列車車載網(wǎng)絡(luò)信息傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性研究

李鄴++陳小波

摘 要：鐵路技術(shù)日趨智能化與信息化，對(duì)于車載網(wǎng)絡(luò)的速度與實(shí)時(shí)性要求越來(lái)越高，以太網(wǎng)技術(shù)作為一種得到廣泛應(yīng)用的網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，將其應(yīng)用到車載網(wǎng)絡(luò)中是必然趨勢(shì)，鑒于以太網(wǎng)自身的缺陷，以及車載信息傳輸實(shí)時(shí)性要求，對(duì)以太網(wǎng)在車載網(wǎng)絡(luò)信息傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性進(jìn)行研究十分重要。

關(guān)鍵詞：通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)；實(shí)時(shí)性；列車通信網(wǎng)絡(luò)

中圖分類號(hào)：TP273 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2017）29-0037-02

1 當(dāng)前車載網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)狀

當(dāng)前所述的車載網(wǎng)絡(luò)大多單指列車控制網(wǎng)絡(luò)，列車上的控制系統(tǒng)通過(guò)各種總線技術(shù)將分布在全列車上的計(jì)算機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)或完成特定功能的硬件設(shè)備互連起來(lái)，列車通信網(wǎng)絡(luò)就是運(yùn)用于其中進(jìn)行信息交換的數(shù)據(jù)通信平臺(tái)。與一般的信息通信網(wǎng)絡(luò)相比，列車通信網(wǎng)絡(luò)本質(zhì)上是一種工業(yè)控制局域網(wǎng)，是一種典型的實(shí)時(shí)分布式控制網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。列車通信網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)性非常重要，它直接影響著整個(gè)列車控制系統(tǒng)的性能。

2 以太網(wǎng)技術(shù)在車載網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用

隨著以太網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，以太網(wǎng)在列車車載網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用也越來(lái)越廣泛，比如車載視頻監(jiān)控系統(tǒng)，車載的媒體點(diǎn)播服務(wù)，車載無(wú)線熱點(diǎn)等等，隨著業(yè)務(wù)的融合，車載控制網(wǎng)跟其他網(wǎng)絡(luò)服務(wù)都融合到基于以太網(wǎng)的一張網(wǎng)，在這張網(wǎng)上，業(yè)務(wù)龐雜，各種業(yè)務(wù)的實(shí)時(shí)性需求也不一樣，對(duì)帶寬的要求也不一樣，關(guān)鍵的控制信息的實(shí)時(shí)性對(duì)于列車安全平穩(wěn)運(yùn)行至關(guān)重要。

3 工業(yè)控制中使用以太網(wǎng)時(shí)要考慮的實(shí)時(shí)性問(wèn)題

在工業(yè)系統(tǒng)中使用時(shí)，以太網(wǎng)有實(shí)時(shí)性的問(wèn)題需要特別關(guān)心，這主要是由以太網(wǎng)的基礎(chǔ)技術(shù)——帶碰撞檢測(cè)的載波偵聽(tīng)多路訪問(wèn)協(xié)議（CSMA/CD）——所決定的，這一機(jī)制與工控行業(yè)所要求的確定性與實(shí)時(shí)性有不少的距離。

工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)要求網(wǎng)絡(luò)上的所有用戶都不會(huì)由于負(fù)載等原因得不到發(fā)送數(shù)據(jù)的機(jī)會(huì)，每個(gè)用戶都會(huì)有均等或者一定優(yōu)先級(jí)的機(jī)會(huì)來(lái)發(fā)送數(shù)據(jù)，發(fā)送出去的數(shù)據(jù)能在可預(yù)期的時(shí)間內(nèi)到達(dá)，既不會(huì)丟失，也不會(huì)發(fā)不出去。以太網(wǎng)上的CSMA/CD機(jī)制，實(shí)際上是網(wǎng)絡(luò)上的各個(gè)用戶通過(guò)競(jìng)爭(zhēng)來(lái)獲取網(wǎng)絡(luò)的控制權(quán)，用戶無(wú)法確定自己能競(jìng)爭(zhēng)到使用權(quán)，也無(wú)法保證自己能在指定的時(shí)間內(nèi)競(jìng)爭(zhēng)到使用權(quán)，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(quán)，也要監(jiān)聽(tīng)是否發(fā)生信息碰撞，當(dāng)信息發(fā)生碰撞的話，則還需要重新發(fā)送信息，當(dāng)某個(gè)用戶發(fā)生故障而長(zhǎng)期占據(jù)使用權(quán)時(shí)，也無(wú)法及時(shí)將其控制權(quán)剝奪，網(wǎng)絡(luò)上的信息也沒(méi)有有效的方法來(lái)區(qū)分實(shí)時(shí)信息與非實(shí)時(shí)信息，總而言之，確定性與實(shí)時(shí)性都不能得到有效保證。

4 以太網(wǎng)技術(shù)在實(shí)時(shí)性方面的努力

如何避免沖突，一個(gè)方法是給網(wǎng)絡(luò)上每個(gè)用戶都分配一個(gè)時(shí)隙，每個(gè)用戶在這個(gè)時(shí)隙內(nèi)發(fā)送數(shù)據(jù)，這樣保證了不會(huì)發(fā)生碰撞，每次的消息發(fā)送的延遲也是固定可預(yù)期的。當(dāng)然也還有其他方法，但是這些方法都更改了以太網(wǎng)的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，在保持以太網(wǎng)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)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(wǎng)技術(shù)，采用VLAN技術(shù)，充分利用QoS技術(shù)，使用IPv6等等。

4.1 全雙工交換式以太網(wǎng)技術(shù)

交換機(jī)在以太網(wǎng)中的應(yīng)用大大拓展了以太網(wǎng)的應(yīng)用范圍，一個(gè)交換機(jī)，其各個(gè)端口各自組成一個(gè)獨(dú)立的子網(wǎng)絡(luò)，各子網(wǎng)絡(luò)的沖突域都是獨(dú)立的，這樣整個(gè)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)消息發(fā)送的沖突就大大減少，一個(gè)子網(wǎng)內(nèi)發(fā)送數(shù)據(jù)的用戶就無(wú)需等待另一個(gè)子網(wǎng)的用戶發(fā)送完數(shù)據(jù)。端口之間的數(shù)據(jù)輸入和輸出不再競(jìng)爭(zhēng)同一個(gè)底層物理介質(zhì)。

在半雙工的工作方式下，用戶設(shè)備的端口有交換機(jī)的端口屬于同一沖突域，不能同時(shí)接受與發(fā)送，當(dāng)交換機(jī)端口側(cè)有數(shù)據(jù)發(fā)送過(guò)來(lái)時(shí)，用戶設(shè)備就不能往交換機(jī)端口發(fā)送數(shù)據(jù)，需要等待交換機(jī)端口數(shù)據(jù)接收完成，盡管在交換機(jī)端口分割沖突域的情況下，這種狀況發(fā)生的概率已經(jīng)降低，但仍然降低了網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)性和確定性。相較于半雙工的以太網(wǎng)，全雙工通信可以同時(shí)接收數(shù)據(jù)和發(fā)送數(shù)據(jù)，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(shù)據(jù)傳輸占用網(wǎng)絡(luò)的時(shí)間間隔更短，發(fā)生沖突的概率越低，網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)性也更好。

4.2 虛擬局域網(wǎng)（VLAN）

交換技術(shù)的發(fā)展，交換機(jī)的出現(xiàn)，使得沖突域的大小得到限制，答案是廣播域的問(wèn)題還是存在，特別是廣播風(fēng)暴可能會(huì)拖垮整個(gè)網(wǎng)絡(luò)，虛擬局域網(wǎng)可對(duì)廣播域進(jìn)行劃分，從而更加合理的使用帶框，增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)。從另一個(gè)方面來(lái)說(shuō)，VLAN是從安全性來(lái)考慮的，對(duì)于工業(yè)控制來(lái)說(shuō)，控制數(shù)據(jù)與普通數(shù)據(jù)的安全性跟實(shí)時(shí)性上都有較大區(qū)別，通過(guò)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(shè)備劃分到同一個(gè)VLAN中統(tǒng)一管理。

4.3 QoS

當(dāng)網(wǎng)絡(luò)擁塞時(shí)，所有的報(bào)文都有可能丟失；不同的用戶對(duì)于服務(wù)質(zhì)量有不同的要求，這需要能根據(jù)用戶需求來(lái)分配資源，對(duì)不同的報(bào)文提供不同的保證：實(shí)時(shí)性強(qiáng)且重要的報(bào)文優(yōu)先處理；實(shí)時(shí)性不強(qiáng)的普通數(shù)據(jù)，提供較低的處理優(yōu)先級(jí)，網(wǎng)絡(luò)擁塞時(shí)甚至丟棄。支持QoS功能的設(shè)備，能夠針對(duì)某種類別的數(shù)據(jù)流，賦予不同的優(yōu)先級(jí)，來(lái)標(biāo)識(shí)重要性，并使用設(shè)備所提供的各種優(yōu)先級(jí)轉(zhuǎn)發(fā)策略、擁塞避免等機(jī)制為這些數(shù)據(jù)流提供特殊的傳輸服務(wù)。在工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)中使用QoS技術(shù)，可以為重要的控制數(shù)據(jù)提供一種相對(duì)更好的實(shí)時(shí)保障，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)過(guò)載時(shí)，重要數(shù)據(jù)不會(huì)被先延遲或者丟棄。

4.4 IPv6

IPv6對(duì)于QoS有更好的支持，可以方便的設(shè)置報(bào)文的優(yōu)先級(jí)，IPv6還可對(duì)數(shù)據(jù)報(bào)文設(shè)置流標(biāo)記，通過(guò)打上流標(biāo)記，標(biāo)識(shí)過(guò)同一個(gè)流的報(bào)文都通過(guò)同一個(gè)路徑進(jìn)行傳輸，這樣沿途的交換機(jī)在進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)處理的時(shí)候可以進(jìn)行得更快，傳輸?shù)乃俣雀鷮?shí)時(shí)性都能得到更好提升。另外IPv6協(xié)議中沒(méi)有廣播，這樣大量廣播報(bào)文占據(jù)的帶寬被釋放出來(lái)，實(shí)時(shí)性能得到提升。

5 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)綜合使用全雙工交換式以太網(wǎng)技術(shù)，虛擬局域網(wǎng)技術(shù)，QoS技術(shù)，采用IPv6技術(shù)，以太網(wǎng)的實(shí)時(shí)性能得到大幅提升，可靠性也有極大改善。如此一來(lái)，以太網(wǎng)作為列車的車載信息網(wǎng)絡(luò)已能滿足各種業(yè)務(wù)的需求，在當(dāng)前業(yè)務(wù)融合的迫切需求下，恰逢其時(shí)。

參考文獻(xiàn)：

[1]劉澤華.列車通信網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)調(diào)度技術(shù)研究[D].北京：中國(guó)科學(xué)院研究生院，2011.

[2]繆學(xué)勤.實(shí)時(shí)以太網(wǎng)技術(shù)最新進(jìn)展[J].電氣時(shí)代，2005（06）.

[3]張雷.工業(yè)以太網(wǎng)拓?fù)湓O(shè)計(jì)與優(yōu)化研究[D].浙江大學(xué)，2012.

[4]陳本源.基于交換式以太網(wǎng)的實(shí)時(shí)工業(yè)通信相關(guān)理論與技術(shù)研究[D].武漢理工大學(xué)，2010.endprint