基于OPNET的MVB網絡模型

王 瑩, 胡黃水, 鄭 曼, 趙思遠, 王 博

(1.長春工業(yè)大學 計算機科學與工程學院， 吉林 長春 130012；2.長春客車股份有限公司， 吉林 長春 130012)

基于OPNET的MVB網絡模型

王 瑩1, 胡黃水1, 鄭 曼1, 趙思遠1, 王 博2

(1.長春工業(yè)大學 計算機科學與工程學院， 吉林 長春 130012；2.長春客車股份有限公司， 吉林 長春 130012)

在OPNET仿真環(huán)境下，搭建了MVB三層構架的網絡模型.并對多功能車輛總線通信網絡的網絡時延進行仿真,預測軌道車輛通信網絡過程中存在的問題。

軌道車輛； 可靠性； 實時性； MVB

0 引 言

列車通信網絡是面向控制的一種連接車載設備的數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)[1]。為了控制節(jié)點提供穩(wěn)定、可靠的通信服務，形成了基于網絡的列車控制系統(tǒng)，即列車網絡控制系統(tǒng)[2]?，F(xiàn)有國內外主流列車網絡控制系統(tǒng)采用的通信網絡主要包括MVB、ARCNET、WordFIP、LonWorks和CAN等，而MVB作為IEC61375國際標準列車通信網絡[3]之一，因其結構簡單，應用廣泛，實時性、安全性和可靠性高而成為研究熱點。

針對列車通信網絡，國內外學者已采用了多種網絡仿真建模方法。文獻[4]基于UML建立傳輸總線模型對網絡系統(tǒng)性能進行分析；文獻[5]基于TCN網絡對CRH3型動車組網絡控制系統(tǒng)進行半實物仿真，實現(xiàn)了消息數(shù)據(jù)、過程數(shù)據(jù)等數(shù)據(jù)通信；文獻[6]對MVB主節(jié)點的傳輸協(xié)議模型進行分析研究；文獻[7]基于TCPN建立絞式列車總線模型等。但大多數(shù)文獻都集中在周期數(shù)據(jù)的分析，很少有文獻建立MVB的完整通信模型。

基于此，建立了基于OPNET Modeler下的 MVB總線通信網絡仿真模型,實現(xiàn)了MVB多功能車輛總線信息交互的運行過程。該模型仿真模擬了多功能車輛總線采用周期性預分配介質的主從控制方式[8]、過程數(shù)據(jù)輪詢[9]和事件仲裁[10]等過程。針對多功能車輛總線通信網絡的網絡時延的仿真結果，為實際軌道車輛網絡系統(tǒng)的設計和建設[11-12]提供重要的參考價值。

1 多功能車輛總線模型

MVB網絡通信方式采用周期性預分配介質的主從控制方式。介質訪問采用集中控制來減少對總線的碰撞，由單一的總線主設備來控制,一個時間段內有且只有一個總線主設備對整個網絡進行集中管理?？偩€主設備按照預定的順序對端口進行周期性輪詢，是唯一能發(fā)送主幀的設備，確認主設備后其他設備都作為從設備，從設備發(fā)送響應主幀的從幀。一次輪詢結束后,總線主設備可以通過功能碼設置進行主權的轉移。

1.1 網絡模型

基于OPNET Modeler模擬軌道車輛的MVB區(qū)段內通信網絡模型，其網絡拓撲結構模型如圖1所示。

網絡模型主要包括：1個MVB網絡總線管理器(Bus_Administrator)和7個從設備節(jié)點(node_0～node_6)，總線管理器及所有從設備節(jié)點均連接到MVB總線上進行數(shù)據(jù)通信。根據(jù)IEC國際標準，拓撲中定義了幾個主要的信道參數(shù)，輸入由.txt文件來描述、MVB網絡傳輸速率、傳播延遲以及誤比特率。

圖1 網絡拓撲結構

1.2 節(jié)點模型

根據(jù)主從設備不同的數(shù)據(jù)通信方式，節(jié)點模型有總線管理器和設備節(jié)點兩種。對照OSI模型的應用層、數(shù)據(jù)鏈路層、物理層，該節(jié)點模型中每個節(jié)點都應該包括應用層、MAC接口層、MAC層和兩組總線收發(fā)信機?？偩€管理器(即主設備節(jié)點)負責發(fā)送主幀對各端口地址進行輪詢和控制時序；從設備節(jié)點則實現(xiàn)數(shù)據(jù)的響應，根據(jù)端口地址的源宿差別進行所需的響應。主設備節(jié)點以源尋址廣播方式發(fā)送主幀后，總線所有的從設備邏輯端口都接收這個主幀并進行譯碼，從設備節(jié)點的源端口判斷發(fā)出主幀中的端口地址是否與自己的相同，如果相同則發(fā)送一個從幀來響應該主幀，發(fā)出的從幀也會被所有設備接收，同樣判斷端口地址匹配后，從設備節(jié)點的宿端口響應并接收該從幀。

總線設備節(jié)點模型如圖2所示。

(a) 主設備 (b) 從設備

圖2(a)主要包括 input_output、mac_interface、mac、 bus_tx0、bus_rx0、bus_rx1、bus_tx1、config 7個對象模型。input_output模塊為主設備節(jié)點模型的應用層，按照泊松分布發(fā)送主幀對各端口地址進行輪詢。mac_interface模塊負責對收到的數(shù)據(jù)包進行判斷處理，協(xié)調數(shù)據(jù)包在應用層與mac之間的轉移。mac模塊實現(xiàn)對報文的封裝、解封和收發(fā)，同時有碰撞檢測處理機制。bus_tx0、bus_tx1模塊為總線發(fā)信機，bus_rv0、bus_rv1 模塊為總線收信機，這兩組收發(fā)機模擬了MVB中兩個獨立的互為冗余的雙絞傳輸線，config模塊用于配置端到端業(yè)務。

圖 2(b)也主要包括 input_output、mac_interface、mvb_mac、 bus_tx0、bus_rx0、bus_rx1、bus_tx1、config 7個對象模型。input_output模塊為從設備節(jié)點模型的應用層，接收主設備節(jié)點發(fā)送的主幀，根據(jù)源宿差別處理數(shù)據(jù)，若端口地址不匹配，則銷毀接收的數(shù)據(jù)節(jié)約內存。其他模塊均與主設備節(jié)點模塊相同功能。

1.3 進程模型

根據(jù)各節(jié)點模塊的不同功能，進程模型采用事件發(fā)生來模擬節(jié)點模型中各對象模塊通信的各種狀態(tài)。

主設備節(jié)點的input_output模塊的進程模塊主要實現(xiàn)周期輪詢、事件巡回、設備掃描。該進程模塊的狀態(tài)轉移如圖3所示。

圖3 主設備節(jié)點進程模塊的狀態(tài)轉移

“init”狀態(tài)對MVB設備進行初始化，設置總線管理器參數(shù)，定義設備表與周期掃描表等硬件信息?！皐ait”狀態(tài)等待輸入流中斷后進入周期輪詢。進入“period_polling”狀態(tài)后，根據(jù)預定的周期輪詢表執(zhí)行周期數(shù)據(jù)輪詢的發(fā)送。按照實時協(xié)議，偶發(fā)相的時間為基本周期的35%。當周期性數(shù)據(jù)輪詢過程結束后，判斷該基本周期剩下的時間是否滿足偶發(fā)相時間的要求。此時主設備將發(fā)送一個一般事件請求幀進行事件巡回，即跳入“event”狀態(tài)，進入偶發(fā)相，傳送監(jiān)視數(shù)據(jù)和消息數(shù)據(jù)。該請求幀確定這是否是一個新的事件巡回，要求應答和此巡回的事件優(yōu)先級，對所有設備進行尋址。事件請求響應后，產生自中斷進入“judge”狀態(tài)。對事件巡回的響應會發(fā)生寂靜、正確、碰撞三種狀態(tài)。當所有設備沒有事件報告時，主設備將不會收到任何幀，即跳入“silent”狀態(tài)。當主設備收到一個正確的16位從幀時，表示只有一個設備報告事件，即進入“right”狀態(tài)。當有多個設備同時報告事件時，則進入“contention”狀態(tài)，進行下一步的仲裁。在“arbitration”狀態(tài)中，主設備發(fā)送一個F_code=13的組事件請求幀將設備地址分為奇數(shù)及偶數(shù)，直到為單一事件，然后再搜索掛起的其他單一事件。

mvb_mac模塊的進程模塊主要負責分配信道資源、檢測和處理碰撞。該進程模塊的狀態(tài)轉移如圖4所示。

當幀到達時，跳入“prog”狀態(tài)。在該狀態(tài)中，根據(jù)讀取幀的功能碼和端口地址，創(chuàng)建相應的從幀，將包緩存到隊列中。功能碼0～4的主幀為過程數(shù)據(jù)請求，12位邏輯地址部分則標識了從設備用于回應過程數(shù)據(jù)從幀。功能碼為12的主幀為消息數(shù)據(jù)請求，請求的12位物理地址則指定設備發(fā)送消息數(shù)據(jù)，功能碼8、9、13、14、15的主幀為監(jiān)視數(shù)據(jù)請求，功能碼為8，則實現(xiàn)主權轉移請求，功能碼為15則讀取設備狀態(tài)，功能碼為9、13和14則用于查詢和仲裁。然后判斷隊列情況，如果包到達且隊列為空，則跳轉到“tx”狀態(tài)，進行發(fā)送處理。如果包到達且隊列忙，則跳轉到“proc”狀態(tài)，該狀態(tài)中設有一個T_reply參數(shù)，它告訴主設備在遭遇碰撞時應在等待多長時間之后發(fā)送下一主幀。

圖4 mvb_mac進程模塊的狀態(tài)轉移

2 仿真實驗

假設一條MVB總線，基本周期大小為1 ms，電氣長度為2.0 km，含有2個中繼器。MVB采用雙絞線、光纖等作為介質，節(jié)點間距離小，鏈路時延非常小，可以忽略不計。在仿真過程中，數(shù)據(jù)傳輸時延T(ms)的實驗結果如圖5所示。

圖5 MVB網絡實時性

從圖中可以看出，全部仿真過程中，傳輸時延大概在3.4 ms附近波動，該數(shù)值小于主幀與相應的從幀時間間隔4 ms。仿真過程中顯示出最大數(shù)據(jù)傳輸時延為27 ms，也小于列車控制過程中的響應時間要求100 ms。基于以上分析，文中所構建的基于OPNET的MVB通信網絡模型滿足列車控制的實時性要求。

3 結 語

采用OPNET構建了網絡、節(jié)點、進程三層構架的MVB網絡拓撲模型，并對所建立的MVB網絡模型的實時性進行了仿真分析，結果表明了所建立的MVB網絡模型的可行性，且顯示了網絡控制系統(tǒng)在OPNET平臺下仿真的實踐性和可靠性。通過構建任意網絡規(guī)模、任意網絡拓撲結構的MVB網絡，極大簡化了建模過程，為MVB網絡應用及其理論研究提供基礎平臺，縮短了研發(fā)周期，為實際軌道車輛通信網絡提供了基礎依據(jù)，為更好地改進優(yōu)化網絡設計提供了重要依據(jù)。

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MVBnetworkmodelbasedonOPNET

WANG Ying1, HU Huangshui1, ZHENG Man1, ZHAO Siyuan1, WANG Bo2

(1.School of Computer Science and Engineering, Changchun University of Technology, Changchun 130012， China;2.CRRC Changchun Railway Vehicles Co., Ltd., Changchun 130012)

With OPNET software, athree-layer MVBnetwork model is built to simulate network delay of a multifunctional rail vehicle bus-communication network, and predict the problems in the communication between the rail vehicles.

railway vehicle； reliability； real-time； MVB.

2017-07-25

吉林省科技廳科技攻關計劃基金資助項目(20140204037GX, 20150204073GX); 吉林省發(fā)展與改革委員會經濟結構戰(zhàn)略調整引導專項基金資助項目(2014Y125)

王 瑩(1993-)，女，漢族，湖北天門人，長春工業(yè)大學碩士研究生，主要從事列車通信網絡方向研究,E-mail:164042798@qq.com. *通訊作者：胡黃水(1974-)，男，漢族，湖南隆回人，長春工業(yè)大學副教授，博士，主要從事列車通信網絡方向研究,E-mail:huhs@163.com.

10.15923/j.cnki.cn22-1382/t.2017.5.05

U 285.5

A

1674-1374(2017)05-0438-04