列車車載網絡信息傳輸的實時性研究

李鄴++陳小波

摘 要：鐵路技術日趨智能化與信息化，對于車載網絡的速度與實時性要求越來越高，以太網技術作為一種得到廣泛應用的網絡通信技術，將其應用到車載網絡中是必然趨勢，鑒于以太網自身的缺陷，以及車載信息傳輸實時性要求，對以太網在車載網絡信息傳輸的實時性進行研究十分重要。

關鍵詞：通信網絡技術；實時性；列車通信網絡

中圖分類號：TP273 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2017）29-0037-02

1 當前車載網絡現狀

當前所述的車載網絡大多單指列車控制網絡，列車上的控制系統通過各種總線技術將分布在全列車上的計算機應用系統或完成特定功能的硬件設備互連起來，列車通信網絡就是運用于其中進行信息交換的數據通信平臺。與一般的信息通信網絡相比，列車通信網絡本質上是一種工業控制局域網，是一種典型的實時分布式控制網絡技術。列車通信網絡的實時性非常重要，它直接影響著整個列車控制系統的性能。

2 以太網技術在車載網絡中的應用

隨著以太網技術的發展，以太網在列車車載網絡中的應用也越來越廣泛，比如車載視頻監控系統，車載的媒體點播服務，車載無線熱點等等，隨著業務的融合，車載控制網跟其他網絡服務都融合到基于以太網的一張網，在這張網上，業務龐雜，各種業務的實時性需求也不一樣，對帶寬的要求也不一樣，關鍵的控制信息的實時性對于列車安全平穩運行至關重要。

3 工業控制中使用以太網時要考慮的實時性問題

在工業系統中使用時，以太網有實時性的問題需要特別關心，這主要是由以太網的基礎技術——帶碰撞檢測的載波偵聽多路訪問協議（CSMA/CD）——所決定的，這一機制與工控行業所要求的確定性與實時性有不少的距離。

工業控制網絡要求網絡上的所有用戶都不會由于負載等原因得不到發送數據的機會，每個用戶都會有均等或者一定優先級的機會來發送數據，發送出去的數據能在可預期的時間內到達，既不會丟失，也不會發不出去。以太網上的CSMA/CD機制，實際上是網絡上的各個用戶通過競爭來獲取網絡的控制權，用戶無法確定自己能競爭到使用權，也無法保證自己能在指定的時間內競爭到使用權，如果信道忙碌的話，用戶需要一直等待下去，即使獲取到控制權，也要監聽是否發生信息碰撞，當信息發生碰撞的話，則還需要重新發送信息，當某個用戶發生故障而長期占據使用權時，也無法及時將其控制權剝奪，網絡上的信息也沒有有效的方法來區分實時信息與非實時信息，總而言之，確定性與實時性都不能得到有效保證。

4 以太網技術在實時性方面的努力

如何避免沖突，一個方法是給網絡上每個用戶都分配一個時隙，每個用戶在這個時隙內發送數據，這樣保證了不會發生碰撞，每次的消息發送的延遲也是固定可預期的。當然也還有其他方法，但是這些方法都更改了以太網的基礎結構，在保持以太網基礎結構不變的情況下，我們還可使用的辦法有全雙工交換式以太網技術，采用VLAN技術，充分利用QoS技術，使用IPv6等等。

4.1 全雙工交換式以太網技術

交換機在以太網中的應用大大拓展了以太網的應用范圍，一個交換機，其各個端口各自組成一個獨立的子網絡，各子網絡的沖突域都是獨立的，這樣整個網絡內消息發送的沖突就大大減少，一個子網內發送數據的用戶就無需等待另一個子網的用戶發送完數據。端口之間的數據輸入和輸出不再競爭同一個底層物理介質。

在半雙工的工作方式下，用戶設備的端口有交換機的端口屬于同一沖突域，不能同時接受與發送，當交換機端口側有數據發送過來時，用戶設備就不能往交換機端口發送數據，需要等待交換機端口數據接收完成，盡管在交換機端口分割沖突域的情況下，這種狀況發生的概率已經降低，但仍然降低了網絡的實時性和確定性。相較于半雙工的以太網，全雙工通信可以同時接收數據和發送數據，其理論上的通信速率要快上一倍，更快的傳輸速率意味著單次數據傳輸占用網絡的時間間隔更短，發生沖突的概率越低，網絡的實時性也更好。

4.2 虛擬局域網（VLAN）

交換技術的發展，交換機的出現，使得沖突域的大小得到限制，答案是廣播域的問題還是存在，特別是廣播風暴可能會拖垮整個網絡，虛擬局域網可對廣播域進行劃分，從而更加合理的使用帶框，增強網絡。從另一個方面來說，VLAN是從安全性來考慮的，對于工業控制來說，控制數據與普通數據的安全性跟實時性上都有較大區別，通過劃分不同的VLAN，做外落上做邏輯上的切割十分自然。VLAN還能突破物理位置上的限制，比如可以將不通沖突域中的物理設備劃分到同一個VLAN中統一管理。

4.3 QoS

當網絡擁塞時，所有的報文都有可能丟失；不同的用戶對于服務質量有不同的要求，這需要能根據用戶需求來分配資源，對不同的報文提供不同的保證：實時性強且重要的報文優先處理；實時性不強的普通數據，提供較低的處理優先級，網絡擁塞時甚至丟棄。支持QoS功能的設備，能夠針對某種類別的數據流，賦予不同的優先級，來標識重要性，并使用設備所提供的各種優先級轉發策略、擁塞避免等機制為這些數據流提供特殊的傳輸服務。在工業控制網絡中使用QoS技術，可以為重要的控制數據提供一種相對更好的實時保障，當網絡過載時，重要數據不會被先延遲或者丟棄。

4.4 IPv6

IPv6對于QoS有更好的支持，可以方便的設置報文的優先級，IPv6還可對數據報文設置流標記，通過打上流標記，標識過同一個流的報文都通過同一個路徑進行傳輸，這樣沿途的交換機在進行轉發處理的時候可以進行得更快，傳輸的速度跟實時性都能得到更好提升。另外IPv6協議中沒有廣播，這樣大量廣播報文占據的帶寬被釋放出來，實時性能得到提升。

5 結束語

通過綜合使用全雙工交換式以太網技術，虛擬局域網技術，QoS技術，采用IPv6技術，以太網的實時性能得到大幅提升，可靠性也有極大改善。如此一來，以太網作為列車的車載信息網絡已能滿足各種業務的需求，在當前業務融合的迫切需求下，恰逢其時。

參考文獻：

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