關于動車通信網絡高可用性無縫冗余研究仿真

董敬超，崔紅月

(1. 北京交通大學，北京 100044；2. 中車唐山機車車輛有限公司，河北 唐山 063000)

1 引言

在動車運行過程中，車輛檢測器件，交互組件，以及控制單元將產生大量異構的數據，而這些數據的集中處理需要依靠動車通信網絡，進行及時可靠的傳輸。由于這些數據直接影響動車運行的狀態，因此動車通信網絡的可靠性與可用性至關重要[1-2]。對于動車的大量數據與復雜控制，通信網絡在滿足大數據吞吐量的同時，也要盡可能提高傳輸速率與網絡安全[3-4]，傳統的以太網通信協議已經難以應對應用需求，對此，研究人員也提出了一些優化的網絡方法。

文獻[5]采用對交換機進行優先等級劃分的方式，優化了網絡傳輸的速度，但是該方法沒有實現網絡的冗余設計，通信數據的可靠性無法保證。文獻[6]針對交換機設計了混合調度策略，通過演算理論判斷各類數據對應的時間窗口，從而提高網絡數據的傳輸實時性，但是該方法也沒有考慮動車通信網絡的高可用與高可靠。文獻[7]采用了PRP與HSR的網絡結構，提升了網絡異常恢復的速度，而且網絡實現了冗余設計，提高了通信數據的可靠性，但是網絡的高可用沒有采取優化。針對動車運行的實際需要與現有研究的缺陷，提出了高可用無縫冗余傳輸策略。網絡整體采用主從熱備機制，保證通信網絡大吞吐量的同時，也引入了網絡冗余設計，提高網絡數據傳輸的可靠性，而且設計的優先級調度策略，以及協議中加入的冗余參數，都能夠有效改善網絡的傳輸延時。

2 動車并行冗余通信模型建立

動車在啟動運行過程中，會產生大量的通信數據，這些數據類型復雜且異構，分為過程、消息、監控、流，以及其它數據，它們包含了車輛啟動運行時的所有檢測、指令與故障信息，通過列車通信系統的并行拓撲傳遞到各個機構處理。考慮到數據量與傳輸速度，并行冗余通信的底層選擇數據帶寬大的Ethernet及其相應協議，并根據實際需求對運行其上的傳輸協議與應用協議做出相應的修改與優化，通過高性能網絡路由完成通信鏈路的測試與切換任務。為了具有良好的可靠性，在動車上層通信協議中，設計了雙層通信拓撲ETB和ECN，并在其上應用冗余協議。具體實現如圖1中描述。

圖1 動車通信網絡的冗余設計

圖中描述了兩個并行通信網絡，共同實現通信協議的高可用。每個并行通信網絡又分別具有ETB和ECN兩層，其中ETB層采取的是線性結構的工作機制，ECN層采取的是環結構工作機制。并行通信網絡之間的ETB根據設計的競爭機制，獲得主機通信權力，另外的ETB自動成為備機。由主ETB對通信協議做初始化，以及參與通信數據的包裝，同時由主ETB中的ETBN和ECN建立通信，ETBN會把并行通信網絡的ECN區分為主從，從而形成主從熱備狀態，提高可用性。在發現其中一個ETB或者ECN宕機時，自動喚行另外的備機，繼續通信，保證可靠性。

3 動車通信網絡的高可用無縫冗余優化設計

在動車通信數據中，監控與故障數據是最為重要的，這類數據應該盡可能保證其時效性與安全性，而相對次要的數據則可以適當調整其傳輸周期及包結構。如果在動車運行中發生通信故障，應該做到50ms內實現恢復，才能滿足傳輸性能要求，由于PRP協議的并發特點，可以在通信故障情況下進行無縫切換，該過程的耗時遠遠小于要求的50ms，因此將其用于上層通信協議中，有利于網絡的高可用。而相對于實時性要求并不強的數據，可以將其重要程度進行降檔處理，采取交替傳輸處理，由此可以節約帶寬，保障重要數據的傳遞性能能。

在并行傳輸的過程中，PRP協議利用LRE準備網絡傳輸報文，報文格式如圖2所示。如果執行的是發送處理，通過LRE把傳輸報文采取副本機制，同時追加4 Byte冗余參數RCT，再將雙副本報文傳輸到各并行網絡，從而提高報文發送的冗余性。如果執行的是接收處理，LRE采取逆向操作，根據報文冗余參數判斷副本，保證數據的安全與可靠。

圖2 傳輸報文格式

報文尾部追加的冗余參數由16bit的序列碼SequenceNr，4bit的標識符LAN，以及12bit的數據字節數量LSNU-size構成。當開始一次新的發送任務時，LRE會在準備報文的同時對前一次的SequenceNr進行遞增，作為本次的序列碼填充到報文中。LSNU-size為報文中數據字節數量，根據該值可以判斷是否要采取冗余操作，若判斷出數據未包含冗余參數時，則將報文不做任何處理進行轉發。LAN用于控制將報文發往哪個并行網絡中，所以多個副本發送時，只有該值是不同的。多副本通過并行網絡傳輸，接收報文的時間有先后，LRE根據冗余參數判斷報文是否存在，如果不存在，保留報文，反之拋出。這種處理方法可以有效避免某個并發網絡異常，使得傳輸鏈路不通，導致報文丟失，通信中斷。該處理利用并發網絡采取副本冗余機制，將一個報文從多條鏈路傳輸，接收節點只需要根據冗余參數確定報文的去留即可，而且不會增加網絡傳輸帶寬和傳輸開銷。

在拋棄報文時，需要根據SequenceNr確定拋棄窗口，此時涉及到上下邊界問題，假定窗口范圍表示為[StarSequence，ExpectedSequence]，且當前收到的SequenceNr是CurrentSequence，則可以得到

ExpectedSequence=CurrentSequence+1

(1)

報文拋棄窗口設計如圖3所示，假定某次通信收到LANB的傳輸報文，通過SequenceNr進行判斷，如果該報文同樣也來自于LANA，則將該報文與拋棄窗口進行比較，并判定來自兩個并發網絡報文的有效性，判定依據如下

圖3 報文拋棄窗口設計

(2)

當序列碼滿足該條件時，判定為拋棄接收到的LANB報文

(3)

當序列碼滿足該條件時，判定為保留接收到的LANB報文。

4 動車通信網絡高可用無縫冗余的可靠性

在所設計的動車通信網絡中，實現高可用與無縫冗余功能的是兩個并行網絡，分別標記為A和B，它們構成雙機熱備系統，假定A發生異常的概率是p1，異常恢復的概率是u1，B發生異常的概率是p2，異常恢復的概率是u2，則通信網絡整體失效的概率可以表示為

(4)

網絡拓撲設備的恢復概率一般可看作固定不變，即有u1=u2=1/tmttr，假設每個并行網絡中設置4臺交換機，則每個并行網絡的可用程度計算為

(5)

根據動態故障狀態的特點，采取si描述網絡狀態i對應的穩態概率如下

(6)

其中的Q代表狀態矩陣，由故障概率與恢復概率，得到關于網絡狀態矩陣Q如下

(7)

利用式(6)和式(7)，整理得到關于穩態分布的公式如下

(8)

網絡拓撲單個設備的故障率通常是固定不變的，利用前述公式便可以計算出網絡的靜態可靠性。對于動態組件，比如DANH端口，假定其異常概率是p，異常恢復的概率是u，基于并行網絡的平等特點，可以將動態組件的故障狀態描述如圖4所示。

圖4 故障狀態描述

此時，可以將狀態矩陣表示為

(9)

對應的穩態概率可以描述如下

(10)

根據式(9)和式(10)，整理得出穩態分布公式為

(11)

據此，可以求出通信網路的動態可靠度。

5 仿真與結果分析

為了驗證設計的動車高可用無縫冗余通信網絡的性能，基于TimeNet平臺建立仿真分析，分別從通信可靠性、傳輸延時，以及數據吞吐量三個方面對其進行驗證。

5.1 通信可靠性分析

在本文設計的高可用冗余通信網絡中，其中任何一個并行網絡發生故障，造成通信鏈路中斷時，另外的副本網絡都會無縫接替其工作，恢復通信，因此，將可靠性定義如下

Rs=RETB×RECN

(12)

等式右側的兩項依次代表ETB和ECN兩層的可靠度，通過仿真，得到高可用無縫冗余網絡的可靠性結果如圖5所示。根據結果曲線分析可知，單一網絡，沒有冗余設計時，一旦存在故障且不能及時恢復，就會導致通信失敗，可靠性差。而引入高可用冗余設計后，提高了網絡抗故障的能力，雙機熱備能夠實現監督機制，發現主機網絡存在故障，從機網絡快速轉為工作模式。

圖5 動車通信網絡可靠性結果曲線

引入傳統PRP協議與本文方法進行性能對比，實驗得到兩種通信網絡中對應的可靠性相關數據如表1所示。根據實驗數據對比，本文方法顯著降低了網絡故障的概率，發生故障的平均間隔比傳統PRP延長了將近一倍的時間，且真正實現了通信網絡的高可用性。從可靠性的角度分析，本文方法能夠顯著提高動車通信網絡的傳輸性能。

表1 可靠性數據結果對比

5.2 通信延時分析

在動車通信網絡中，報文傳輸的時間計算公式可以表示為

T=Ln/Bwidth

(13)

其中，Ln表示傳輸數據的字節數量，Bwidth表示網絡帶寬。考慮到過程數據的形成具有的周期性，在其周期改變的過程中觀測與通信時間的關系。實驗過程中，采用傳統PRP協議與本文方法進行對比，通信延時結果曲線如圖6所示。根據結果曲線可知，隨著數據形成周期的增加，在15ms之前，傳統PRP協議傳輸延時呈現下降趨勢，當周期變化到15ms時，下降平緩，并趨于穩定，保持在0.6ms左右。而本文的高可用冗余協議無論周期如何變化，始終穩定在0.2ms左右，通信延時明顯優于傳統PRP協議。導致該結果的原因是由于本文方法將傳輸數據進行重要程度區分等級，在協議中對重要程度最高的數據采取并行發送，處理周期更快，報文更小；而重要程度較弱的數據則采取大報文，串行發送，使優先級低的數據讓優先級高的數據先行，這種優先級調度策略有效保證了實時性要求高的數據傳遞性能。

圖6 通信延時結果曲線

5.3 數據吞吐量分析

數據吞吐量也是衡量通信網絡性能的重要指標，它的計算公式表示如下

(14)

其中，E{Pm}是待傳輸數據的平均標識數，Ln是傳輸報文的字節數。由于數據字節的多少會影響數據吞吐量，因此在實驗過程中，改變數據報文的生成速度，得到吞吐量的變化情況，如圖7所示。

圖7 吞吐量和報文生成速度曲線

根據結果曲線分析，隨著報文生成速度的增長，通信網絡的數據吞吐量會隨之增加，但是本文方法的吞吐量增長速度更快，且一直高于傳統PRP方法，這也是由于協議中采用了優先級調度策略導致的。

6 結束語

動車通信網絡需要完成大量異構數據的傳輸，傳統傳輸協議存在可靠性與實時性等諸多性能缺陷，為此，本文提出并設計了關于動車通信網絡的高可用無縫冗余傳輸協議。方法首先針對動車通信網絡中數據的類型與傳輸要求，設計了雙層通信拓撲ETB和ECN，并在并行網絡中形成主從熱備。然后根據數據的重要程度與實時性要求，設計優先級調度策略，將傳輸數據劃分為不同等級，并采取不同的傳輸策略。再在傳輸報文尾部追加冗余參數，并設計報文拋棄窗口，對冗余參數進行判定，處理接收報文。最后對動車通信網絡可靠性進行了相應分析。實驗結果表明，高可用無縫冗余協議具有比傳統通信協議更高的傳輸可靠性，且報文傳輸延時更小，數據吞吐量更大，能夠有效處理動車大量異構的數據傳輸。