時延特性。加入旅客服務信息之后，網(wǎng)絡數(shù)據(jù)包到達均值為731 packets/s，為了使網(wǎng)絡利用率相同，設置網(wǎng)絡的服務速率為860 packets/s，此時的網(wǎng)絡利用率為0.85，與沒有加入旅客服務信息之前的網(wǎng)絡利用率相同。

由圖10可知，當網(wǎng)絡利用率相同時，在旅客服務流量突發(fā)性比較強的時間點上，網(wǎng)絡的時延還是比較大。對網(wǎng)絡時延求均值得到隊列的平均時延是0.068 003 s，雖然網(wǎng)絡的利用率相同，但網(wǎng)絡時延依然是未加入旅客服務前的11.78倍，時延較大。

圖10 網(wǎng)絡利用率相同時時延特性

由于控制類信息對時延要求較高，為了列車的安全，控制類業(yè)務數(shù)據(jù)的傳輸時間不應該高于未加入旅客服務之前的傳輸時間，在此分析服務速率提高到多少時，才能到達原來的時延值。

由圖11可知，在列車控制網(wǎng)絡中加入旅客服務業(yè)務之后，網(wǎng)絡的時延大幅增加。當網(wǎng)絡的服務速率為1 300 packets/s時，網(wǎng)絡的時延特性與沒有加入旅客服務之前的時延特性相當。此時的服務速率是原來服務速率的1.74倍，網(wǎng)絡的利用率為0.56，可見只有大幅提高傳輸網(wǎng)絡的服務速率，才能保證網(wǎng)絡的時延性能。

6 結(jié)論

TCSN網(wǎng)絡控制類業(yè)務流量沒有自相似特性，當在列

圖11 服務速率和時延關系圖

車傳輸網(wǎng)絡中加入旅客服務業(yè)務后，網(wǎng)絡流量的自相似特性增加。當網(wǎng)絡利用率相同時，加入旅客服務業(yè)務之后的列車傳輸網(wǎng)絡時延要遠遠大于僅傳輸控制信息時的時延。為了保證控制信息的實時性，加入旅客服務業(yè)務后需要更高的網(wǎng)絡服務速率。

[1] 巴全龍. 基于OPNET的ARCNET列車通信控制網(wǎng)絡的建模與仿真[D].成都：西南交通大學,2012.

[2] 鐘廷. 基于業(yè)務的TCSN網(wǎng)絡調(diào)度算法應用研究[D].成都：西南交通大學,2016.

[3] 田暢,王海,鄭少仁. 基于用戶行為的網(wǎng)絡流量模型及自相似性分析[J]. 通信學報,2000,21(9):19-25.

[4] 新華社.我國標準動車組裝載自主開發(fā)高智能“中國腦”[J]. 軍民兩用技術與產(chǎn)品,2016,(7):21.

[5] 龍艷軍,楊漢恩. WIRESHARK在虛擬網(wǎng)絡實驗中的應用研究[J]. 計算機光盤軟件與應用,2012(10):27-28.

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[8] 沈宇,徐啟建,鐘靜月.自相似業(yè)務流建模及其合成性能分析[J]. 通信學報,2004,25(4):99-106.

Research on flow and transport characteristics of TCSN

Hou Shiwu, Tan Xianhai

(School of Information Science and Technology, Southwest Jiaotong University, Chengdu 611700, China)

The goal of the TCSN (Train Control and Service Network) is to realize the integrated transmission of train control and passenger service information. The self-similarity characteristic of network flow has certain influence on the network performance. In this paper, the flow characteristics of the train control information and passenger service information are analyzed, and the result shows that the train control flow has no self-similar characteristic, and passenger service flow has strong self-similarity characteristic, when the train control flow and passenger service flow are aggregated, the aggregated traffic has strong self-similar characteristics. Through OPNET simulation, it is found that after the passenger service is added to the train transmission network, the network delay increased because of the passenger service flow has high self-similarity. Only the network service rate increased significantly can make the network delay as before input the passenger service into the network. The analysis of this paper has certain reference value to the construction of TCSN.

train control and service network; flow characteristic; self-similarity; delay characteristic

國家科技支撐計劃(2015BAG14B01)

TP393

：A

10.19358/j.issn.1674- 7720.2017.17.018

侯世武，譚獻海.TCSN業(yè)務流量及傳輸特性分析[J].微型機與應用，2017,36(17)：62-64,67.

2017-04-12)

侯世武(1991-)，男，碩士研究生，主要研究方向：網(wǎng)絡通信。譚獻海(1963-)，男，博士，副教授，主要研究方向：網(wǎng)絡通信、網(wǎng)絡安全、列車通信(控制)網(wǎng)絡。