高精度列車通信系統交換機優化設計

穆俊斌 冀云 孫景輝

摘 要： 現有高精度列車通信系統交換機由于未考慮交換機穩定運行時出現的環路現象，造成網絡信息傳輸時的穩定性較差，因此對高精度列車通信系統交換機進行優化設計。優化設計后，交換機整體結構由主控制模塊、以太網模塊和POE供電模塊三部分組成。在高精度列車內部構建環形網絡，避免通信時某臺交換機發生故障導致其余交換機不運行的狀況發生；采用快速生成樹協議算法降低環網恢復用時以及數據包丟失，促進列車內部網絡信息傳輸的穩定運行；對交換機連接方式優化設計時用M12接頭代替以太網接口和USB接口，使交換機的抗穩定能力和列車通信系統各設備間通信安全性增強，實現高精度列車通信系統中交換機的環網控制。實驗結果表明，所設計交換機在高精度列車通信系統中應用效果較好，性能佳。

關鍵詞： 高精度； 列車通信系統； 交換機； 優化設計； 環形網絡； 快速生成樹協議算法

中圖分類號： TN915.05?34； U270 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2018）16?0068?04

Abstract： The loop phenomenon occurred during the stable operation of the switcher is not considered in the current high?precision train communication system， resulting in poor stability of network information transmission. Therefore， an optimization design of the switcher is conducted for the high?precision train communication system. The overall structure of the switcher after its optimization design is composed of the main control module， Ethernet module， and POE power supply module. The loop network is constructed inside the high?precision train to avoid the situation that one switcher′s failure causes other switchers′ failure. The fast spanning tree protocol algorithm is adopted to reduce the loop network recovery time and data packet loss， so as to facilitate the stable operation of information transmission in the train internal network. During the optimization for the connection mode of switchers， the M12 connector is used to replace the Ethernet interface and USB interface， so as to enhance the stability of the switcher and the communication security between devices in the train communication system， and realize the loop control of the switcher in the high?precision train communication system. The experimental results show that the designed switcher has a good application effect and performance in the high?precision train communication system.

Keywords： high precision； train communication system； switcher； optimization design； loop network； fast spanning tree protocol algorithm

0 引 言

隨著城市鐵道建設的不斷發展，高精度列車如地鐵內的網絡通信技術也在高速進步，實現高精度列車內的通信需要采用以太網技術，其具有數據傳輸快、應用范圍廣以及設備兼容性好的優勢[1]，成為發展通信系統的重要應用，而交換機作為實現通信能力的關鍵設備，對其進行質量、性能和功能上的優化改進，有利于提升列車內通信能力[2]。過去高精度列車通信系統的交換機未考慮交換機穩定運行時出現的環路現象，造成網絡信息傳輸時的穩定性較差。為解決該問題，該文對高精度列車通信系統交換機進行優化設計，加強交換機的應用效果，提高高精度列車通信系統的通信質量。

1 高精度列車通信系統交換機優化設計

1.1 整體結構設計

本文設計的高精度列車通信系統交換機整體結構框圖如圖1所示，該交換機主要由主控制模塊、以太網模塊和POE供電模塊三部分組成。主控制模塊的構成由FPGA處理器和其他設備構成[3]，主要進行通信系統的初始化、上層應用程序運行、設備的配置和管理工作；以太網主要將系統內大量的網絡通信數據進行轉發；POE供電模塊實現對通信系統內供電設備的檢測、分級和監察等功能。三個模塊相互配合協作共同構成完整的交換機系統。

1.2 交換機環形網絡的優化設計

為使整個由交換機組成的網絡工作更加可靠，降低網絡節點故障導致通信中斷發生的頻率，本文將交換機引出的接口互相連接，在高精度列車內部構建一個環形網絡提升網絡的可信度[4]。交換機能夠對配網進行故障診斷，且支持環網冗余能依照IEEE 803.1W準則準確得到快速生成樹協議算法，該算法可確保高精度列車內交換機穩定運行時不出現環路，同時確保列車內以太網總線的冗余性[5]。

生成樹協議算法采取關閉、阻塞、監聽、學習以及轉發等方法對交換機進行智能化管理[6]，對不同端口說明如下：

1） 阻塞：僅能獲取交換網橋協議數據包且無法進行數據轉發；

2） 監聽：交換機對環形網絡中的各個路線進行確認，該過程需要15 s左右，但使用者不可進行MAC地址學習也不可進行數據轉發，只能接收交換網橋協議數據；

3） 學習：該過程持續15 s，但使用者不可發送數據包可以交換網橋協議數據和MAC地址學習；

4） 轉發：使用者數據包和交換網橋協議數據均可被轉發且MAC地址可進行學習；

5） 禁用：不接收也不發送任何數據。

本文設計的交換機支持快速生成樹協議算法，該算法相較于生成樹算法缺少了監聽和學習，這兩種狀態會造成一定時間的延遲，會對高精度列車中其他設備的使用帶來影響，但快速生成樹協議算法縮短了環網的恢復用時，降低了數據包的丟失。

1.3 交換機連接方式優化設計

在交換機環形網絡優化設計的基礎上，為使本文設計的交換機更加符合EN50155鐵路設備抗震動以及電磁兼容性標準[7]，對交換機的連接方式采用安全有效的優化設計。本文設計的交換機將過去的以太網接口和USB接口用M12接頭代替，加強交換機在強烈震動時的安全性，提升設備間通信能力。

1.4 交換機應用軟件實現

1.4.1 FLASH接口函數的實現

交換機軟件驅動層主要對交換機中硬件FLASH的讀寫、串口數據的發送和接收以及SMI接口對交換機芯片進行操作，FLASH驅動包括進行FLASH初始化[8]、復制和讀寫等操作，FLASH驅動提供7個API函數，如表1所示。

1.4.2 環網控制的實現

本文實現交換機環網控制，基于高精度列車以太網的拓撲結構，對網絡實施動態規劃，環網控制分為網絡路徑控制線程和網絡數據接收線程[9]。

網絡路徑控制線程主要用于發送報文和檢查交換設備的運行狀態，根據不同的運行狀態采取不同的控制手段[10]，控制過程如下：

1） 心跳檢測報文和環路檢測發送，向中繼口發送的僅有環路檢測報文；

2） 判斷交換機中繼口鏈路物理性質是否發生變化，若發生變化，將結果發送給通信系統中其他交換機，執行步驟4）操作，反之進行步驟3）；

3） 交換機對心跳檢測報文的超時標識和鏈路通知報文接收標識有效識別，表明需重新進行環網鏈路規劃，并進行下一步操作，反之到步驟7）；

4） 當心跳檢測報文超時標識和中繼口鏈路物理狀態同時改變時，應將交換機自身全部接口封閉，將所有交換機進行同步控制，并進行下一步操作；

5） 交換機將上行中繼口進行阻塞保持下行中繼口通暢，并在某個同步時間周期性的發送環路檢測報文，根據MAC地址交換機接收來自其他環路檢測報文；當交換機接收來自身的檢測報文時，表示網絡路徑中存在物理環路，應固定待阻塞端口降低網絡風暴的出現概率，根據檢測報文中的端口號確定待阻塞端口，并進行下一步操作；

6） 將交換機上行中繼口打開維持正常通信，在同步等待時間期間將中繼口的MAC地址學習表刪除，降低正常數據轉發的概率，并進行下一步；

7） 若交換機獲取超時信號量延時，返回步驟1），延時期間獲取報文可直接進入步驟1），重新進行網絡路徑規劃。

通過以上7個步驟共同對網絡路徑控制線程控制，實現對交換機的環網控制。

2 實驗分析

實驗將本文設計的交換機放入高低溫實驗環境中，將溫度迅速升至85 ℃，測試2 h，測試結束后在正常室溫下運行該交換機，結果為正常運行說明本文設計的交換機可以抵抗高溫環境進行正常工作，應用范圍較廣。

實驗采用靜電測試對本文設計的交換機進行檢測，判斷本文設計的交換機的抗干擾能力，靜電測試分為接觸放電和空氣放電兩種。測試標準參照EN61000?4?2的標準，實驗測得本文設計交換機可以在實驗進行過程中正常運行，達到設計要求。

通過測試鏈路質量的方式驗證本文交換機的網絡通信能力，圖2為鏈路發送4種數據包測試結果。

測試的固定長度數據包大約50 kB，長度逐漸增大，數據包大小在1～65 kB間。從圖2中可以看出，交換機發送固定長度數據包的通信速率大約為10 720 kB/s，交換機發送長度逐漸增大數據包的通信速率不斷變化，且隨著數據包的增大而變慢。當數據包大小為一定值時，通信速率不再發生變化。從測試結果可以看出，超時個數和錯誤個數均為0，說明本文設計的高精度列車通信系統交換機具有較好的應用效果。

實驗為驗證本文設計的交換機軟件的網絡性能，對CPU端口進行測試，對CPU端口的網絡性能測試利用Level 1進行網絡丟包、超時和速率進行測試，測試結果如表2所示。

分析表2數據可知，本文設計交換機的丟包率和超時率分別為2.15‰和1.12‰，該數值非常小說明本文設計交換機的丟包率和超時率極低，且傳輸速率達到平均水平的1.7 MB/s，說明交換機軟件網絡性能良好，符合高精度列車通信系統的要求。

3 結 論

本文優化設計的高精度列車通信系統交換機可以在環境較為惡劣的環境下正常運行，電磁兼容性效果較好且交換機的鏈路通信狀況良好，說明優化設計后的高精度列車通信系統應用效果顯著。

參考文獻

[1] 周潔瓊，王立德，王濤，等.基于交換式以太網的列車通信網絡的交換機排隊時延分析[J].北京交通大學學報，2014，38（2）：95?100.

ZHOU Jieqiong， WANG Lide， WANG Tao， et al. Switch queuing delay of train communication network based on switched Ethernet [J]. Journal of Beijing Jiaotong University， 2014， 38（2）： 95?100.

[2] 佘磊，趙曦濱，陳渝，等.軌道交通實時以太網交換機啟動性能的分析與優化[J].計算機科學，2017，44（z2）：276?280.

SHE Lei， ZHAO Xibin， CHEN Yu， et al. Analysis and optimization of boot?up performance for railway real?time Ethernet switch [J]. Computer science， 2017， 44（S2）： 276?280.

[3] 張玉琢，曹源，聞映紅.基于交換式以太網的列車通信網絡建模與性能分析[J].通信學報，2015，36（9）：181?187.

ZHANG Yuzhuo， CAO Yuan， WEN Yinghong. Modeling and performance analysis of train communication network based on switched Ethernet [J]. Journal on communications， 2015， 36（9）： 181?187.

[4] 姜明月.云計算平臺下的大數據分流系統的設計與優化[J].現代電子技術，2016，39（2）：28?32.

JIANG Mingyue. Design and optimization of large data streaming system based on cloud computing platform [J]. Modern electronics technique， 2016， 39（2）： 28?32.

[5] 劉偉達，康一丁，李小明，等.星載激光通信系統遮光罩的優化設計[J].光學精密工程，2017，25（2）：342?350.

LIU Weida， KANG Yiding， LI Xiaoming， et al. Optimized design of baffle in satellite laser communication system [J]. Optics and precision engineering， 2017， 25（2）： 342?350.

[6] 代延梅，吳蘇.MIMO中繼下行通信系統中的多目標優化設計[J].電視技術，2017，41（1）：58?63.

DAI Yanmei， WU Su. Multi?objective optimization design for MIMO relay downlink systems [J]. Video engineering， 2017， 41（1）： 58?63.

[7] 肖志均，解培金，陳超錄，等.列車微機控制單元靜態網絡地址配置方法的研究與實現[J].機車電傳動，2017（4）：48?51.

XIAO Zhijun， XIE Peijin， CHEN Chaolu， et al. Research and implementation of static network address configuration method for train microcomputer control unit [J]. Electric drive for locomotives， 2017（4）： 48?51.

[8] 張驍，胡昊，王紅星.基于PMT的紫外光語音接收系統優化設計[J].光通信研究，2015，41（2）：76?78.

ZHANG Xiao， HU Hao， WANG Hongxing. Photomultiplier?based optimized design of ultraviolet voice?receiving systems [J]. Study on optical communications， 2015， 41（2）： 76?78.

[9] 費寧，陳春玲，毛燕琴.ASIC芯片OpenFlow交換機設計與實現[J].北京郵電大學學報，2016，39（6）：93?98.

FEI Ning， CHEN Chunling， MAO Yanqin. Design， implementation and evaluation of ASIC?based OpenFlow switch [J]. Journal of Beijing University of Posts and Telecommunications， 2016， 39（6）： 93?98.

[10] 茹偉，張軍才，趙臘才.基于單片機的機載千兆交換機系統設計與實現[J].電子技術應用，2015，41（9）：39?41.

RU Wei， ZHANG Juncai， ZHAO Lacai. Design and implementation of airborne gigabit switch system based on micro control unit [J]. Application of electronic technique， 2015， 41（9）： 39?41.