列車以太網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

趙 航， 胡黃水， 戚小莎， 王宏志

(長春工業(yè)大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院， 吉林 長春 130012)

0 引 言

列車正在朝著高速、可靠、智能化的方向發(fā)展，使得新的服務(wù)不斷增加,例如視頻監(jiān)視、網(wǎng)絡(luò)診斷、旅客信息安全、圖像識(shí)別、錄像查詢等[1-2]，因此，列車網(wǎng)絡(luò)對(duì)高帶寬的要求也越來越高。傳統(tǒng)的LonWorks、ArcNet、WorldFIP等列車通信網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋯我弧⑾鞑ニ俾实汀⒔M網(wǎng)靈活性差、吞吐能力有限，已經(jīng)不能滿足這種大容量、實(shí)時(shí)性的要求。而將以太網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用到列車網(wǎng)絡(luò)中很大程度上解決了傳統(tǒng)列車網(wǎng)絡(luò)的不足。

列車是安全性要求極高的高速移動(dòng)型設(shè)備，信息實(shí)時(shí)性傳輸關(guān)乎行車與人員安全,因此如何保證實(shí)時(shí)性是列車通信網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵問題。文獻(xiàn)[3]提出一種應(yīng)用于列車的具有混合調(diào)度算法的交換機(jī)，從而降低在緩沖隊(duì)列內(nèi)的排隊(duì)時(shí)延，車輛級(jí)、列車級(jí)端到端實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)時(shí)延分別在0.30 ms和1.10 ms以內(nèi)，有效地保證了列車通信的實(shí)時(shí)性要求。算法雖然有效提高了網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)性，但卻增加了計(jì)算復(fù)雜度。文獻(xiàn)[4]提出列車通信網(wǎng)絡(luò)提高實(shí)時(shí)性問題的根源是以太網(wǎng)的CSMA/CD機(jī)制，于是采用集總幀主從調(diào)度機(jī)制來解決以太網(wǎng)CSMA/CD機(jī)制帶來的確定性通信問題，并在FPGA上實(shí)現(xiàn)對(duì)MAC層的設(shè)計(jì)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，相對(duì)于CAMA/CD機(jī)制來說集總幀主從調(diào)度機(jī)制實(shí)時(shí)性更高。文獻(xiàn)[5]在MAC層中添加實(shí)時(shí)控制子層來控制數(shù)據(jù)幀的通斷，從而通過控制交換機(jī)間不同數(shù)據(jù)的傳輸來解決硬實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)幀的實(shí)時(shí)性問題，可以看出合理引進(jìn)并改進(jìn)IEEE 802.1p協(xié)議可以很大程度保證硬實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)幀的實(shí)時(shí)性。在MAC層上加入實(shí)時(shí)控制子層可以很好地解決兼容問題，然而，現(xiàn)有研究往往忽視了拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)控制的優(yōu)勢(shì)，拓?fù)淇刂茖?duì)實(shí)時(shí)性研究是最直觀也最便捷的方式。文獻(xiàn)[6]借助了網(wǎng)絡(luò)仿真平臺(tái)OPNET來建立基于以太網(wǎng)列車通信網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淠Ｐ筒⑦M(jìn)行仿真,分別分析不同負(fù)荷下的網(wǎng)絡(luò)時(shí)延、負(fù)載及鏈路利用率，結(jié)果表明，增加網(wǎng)絡(luò)帶寬可以使網(wǎng)絡(luò)的性能得到明顯改善。

文中首先設(shè)計(jì)了以太網(wǎng)的總線型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和環(huán)型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，研究發(fā)現(xiàn)兩種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的實(shí)時(shí)性和穩(wěn)定性都有待提高，通過合理有效地引入冗余機(jī)制，設(shè)計(jì)了列車鏈路冗余以太網(wǎng)環(huán)型結(jié)構(gòu)，并與總線型、傳統(tǒng)環(huán)形以太網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行比較分析，有效縮短以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)時(shí)延，降低網(wǎng)絡(luò)負(fù)載。

1 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)對(duì)時(shí)延分析的影響

在列車通信網(wǎng)絡(luò)中，傳感器、服務(wù)器、執(zhí)行器等大量網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)備數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，由于網(wǎng)絡(luò)帶寬有限以及外界環(huán)境對(duì)數(shù)據(jù)傳輸影響的不確定性，數(shù)據(jù)碰撞、網(wǎng)絡(luò)堵塞等流量控制不足的問題不可避免地發(fā)生，從而對(duì)網(wǎng)絡(luò)時(shí)延造成嚴(yán)重影響，使得高速列車網(wǎng)絡(luò)的安全性與穩(wěn)定性降低，危及行車安全和車乘人員的人身安全。

網(wǎng)絡(luò)時(shí)延定義為數(shù)據(jù)包從發(fā)送端進(jìn)入等待發(fā)送到數(shù)據(jù)包在接收端全部收到的時(shí)間，如下式：

τ=τt+τp+τs+τr

(1)

1)數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)延τt。發(fā)送端逐層封裝發(fā)送信息，最終封裝成數(shù)據(jù)包進(jìn)入隊(duì)列，從封裝開始到進(jìn)入隊(duì)列的時(shí)間定義為數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)延τt。

2)傳輸時(shí)延τp。物理媒介中數(shù)據(jù)包傳輸所需的時(shí)間定義為傳輸時(shí)延τp，其大小受到傳輸長度、網(wǎng)絡(luò)帶寬、物理媒介以及數(shù)據(jù)包大小等因素影響。

3)處理時(shí)延τs。交換機(jī)的工作方式是存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)，進(jìn)行CRC檢驗(yàn)并提取目的地址，以查找表的方式確定輸出端口。不難看出，在數(shù)據(jù)包增多的情況下，時(shí)延會(huì)明顯增加。

4)數(shù)據(jù)接收時(shí)延τr。數(shù)據(jù)包在遠(yuǎn)程主機(jī)接收并通過校驗(yàn)后，又逐層解碼上傳到應(yīng)用層，在此過程中造成的時(shí)延定義為數(shù)據(jù)接收時(shí)延τr。

在高速列車組通信網(wǎng)絡(luò)中，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)量對(duì)網(wǎng)絡(luò)延時(shí)影響很大，中間鏈路中大量路由器、交換機(jī)造成大量處理時(shí)延。以下是由交換機(jī)造成的時(shí)延：

1)交換時(shí)延。交換機(jī)廠家預(yù)定交換機(jī)的交換時(shí)延數(shù)值。

2)轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)延。由交換機(jī)轉(zhuǎn)發(fā)的數(shù)據(jù)長度和自身的轉(zhuǎn)發(fā)模式?jīng)Q定。

3)緩沖時(shí)延。由數(shù)據(jù)輸入的模式?jīng)Q定，如不定期模式或定期模式。

通過優(yōu)化列車通信網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)部署及拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，使得數(shù)據(jù)從某節(jié)列車車廂的交換機(jī)到服務(wù)器的交換機(jī)跳數(shù)減少，從而有效地避免了由交換機(jī)造成的時(shí)延。每節(jié)列車車廂安置一臺(tái)交換機(jī)，每臺(tái)交換機(jī)連接4個(gè)工作站，第一臺(tái)交換機(jī)與服務(wù)器連接?？偩€型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是將相鄰列車車廂的交換機(jī)相互連接[7]，如圖1所示。

圖1 總線型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

環(huán)形網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是將相鄰列車車廂的交換機(jī)相互連接，并將首尾列車車廂連接組成一個(gè)環(huán)網(wǎng)[8]，如圖2所示。

圖2 環(huán)形網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

具有冗余的環(huán)網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是將間隔列車車廂的交換機(jī)和相鄰車廂上的交換機(jī)相互連接，并將首尾列車車廂相連組成環(huán)網(wǎng)[9]，如圖3所示。

圖3 具有網(wǎng)絡(luò)冗余的封閉環(huán)網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

文中重點(diǎn)研究由交換機(jī)造成的數(shù)據(jù)處理時(shí)延和數(shù)據(jù)傳輸時(shí)延[10-11]。

假定列車有n節(jié)車廂，每節(jié)列車車廂中部安置交換機(jī)，相鄰列車車廂交換機(jī)的物理鏈路長度為L，由于電纜接頭處存在間隙及電纜布線中彎曲的情況，因此，每節(jié)車廂的終端設(shè)備到該節(jié)車廂交換機(jī)的物理鏈路長度按1/2L計(jì)算，相鄰列車車廂的物理鏈路總長度約為1.5L，物理鏈路單位長度的網(wǎng)絡(luò)時(shí)延為τk，數(shù)據(jù)傳輸時(shí)由交換機(jī)產(chǎn)生的處理時(shí)延為τs，從第i節(jié)列車車廂的終端設(shè)備經(jīng)過j臺(tái)交換機(jī)到達(dá)服務(wù)器，物理鏈路長度為kL，該過程的總時(shí)延記為τi：

(2)

列車通信網(wǎng)絡(luò)的平均時(shí)延記為τave：

(3)

情形1：總線型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)由相鄰列車車廂的交換機(jī)相互連接構(gòu)成，每臺(tái)交換機(jī)連接4個(gè)工作站，第1節(jié)車廂中部安置服務(wù)器。

單節(jié)列車車廂時(shí)延τi記為：

(4)

列車通信網(wǎng)絡(luò)的平均時(shí)延記為τave1：

(5)

情形2：將間隔列車車廂的交換機(jī)相互連接，也就是說把列車車廂號(hào)是奇數(shù)的交換機(jī)相連，再把列車車廂是偶數(shù)的交換機(jī)相連，最后把交換機(jī)1和交換機(jī)2相互連接，交換機(jī)n-1和交換機(jī)n相互連接，最終構(gòu)成封閉環(huán)網(wǎng)。

將1號(hào)列車車廂的交換機(jī)和2號(hào)列車車廂的交換機(jī)相連，列車中段將間隔列車車廂的交換機(jī)相連，最后將7號(hào)列車車廂和8號(hào)列車車廂的交換機(jī)相連構(gòu)成環(huán)形網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)(見圖2)。

單節(jié)車廂時(shí)延τi計(jì)算：

當(dāng)i為奇數(shù)時(shí)：

(6)

當(dāng)i為偶數(shù)時(shí)：

(7)

列車通信網(wǎng)絡(luò)的平均時(shí)延記為τave2：

當(dāng)n為奇數(shù)時(shí)：

(8)

當(dāng)n為偶數(shù)時(shí)：

(9)

綜上，當(dāng)n>2時(shí)：

τave2<τave1

(10)

通過對(duì)比τave2和τave1可以得出，環(huán)形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和總線型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)在鏈路傳輸平均距離上是相同的，但是環(huán)形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)由交換機(jī)造成的時(shí)延遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于總線型由交換機(jī)產(chǎn)生的時(shí)延。原因是環(huán)形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)多了一條冗余通信鏈路，大大減少了數(shù)據(jù)從某節(jié)列車車廂的交換機(jī)到服務(wù)器過程中交換機(jī)的跳數(shù)，從而使網(wǎng)絡(luò)時(shí)延有效降低。

情形3：將間隔車廂上的交換機(jī)相連，即把車廂號(hào)為奇數(shù)的交換機(jī)相連，再把偶數(shù)的交換機(jī)相連，最后將相鄰車廂的交換機(jī)相連，組成一個(gè)具有鏈路冗余的封閉環(huán)網(wǎng)：與情景2相似，時(shí)延分析方法相同，但是與總線型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)相比，當(dāng)某一條鏈路出現(xiàn)問題時(shí)，具有鏈路冗余的封閉環(huán)網(wǎng)再度選擇的鏈路優(yōu)于環(huán)形網(wǎng)絡(luò)的時(shí)延。

2 仿真結(jié)果分析

借助OPNET網(wǎng)絡(luò)仿真軟件，以通用動(dòng)車標(biāo)準(zhǔn)編組4節(jié)動(dòng)車配4節(jié)拖車的方式,構(gòu)建基于以太網(wǎng)的列車通信網(wǎng)絡(luò)模型，對(duì)比分析總線型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、環(huán)形網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及具有冗余的網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)時(shí)延、鏈路負(fù)載[12-13]。

對(duì)于三種不同的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，分別創(chuàng)建總線型、環(huán)形和具有鏈路冗余封閉環(huán)網(wǎng)三個(gè)網(wǎng)絡(luò)場景[14]，采用帶寬100 M以太網(wǎng)傳輸。設(shè)置兩個(gè)FTP應(yīng)用業(yè)務(wù)模擬過程數(shù)據(jù)和消息數(shù)據(jù)的傳輸。仿真時(shí)間設(shè)定0.5 h，以太網(wǎng)時(shí)延和服務(wù)器負(fù)載分別如圖4和圖5所示。

圖4 以太網(wǎng)時(shí)延仿真對(duì)比

圖4中，深色曲線代表總線型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，淺色代表環(huán)形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，略深色代表具有鏈路冗余的封閉環(huán)網(wǎng)。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定后，三種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)滿足TCN標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的時(shí)延不能高于25 ms的要求[15]。具有鏈路冗余的封閉環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)時(shí)延最小。具有鏈路冗余的封閉環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)時(shí)延比環(huán)形結(jié)構(gòu)小19.5%，具有鏈路冗余的封閉環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)時(shí)延比總線型結(jié)構(gòu)小39.4%，仿真結(jié)果表明，具有鏈路冗余的封閉環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)在時(shí)延方面性能最優(yōu)。

圖5 以太網(wǎng)鏈路負(fù)載仿真對(duì)比

圖5中，深色代表總線型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，淺色代表環(huán)形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，略深色代表具有鏈路冗余的封閉環(huán)網(wǎng)。三種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的鏈路負(fù)載基本相同，在0～11 min內(nèi)，三種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)基本重合，在11～23 min內(nèi)，三種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)負(fù)載波動(dòng)較大，無法判斷三種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的最優(yōu)性能。在23～30 min內(nèi)，具有鏈路冗余的封閉環(huán)網(wǎng)的負(fù)載優(yōu)于總線型網(wǎng)絡(luò)和環(huán)形網(wǎng)絡(luò)，仿真結(jié)果表明，具有鏈路冗余的封閉環(huán)網(wǎng)負(fù)載要優(yōu)于其他兩種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

3 結(jié) 語

在OPNET平臺(tái)下設(shè)計(jì)了總線型網(wǎng)絡(luò)模型、環(huán)形網(wǎng)絡(luò)模型和具有鏈路冗余的封閉環(huán)網(wǎng)模型。通過對(duì)網(wǎng)絡(luò)通信時(shí)延、鏈路負(fù)載進(jìn)行仿真比較，結(jié)果表明，具有鏈路冗余的封閉環(huán)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)性能最優(yōu)。對(duì)列車部署網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，降低網(wǎng)絡(luò)時(shí)延，提高網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量，從而保證列車安全、可靠、高效運(yùn)行具有指導(dǎo)意義。