路由以太網(wǎng)列車通信網(wǎng)絡(luò)分析

郭嫚嫚， 王宏志， 王 豪， 胡黃水

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

0 引 言

隨著我國高速鐵路的快速進(jìn)步以及軌道交通的迅猛發(fā)展，列車正在向穩(wěn)定、舒適、高效率方向發(fā)展，因此需要列車在通信網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)傳輸量更大，數(shù)據(jù)類型更加廣泛，可靠性更高，安全性更穩(wěn)定，實(shí)時(shí)性更強(qiáng)。目前，市場(chǎng)上存在的基于現(xiàn)場(chǎng)總線的列車網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)[1]，如CAN、WorldFIP、TCN、LonWorks、ARCNET等已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于各種各樣的列車網(wǎng)絡(luò)中。但是，這些通信網(wǎng)絡(luò)的鏈路傳輸速率低，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)過于簡(jiǎn)潔，網(wǎng)絡(luò)延時(shí)長(zhǎng)，吞吐量有限，使得它們終將被性能更好的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)代替，新的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)實(shí)時(shí)性能要求更高，鏈路傳播速率更快。以太網(wǎng)技術(shù)的出現(xiàn)，從根本上彌補(bǔ)了傳統(tǒng)列車通信網(wǎng)絡(luò)的不足之處。

工業(yè)以太網(wǎng)是一種新型局域網(wǎng)技術(shù)[2]，能夠從理論上擔(dān)負(fù)起列車大量數(shù)據(jù)傳輸?shù)娜蝿?wù)，但是為了保證列車的安全性，必須對(duì)以太網(wǎng)的性能指標(biāo)進(jìn)行改進(jìn)提升，以滿足列車在行駛過程中的高實(shí)時(shí)性、可靠性、安全性。截至目前，工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)在列車通信網(wǎng)絡(luò)方面已取得很大進(jìn)步:文獻(xiàn)[3]提出了一種綜合分級(jí)的調(diào)度機(jī)制，對(duì)優(yōu)先級(jí)低的數(shù)據(jù)采取先進(jìn)先出方法，對(duì)優(yōu)先級(jí)高的數(shù)據(jù)采取綜合調(diào)度方法，有效地降低了列車通信網(wǎng)絡(luò)的端到端時(shí)延，實(shí)現(xiàn)了動(dòng)態(tài)調(diào)度，但是這種方法使得系統(tǒng)的開銷增大，當(dāng)負(fù)載加大時(shí)，需要再度加強(qiáng)系統(tǒng)性能;文獻(xiàn)[4]實(shí)現(xiàn)了以太網(wǎng)在地鐵列車上骨干網(wǎng)和編組網(wǎng)的多網(wǎng)融合，對(duì)以太網(wǎng)協(xié)議進(jìn)行了修改，通過OPNET仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，成功降低了系統(tǒng)的端到端時(shí)延;文獻(xiàn)[5]實(shí)現(xiàn)了對(duì)實(shí)時(shí)周期數(shù)據(jù)的調(diào)度優(yōu)化，在已經(jīng)提升系統(tǒng)實(shí)時(shí)性、可靠性的基礎(chǔ)上，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)負(fù)載較高時(shí)，提出了一種基于負(fù)載均衡的調(diào)度優(yōu)化方法，增強(qiáng)了整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的控制性能。但是沒有考慮實(shí)時(shí)周期數(shù)據(jù)和非實(shí)時(shí)周期數(shù)據(jù)的調(diào)度情況，易導(dǎo)致帶寬長(zhǎng)期被實(shí)時(shí)周期占據(jù)，其余數(shù)據(jù)無法準(zhǔn)確按時(shí)傳輸;文獻(xiàn)[6]以交換機(jī)在列車網(wǎng)絡(luò)傳輸過程中的時(shí)延分析為基礎(chǔ)，比較了不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)下的傳輸時(shí)延和鏈路負(fù)載，得出在鏈路冗余的封閉環(huán)網(wǎng)中，此時(shí)網(wǎng)絡(luò)性能最佳。

文中在此網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)下，在鏈路冗余的封閉環(huán)網(wǎng)中增加了路由，并通過比較不同車廂之間路由位置對(duì)列車吞吐量、鏈路負(fù)載、網(wǎng)絡(luò)延時(shí)的影響，得出路由在MC1和MH1之間時(shí)，列車網(wǎng)絡(luò)性能最優(yōu)。

1 基于路由位置的以太列車通信網(wǎng)絡(luò)

1.1 網(wǎng)絡(luò)時(shí)延分析

在網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中，只要使用網(wǎng)絡(luò)就一定會(huì)產(chǎn)生網(wǎng)絡(luò)的延時(shí)，即在網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)傳輸過程存在時(shí)延現(xiàn)象，又稱網(wǎng)絡(luò)誘導(dǎo)時(shí)延[7]。其通常受多種因素影響，如網(wǎng)絡(luò)使用的相關(guān)協(xié)議、鏈路負(fù)載、節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)幀傳輸是否丟失以及拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)等。

系統(tǒng)的數(shù)據(jù)幀端到端時(shí)延通常由如下數(shù)據(jù)產(chǎn)生：

tdelay=tsource+ttransmit+tswitch+tdestination=

(1)

式中：tdelay----到達(dá)目的終端系統(tǒng)之前所有數(shù)據(jù)流總的延時(shí)。

1)tsource指交換機(jī)中的時(shí)延，也稱作源節(jié)點(diǎn)時(shí)延[8]，它主要是有數(shù)據(jù)在源節(jié)點(diǎn)的協(xié)議棧中的處理時(shí)延，加上當(dāng)數(shù)據(jù)累積過多時(shí)，在MAC層中的緩沖區(qū)排隊(duì)等待的時(shí)間，以及幀在發(fā)送時(shí)產(chǎn)生的時(shí)延組成。

2)ttransmit指數(shù)據(jù)傳輸過程中產(chǎn)生的鏈路時(shí)延，是特定網(wǎng)絡(luò)中的配置常數(shù)，其影響因素可以是鏈路的帶寬大小、傳輸速率、在通信過程中由于信號(hào)不穩(wěn)定等因素造成的傳輸噪聲，以及鏈路狀態(tài)路由產(chǎn)生的時(shí)延。

3)tswitch是由交換機(jī)造成的延時(shí)，它的延時(shí)主要由在交換機(jī)中的基本時(shí)延、緩沖區(qū)排隊(duì)等待時(shí)延和發(fā)送時(shí)延三個(gè)部分構(gòu)成。

4)tdestination指在目的端系統(tǒng)中的延時(shí)，其中每個(gè)幀的到達(dá)都需要通過完整性檢查和冗余管理才能發(fā)送。

文中主要是在傳輸時(shí)延的鏈路上進(jìn)行優(yōu)化，在鏈路冗余的封閉環(huán)網(wǎng)中增加了一個(gè)路由，并通過比較不同位置下的鏈路負(fù)載、吞吐量、網(wǎng)絡(luò)延時(shí)的參數(shù)，得出一個(gè)最優(yōu)位置。將每個(gè)列車車廂內(nèi)加入一臺(tái)交換機(jī)，并分別為它們命名為MC1，MH1，MH2，MH3，MH4，MC2。其中，MC2交換機(jī)與主機(jī)相連。其加入路由后的網(wǎng)絡(luò)模型如圖1所示。

圖1 添加路由的鏈路冗余封閉環(huán)網(wǎng)

其余情況下則是將路由分別放在車廂MC1和MH1之間，車廂MH1和MH2之間，車廂MH2和MH3之間，車廂MH3和MH4之間，車廂MH4和MC2之間。采用地鐵列車最常見的2拖4結(jié)構(gòu)，不同位置路由的網(wǎng)絡(luò)模型分別如圖2～圖6所示。

圖2 MC1和MH1之間的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/p>

圖3 MH1和MH2之間的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/p>

圖4 MH2和MH3之間的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/p>

圖5 MH3和MH4之間的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/p>

圖6 MH4和MC2之間的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/p>

1.2 路由算法模型

首先介紹網(wǎng)絡(luò)模型,然后在該模型基礎(chǔ)上對(duì)問題進(jìn)行詳細(xì)描述[9]。網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)由無向圖G(V,E,X)表示，其中，終端系統(tǒng)和交換機(jī)用V表示，路由用X表示，連接網(wǎng)絡(luò)中頂點(diǎn)的通信鏈路用E表示，則數(shù)據(jù)流F從發(fā)送端s1到接收端sr被描述為

F=[[s1,s2],[s2,s3],…,[sr-1,sr]]。

(2)

由于消息會(huì)預(yù)先存儲(chǔ)在交換機(jī)中等待轉(zhuǎn)發(fā)，所以在相鄰的兩個(gè)交換機(jī)之間的等待時(shí)間要足夠，設(shè)MAX(waitdelay)是單個(gè)躍點(diǎn)最大延遲配置的上限，則由路由X造成的等待時(shí)間的值至少滿足以下條件：

?vl∈VL,?vl∈pi∶?[vx,X][X,vy]∈pi∶

(3)

式中：offset----離線的延遲配置發(fā)送時(shí)間；

f[v1,v2]----在數(shù)據(jù)流鏈接[v1,v2]上傳輸?shù)膸琭i的長(zhǎng)度；

p----由路由造成的幀fi和[X,vy]的數(shù)據(jù)流路徑。

2 仿真分析

基于OPNET網(wǎng)絡(luò)仿真軟件進(jìn)行了實(shí)際地鐵列車網(wǎng)絡(luò)的模擬，以常用的2拖4節(jié)列車為標(biāo)準(zhǔn)。構(gòu)建基于以太網(wǎng)的列車通信網(wǎng)絡(luò)模型[10]，對(duì)比分析了位于不同車廂之間路由的網(wǎng)絡(luò)延時(shí)。其中，因位于各車廂之間路由的延時(shí)、鏈路負(fù)載、吞吐量的值差距十分渺小，幾乎不可見，所以，文中特意將鏈路冗余封閉環(huán)網(wǎng)和增加了路由的網(wǎng)絡(luò)模型進(jìn)行比較，驗(yàn)證增加路由能夠讓網(wǎng)絡(luò)性能增加。

添加了路由的鏈路冗余封閉環(huán)網(wǎng)(深色曲線)和沒有添加路由的原始鏈路冗余封閉環(huán)網(wǎng)(淺色曲線)的以太網(wǎng)吞吐量對(duì)比如圖7所示。

圖7 以太網(wǎng)吞吐量對(duì)比

由圖7可以直觀地看出,添加路由的鏈路冗余封閉環(huán)網(wǎng)的吞吐量約為4 000 bit/s，而沒有添加路由的吞吐量約為3 500 bit/s。仿真結(jié)果表明，添加了路由之后的網(wǎng)絡(luò)性能提升。

添加了路由的鏈路冗余封閉環(huán)網(wǎng)(深色曲線)和沒有添加路由的原始鏈路冗余封閉環(huán)網(wǎng)(淺色曲線)的以太網(wǎng)負(fù)載對(duì)比如圖8所示。

圖8 以太網(wǎng)負(fù)載對(duì)比

由圖8可以看出，在負(fù)載方面，添加了路由的鏈路冗余封閉環(huán)網(wǎng)的負(fù)載約為2 500 bit/s，而沒有添加路由的網(wǎng)絡(luò)負(fù)載約為2 000 bit/s。仿真表明，添加了路由之后的網(wǎng)絡(luò)性能提升。

位于不同位置的路由延時(shí)比較如圖9所示。

圖9 位于不同車廂的路由的網(wǎng)絡(luò)延時(shí)

圖9中最深色表示路由位于車廂MC1和MH1之間，次深色表示路由位于車廂MH1和MH2之間，淺色表示路由位于車廂MH2和MH3之間，次淺色表示路由位于MH3和MH4之間，最淺色表示路由位于車廂MH4和MC2之間。

由圖9可知，當(dāng)路由位于車廂MH1和MH2，MH2和MH3，MH3和MH4，MH4和MC2之間時(shí)，網(wǎng)絡(luò)延時(shí)近乎相等，約為0.009 s，此時(shí)的曲線顯示為淺色線，而路由位于車廂MC1和MH1之間的網(wǎng)絡(luò)延時(shí)約為0.008 s，此時(shí)的曲線顯示為深色。所以，當(dāng)路由位于車廂MC1和MH1之間時(shí)，網(wǎng)絡(luò)延時(shí)最小，此時(shí)網(wǎng)絡(luò)性能最優(yōu)。在網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)性方面都能滿足列車的實(shí)時(shí)性要求，即延時(shí)小于0.04 s。

由圖7～圖9的網(wǎng)絡(luò)性能分析可知，在添加了路由的鏈路冗余封閉環(huán)網(wǎng)和沒有添加路由的鏈路冗余封閉中，對(duì)于吞吐量這一指標(biāo)，具有路由的鏈路冗余封閉環(huán)網(wǎng)明顯優(yōu)于沒有路由的網(wǎng)絡(luò)，吞吐量上下浮動(dòng)平緩，而鏈路冗余封閉環(huán)網(wǎng)在最后25～30 min內(nèi)數(shù)據(jù)量陡然變大。對(duì)于負(fù)載這一指標(biāo)，也可以從圖8中看出，具有路由的網(wǎng)絡(luò)負(fù)載在整個(gè)時(shí)間內(nèi)都比沒有路由的鏈路冗余封閉環(huán)網(wǎng)小。而在圖9中，對(duì)不同位置下的路由網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了網(wǎng)絡(luò)延時(shí)比較，可以看出，當(dāng)路由位于車廂MC1和MH1之間時(shí)，此時(shí)網(wǎng)絡(luò)的延時(shí)指標(biāo)最小，性能最優(yōu)。

3 結(jié) 語

在列車通信網(wǎng)絡(luò)模型中增加了路由，結(jié)合實(shí)際列車排列情況，采用了2拖4列車。將路由引入網(wǎng)絡(luò)模型中，在OPNET仿真軟件上進(jìn)行了以太網(wǎng)延時(shí)、負(fù)載、吞吐量的對(duì)比分析。網(wǎng)絡(luò)負(fù)載提供了總體網(wǎng)絡(luò)是否飽和的判斷數(shù)據(jù)，吞吐量檢測(cè)了以太網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)帶寬[11]。通過分析比較處于不同位置路由的綜合性能，得出當(dāng)鏈路冗余封閉環(huán)網(wǎng)中添加了路由之后，網(wǎng)絡(luò)的吞吐量提升，負(fù)載減少；將路由處于不同位置時(shí)又進(jìn)行了網(wǎng)絡(luò)延時(shí)的比較，當(dāng)路由位于車廂MC1和MH1之間時(shí)，此時(shí)網(wǎng)絡(luò)的延時(shí)指標(biāo)最小，性能最優(yōu)。