基于交換式以太網(wǎng)的TCN設(shè)計(jì)與實(shí)時(shí)性能分析

邢 震，賈步超，穆建成，馬連川

（1.北京交通大學(xué) 軌道交通控制與安全國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100044；2.南車(chē)青島四方機(jī)車(chē)車(chē)輛股份有限公司 技術(shù)中心，青島，266111；

3.鐵道部 科學(xué)技術(shù)司，北京 100844；

4.北京交通大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，北京 100044）

列車(chē)通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)已成為現(xiàn)代列車(chē)的核心技術(shù)之一，動(dòng)車(chē)組及城市軌道車(chē)輛無(wú)不采用列車(chē)通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)車(chē)載設(shè)備的互聯(lián)與控制，以確保運(yùn)行安全。在改善列車(chē)帶寬方面，交換式以太網(wǎng)技術(shù)擁有其他技術(shù)無(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì)，但是列車(chē)網(wǎng)絡(luò)作為一種實(shí)時(shí)系統(tǒng)，必須保證引入交換式以太網(wǎng)后的列車(chē)網(wǎng)絡(luò)在數(shù)據(jù)傳輸方面具有良好的實(shí)時(shí)性、確定性和可靠性。為此，本文提出一種基于交換式以太網(wǎng)的列車(chē)通信網(wǎng)絡(luò)（Ethernet Based-Train Communication Network，EB-TCN）的設(shè)計(jì)方案。

1 EB-TCN網(wǎng)絡(luò)詳細(xì)設(shè)計(jì)方案

1.1 基于EB-TCN網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

列車(chē)通信網(wǎng)絡(luò)基本結(jié)構(gòu)劃分為3層，如圖1所示。

圖1 列車(chē)通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

第1層是骨干網(wǎng)—列車(chē)級(jí)控制層（對(duì)應(yīng)于傳統(tǒng)TCN的WTB總線），骨干層采用交換式以太網(wǎng)，交換機(jī)之間采用級(jí)聯(lián)方式連接，實(shí)現(xiàn)列車(chē)級(jí)控制。首尾2個(gè)交換機(jī)相連，構(gòu)成環(huán)形網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，線路連接上采用冗余的雙線方案。

第2層是車(chē)輛級(jí)控制層（對(duì)應(yīng)于傳統(tǒng)TCN的MVB總線），物理介質(zhì)采用雙絞屏蔽線。摒棄傳統(tǒng)TCN中的總線型拓?fù)浞绞?，采用星型拓?fù)洹Ｃ總€(gè)終端系統(tǒng)通過(guò)一條唯一的物理通路接入交換機(jī)，使得每個(gè)終端系統(tǒng)獨(dú)享一個(gè)沖突域，避免了傳輸路徑上的數(shù)據(jù)沖突，降低了數(shù)據(jù)傳輸延時(shí)。網(wǎng)關(guān)是車(chē)輛控制層與骨干層連接的橋梁，同時(shí)還要具備操縱、分析數(shù)據(jù)、識(shí)別、配置節(jié)點(diǎn)、網(wǎng)絡(luò)管理等功能。

第3層是設(shè)備控制層，連接鐵路車(chē)輛上的MVB設(shè)備。由于EBTCN網(wǎng)絡(luò)只會(huì)改變底層數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)的實(shí)現(xiàn)方式，并沒(méi)有改變TCN中的上層協(xié)議，所以EB-TCN網(wǎng)絡(luò)能很好地應(yīng)用到現(xiàn)有的車(chē)載設(shè)備上。

1.2 基于EB-TCN網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議棧

EB-TCN網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)方案對(duì)傳統(tǒng)的TCN通信協(xié)議棧做了相應(yīng)改進(jìn)，如圖2所示。

由圖2可以看出，修改后的通信協(xié)議棧對(duì)TCN中的物理層和鏈路層做了修改，改為交換式以太網(wǎng)層，同時(shí)在交換式以太網(wǎng)上加入了網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層、實(shí)時(shí)虛擬層、實(shí)時(shí)協(xié)議層和應(yīng)用層。

交換式以太網(wǎng)層協(xié)議完全符合IEEE802.3物理層和數(shù)據(jù)鏈路層標(biāo)準(zhǔn)，充分利用COTS以太網(wǎng)軟硬件、資源。

在網(wǎng)絡(luò)層中使用IP協(xié)議，傳輸層中使用 UDP協(xié)議。在可靠性方面，EBTCN采用互為冗余的雙重網(wǎng)絡(luò)，能極大地減少因采用UDP協(xié)議導(dǎo)致丟包的概率。

為了滿足列車(chē)通信網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用要求，必須在交換式以太網(wǎng)和UDP/IP協(xié)議之上，建立完整的、有效的通信服務(wù)模型，指定有效的實(shí)時(shí)通信機(jī)制，協(xié)調(diào)好實(shí)時(shí)和非實(shí)時(shí)信息的傳輸服務(wù)。對(duì)此在運(yùn)輸層之上設(shè)置實(shí)時(shí)虛擬層，在實(shí)時(shí)虛擬層中制定了有效的實(shí)時(shí)通信機(jī)制，該通信機(jī)制移植了TCN中MAC層的介質(zhì)訪問(wèn)機(jī)制。

在實(shí)時(shí)虛擬層之上設(shè)置符合IEC 61375-1國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)時(shí)協(xié)議（RTP）層，RTP層完全支持符合IEC 61375-1國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的TCN調(diào)用。這樣能保證在修改底層網(wǎng)絡(luò)的情況下，仍能使用原先的TCN軟件資源。

圖2 網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議棧改進(jìn)前后

應(yīng)用層采用TCN協(xié)議棧中的應(yīng)用層協(xié)議。

2 實(shí)時(shí)虛擬層

為了確保EB-TCN網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)性、確定性，在通信協(xié)議棧中引入實(shí)時(shí)虛擬層，通過(guò)實(shí)時(shí)虛擬層通信調(diào)度機(jī)制調(diào)度底層的以太網(wǎng)資源，該通信調(diào)度機(jī)制采用TCN網(wǎng)絡(luò)的集中式主從調(diào)度機(jī)制，因此車(chē)輛控制層、骨干層的通信調(diào)度方式如下。

2.1 周期相的數(shù)據(jù)傳輸：

（1）以太網(wǎng)管理主（對(duì)應(yīng)TCN的總線主）按照周期掃描表在交換式以太網(wǎng)中廣播周期相中第1個(gè)主以太網(wǎng)幀（對(duì)應(yīng)TCN的主幀），所有列車(chē)設(shè)備接收到該主以太網(wǎng)幀后，檢查自身是否是被尋址的列車(chē)設(shè)備，被尋址的列車(chē)設(shè)備作為目標(biāo)從設(shè)備廣播相應(yīng)的第1個(gè)從以太網(wǎng)幀（對(duì)應(yīng)TCN的從幀）；（2）以太網(wǎng)管理主按照周期掃描表廣播周期相中的第2個(gè)主以太網(wǎng)幀，被尋址的目標(biāo)從設(shè)備廣播相應(yīng)的第2個(gè)從以太網(wǎng)幀；（3）依次類(lèi)推，直到周期掃描表中所有周期相有效數(shù)據(jù)傳輸完畢。

2.2 偶發(fā)相的數(shù)據(jù)傳輸

（1）以太網(wǎng)管理主單播周期掃描表中偶發(fā)相的第1個(gè)主以太網(wǎng)幀，同樣被尋址到的目標(biāo)從設(shè)備單播相應(yīng)的第1個(gè)從以太網(wǎng)幀；（2）以太網(wǎng)管理主單播周期掃描表中偶發(fā)的第2個(gè)主以太網(wǎng)幀，目標(biāo)從設(shè)備單播相應(yīng)的第2個(gè)從以太網(wǎng)幀；（3）以此類(lèi)推，直到所有偶發(fā)相報(bào)文有效數(shù)據(jù)傳輸完畢（注：監(jiān)視相、事件相、保護(hù)相構(gòu)成偶發(fā)相）。通信調(diào)度順序如圖3所示。

圖3 通信調(diào)度順序[1]

3 EB-TCN網(wǎng)絡(luò)正常情況下的實(shí)時(shí)性分析

EB-TCN網(wǎng)絡(luò)是硬實(shí)時(shí)系統(tǒng)，在數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中，報(bào)文帶有明確的時(shí)間限制，這些時(shí)間限制必須滿足，否則任務(wù)未能及時(shí)完成將導(dǎo)致災(zāi)難性后果。下面對(duì)EB-TCN網(wǎng)絡(luò)正常工作時(shí)的端對(duì)端延遲進(jìn)行分析。

為了保證交換式以太網(wǎng)的穩(wěn)定性能，使列車(chē)通信網(wǎng)絡(luò)滿足以下2個(gè)條件：

（1）網(wǎng)絡(luò)的全部流量小于交換機(jī)的容量，即：

Scap代表交換機(jī)的處理能力，即每秒內(nèi)能處理的以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀個(gè)數(shù)；Framei代表第i個(gè)列車(chē)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備在每秒內(nèi)能產(chǎn)生的以太網(wǎng)幀個(gè)數(shù)；n代表接入到列車(chē)通信網(wǎng)絡(luò)中，且能參與網(wǎng)絡(luò)通信的列車(chē)設(shè)備。

（2）交換機(jī)到列車(chē)設(shè)備之間鏈路的帶寬足夠大，能處理發(fā)送到這條鏈路上的所有數(shù)據(jù)幀。即：

Sj_cap代表交換機(jī)和列車(chē)設(shè)備j之間鏈路的帶寬；Framei_j代表列車(chē)設(shè)備i在每秒內(nèi)向列車(chē)設(shè)備j發(fā)送的bit個(gè)數(shù)；n代表接入到列車(chē)通信網(wǎng)絡(luò)中，且能參與網(wǎng)絡(luò)通信的列車(chē)設(shè)備。

條件（2）是為了保證每條鏈路的穩(wěn)定性，從而保證整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性。

當(dāng)上述條件都滿足時(shí)，下面對(duì)交換機(jī)內(nèi)部存在排隊(duì)延遲這種一般情況作出分析，網(wǎng)絡(luò)中總的延遲Tdelay為：

Tsource_process代表源列車(chē)設(shè)備對(duì)數(shù)據(jù)的處理延遲；Ttronsmission代表數(shù)據(jù)幀的發(fā)送延遲，其值為數(shù)據(jù)幀的比特?cái)?shù)除以網(wǎng)絡(luò)帶寬；Tpropogation代表電信號(hào)在物理線路上的傳輸延遲，該值與物理線路的長(zhǎng)度有關(guān)，并假定列車(chē)設(shè)備到最近交換機(jī)的電纜長(zhǎng)度是相等的；Tqueue代表交換機(jī)內(nèi)部的排隊(duì)延遲；

Tdestination_process代表目的列車(chē)設(shè)備對(duì)數(shù)據(jù)的處理延遲。

當(dāng)交換機(jī)緩沖區(qū)內(nèi)排隊(duì)的數(shù)據(jù)幀有Nq個(gè)時(shí)，交換機(jī)內(nèi)排隊(duì)的最大延遲Tqueue為：

TIF表示連續(xù)發(fā)送2個(gè)以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀時(shí)，2幀之間的間隔，按照以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)于100BASE-T，其值為96 bit；TF為在緩沖區(qū)內(nèi)排隊(duì)的以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀長(zhǎng)度，由于TCN網(wǎng)絡(luò)上傳輸?shù)闹鲙?、從幀?shù)據(jù)量非常小，這里使用最小的以太網(wǎng)幀，其值為576 bit。

公式（4）的關(guān)鍵是如何確定Nq的值，對(duì)此本文根據(jù)上文所說(shuō)的條件（2）進(jìn)行估計(jì)。因?yàn)樵诹熊?chē)網(wǎng)絡(luò)中最小的輪詢周期為1 ms，當(dāng)有149個(gè)設(shè)備同時(shí)向同一目標(biāo)設(shè)備發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，將產(chǎn)生 100.1 Mb/s，即：（（576+96）bit/frame×1 000frame/s×149）Mb/s，這個(gè)數(shù)值要大于鏈路帶寬100 Mb/s，因此在交換機(jī)內(nèi)排隊(duì)的最大允許個(gè)數(shù)為148個(gè)數(shù)據(jù)幀，則：

為了檢查是否滿足條件（1），本文計(jì)算了148個(gè)設(shè)備在單位時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀數(shù)，每個(gè)設(shè)備每秒產(chǎn)生1 000個(gè)以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀，那每秒內(nèi)總計(jì)產(chǎn)生148 000個(gè)以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀，這個(gè)以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀產(chǎn)生速率要遠(yuǎn)小于通用以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀處理速率，例如，平時(shí)一般使用的桌面快速交換機(jī)，其背板帶寬為8.8 Gb/s，最大數(shù)據(jù)吞吐率為4.4 Gb/s。

通過(guò)分析表明，交換式以太網(wǎng)應(yīng)用到實(shí)時(shí)性較強(qiáng)的領(lǐng)域是可能的。本文提出的實(shí)時(shí)虛擬層能從理論上保證交換機(jī)內(nèi)沒(méi)有排隊(duì)延遲，即Tqueue=0，保證EB-TCN網(wǎng)絡(luò)能滿足列車(chē)通信網(wǎng)絡(luò)在實(shí)時(shí)性、確定性方面需求。

4 EB-TCN網(wǎng)絡(luò)最壞情況下的實(shí)時(shí)性分析

EB-TCN網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸?shù)淖顗那闆r是指車(chē)輛控制層或骨干層中所有設(shè)備同時(shí)向網(wǎng)絡(luò)發(fā)送數(shù)據(jù)，這時(shí)會(huì)在交換機(jī)中產(chǎn)生排隊(duì)延遲。EB-TCN網(wǎng)絡(luò)由于在實(shí)時(shí)虛擬層中采用了集中式主從調(diào)度方式，這種最壞情況在網(wǎng)絡(luò)正常運(yùn)行下是不會(huì)出現(xiàn)的，但是當(dāng)實(shí)時(shí)虛擬層中的實(shí)時(shí)調(diào)度不能起到應(yīng)有作用時(shí)，有一定幾率會(huì)產(chǎn)生這種最壞情況，因此有必要對(duì)最壞情況下的EB-TCN網(wǎng)絡(luò)延遲進(jìn)行分析，判斷EB-TCN網(wǎng)絡(luò)在最壞情況下的通信延遲能否滿足現(xiàn)有TCN網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)性要求。

下面將運(yùn)用網(wǎng)絡(luò)演算對(duì)EB-TCN網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行最壞情況下的延遲分析。

交換機(jī)提供給第i個(gè)數(shù)據(jù)流的服務(wù)曲線為[2]：

因?yàn)椋?/p>

βi(θ)=A(θ)_αi（聚合數(shù)據(jù)流中除第 i個(gè)數(shù)據(jù)流外的其他數(shù)據(jù)六在0時(shí)刻的積壓數(shù)據(jù)）

所以可得：

代入公式（6）中可得：

從公式（8）可得交換機(jī)提供給第i個(gè)數(shù)據(jù)流的服務(wù)速率和服務(wù)時(shí)延參數(shù)分別為：

考慮到交換機(jī)采用存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)方式時(shí)，只有完全接受到整個(gè)數(shù)據(jù)幀后才能對(duì)其進(jìn)行處理，相當(dāng)于在服務(wù)節(jié)點(diǎn)的輸出端加入了一個(gè)數(shù)據(jù)打包器。數(shù)據(jù)打包使服務(wù)時(shí)延增加一個(gè)數(shù)據(jù)幀的傳輸時(shí)間，所以車(chē)輛控制層時(shí)延上界為：

其中：Cmar為第i個(gè)數(shù)據(jù)流的最大幀長(zhǎng)。

在計(jì)算骨干層的數(shù)據(jù)延遲時(shí)，當(dāng)Vehicle1與Vehicle8中的控制單元相互傳遞數(shù)據(jù)時(shí)，骨干網(wǎng)層中存在最大的傳輸延遲。

CRH1型動(dòng)車(chē)組平均一節(jié)車(chē)輛的長(zhǎng)度為26 m，每節(jié)車(chē)輛的電纜長(zhǎng)度大約為車(chē)輛長(zhǎng)度的150%，為39 m，傳輸時(shí)延為。所以時(shí)延上界為：

假定交換機(jī)的上行端口速率為100 Mb/s，采用存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)方式。為了簡(jiǎn)化分析，假設(shè)每個(gè)交換機(jī)都關(guān)聯(lián)了m個(gè)負(fù)載子系統(tǒng)，每個(gè)負(fù)載子系統(tǒng)發(fā)送數(shù)據(jù)規(guī)律都相同。對(duì)于車(chē)輛控制層的周期性數(shù)據(jù)，考慮到TCN協(xié)議中MVB總線最小基本周期為1 ms這種極限情況，假定負(fù)載子系統(tǒng)每1 ms發(fā)送一個(gè)最小以太網(wǎng)幀，最小幀長(zhǎng)為84 byte。對(duì)于偶發(fā)性數(shù)據(jù)，假定其平均發(fā)送速率為周期性實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的0.01倍速率。

根據(jù)上述假設(shè)條件可知交換機(jī)關(guān)聯(lián)的第i個(gè)負(fù)載子系統(tǒng)發(fā)送給交換機(jī)的數(shù)據(jù)流i到達(dá)曲線。

其中，周期性數(shù)據(jù)流的到達(dá)曲線為：

突發(fā)性實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)流的到達(dá)曲線為：

故數(shù)據(jù)流i的聚合到達(dá)曲線為：

4.1 車(chē)輛控制層延遲仿真

由公式（9）（10）（11）（13）得

仿真曲線如圖4所示。

MVB總線在一個(gè)基本周期內(nèi)周期相缺省時(shí)間為650 μs[3]，由圖4的仿真結(jié)果分析可知：當(dāng)網(wǎng)絡(luò)延遲為650 μs時(shí)，EB-TCN網(wǎng)絡(luò)允許48個(gè)列車(chē)設(shè)備同時(shí)發(fā)送過(guò)程數(shù)據(jù)。武廣線對(duì)CRH3-013動(dòng)車(chē)組TCN進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，MVB總線上在周期相內(nèi)輪詢的列車(chē)設(shè)備數(shù)為2.086 5個(gè)，對(duì)比可知車(chē)輛控制層的實(shí)時(shí)性能要優(yōu)于MVB總線。

4.2 骨干層延遲仿真

對(duì)于骨干層的周期性數(shù)據(jù)，考慮到TCN協(xié)議中WTB總線最小基本周期為25 ms這種極限情況，假定負(fù)載子系統(tǒng)每25 ms發(fā)送一個(gè)最小以太網(wǎng)幀，參考WTB總線主幀、從幀結(jié)構(gòu)，確定以太網(wǎng)幀的最小幀長(zhǎng)為172 byte。對(duì)于偶發(fā)性數(shù)據(jù)，假定其平均發(fā)送速率為周期性實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的0.01倍速率。

圖4 車(chē)輛控制層端到端最大延遲仿真結(jié)果

根據(jù)上述假設(shè)條件同樣可知骨干層中交換機(jī)關(guān)聯(lián)的第i個(gè)負(fù)載子系統(tǒng)發(fā)送給交換機(jī)的數(shù)據(jù)流i到達(dá)曲線。

其中，周期性數(shù)據(jù)流的到達(dá)曲線為：

突發(fā)性實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)流的到達(dá)曲線為：

故數(shù)據(jù)流i的聚合到達(dá)曲線為：

由（9）（10）（12）（14）得

仿真曲線如圖5所示。

TCN網(wǎng)絡(luò)中WTB總線的周期相默認(rèn)為15 ms[3]，由圖5的仿真結(jié)果分析可知：當(dāng)網(wǎng)絡(luò)延遲為15 ms時(shí)，EB-TCN網(wǎng)絡(luò)允許69個(gè)列車(chē)設(shè)備同時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù)，此實(shí)時(shí)性能要遠(yuǎn)優(yōu)于WTB總線。

通過(guò)分析可知，當(dāng)EB-TCN網(wǎng)絡(luò)的通信調(diào)度機(jī)制失效時(shí)，車(chē)輛控制層和骨干層的實(shí)時(shí)性能也能滿足TCN網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)傳輸需求。

圖5 骨干網(wǎng)端到端最大延遲仿真結(jié)果

5 結(jié)束語(yǔ)

基于交換式以太網(wǎng)的列車(chē)通信網(wǎng)絡(luò)（EBTCN）在實(shí)時(shí)性、確定性方面能滿足列車(chē)網(wǎng)絡(luò)需求，能夠成為T(mén)CN的替代方案。下一步將搭建實(shí)物測(cè)試平臺(tái)對(duì)EB-TCN網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)性能進(jìn)行進(jìn)一步研究。

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[2]劉澤華，劉立祥，王大鵬，羅 郁.列車(chē)通信網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧的實(shí)時(shí)性研究[J].計(jì)算機(jī)工程與設(shè)計(jì)，2011，32（3）.