基于交换式以太网的TCN设计与实时性能分析

邢 震，贾步超，穆建成，马连川

（1.北京交通大学 轨道交通控制与安全国家重点实验室，北京 100044；2.南车青岛四方机车车辆股份有限公司 技术中心，青岛，266111；

3.铁道部 科学技术司，北京 100844；

4.北京交通大学 电子信息工程学院，北京 100044）

列车通信网络技术已成为现代列车的核心技术之一，动车组及城市轨道车辆无不采用列车通信网络技术来实现车载设备的互联与控制，以确保运行安全。在改善列车带宽方面，交换式以太网技术拥有其他技术无法比拟的优势，但是列车网络作为一种实时系统，必须保证引入交换式以太网后的列车网络在数据传输方面具有良好的实时性、确定性和可靠性。为此，本文提出一种基于交换式以太网的列车通信网络（Ethernet Based-Train Communication Network，EB-TCN）的设计方案。

1 EB-TCN网络详细设计方案

1.1 基于EB-TCN网络拓扑结构

列车通信网络基本结构划分为3层，如图1所示。

图1 列车通信网络结构

第1层是骨干网—列车级控制层（对应于传统TCN的WTB总线），骨干层采用交换式以太网，交换机之间采用级联方式连接，实现列车级控制。首尾2个交换机相连，构成环形网络结构，线路连接上采用冗余的双线方案。

第2层是车辆级控制层（对应于传统TCN的MVB总线），物理介质采用双绞屏蔽线。摒弃传统TCN中的总线型拓扑方式，采用星型拓扑。每个终端系统通过一条唯一的物理通路接入交换机，使得每个终端系统独享一个冲突域，避免了传输路径上的数据冲突，降低了数据传输延时。网关是车辆控制层与骨干层连接的桥梁，同时还要具备操纵、分析数据、识别、配置节点、网络管理等功能。

第3层是设备控制层，连接铁路车辆上的MVB设备。由于EBTCN网络只会改变底层数据传输网络的实现方式，并没有改变TCN中的上层协议，所以EB-TCN网络能很好地应用到现有的车载设备上。

1.2 基于EB-TCN网络通信协议栈

EB-TCN网络设计方案对传统的TCN通信协议栈做了相应改进，如图2所示。

由图2可以看出，修改后的通信协议栈对TCN中的物理层和链路层做了修改，改为交换式以太网层，同时在交换式以太网上加入了网络层、传输层、实时虚拟层、实时协议层和应用层。

交换式以太网层协议完全符合IEEE802.3物理层和数据链路层标准，充分利用COTS以太网软硬件、资源。

在网络层中使用IP协议，传输层中使用 UDP协议。在可靠性方面，EBTCN采用互为冗余的双重网络，能极大地减少因采用UDP协议导致丢包的概率。

为了满足列车通信网络的应用要求，必须在交换式以太网和UDP/IP协议之上，建立完整的、有效的通信服务模型，指定有效的实时通信机制，协调好实时和非实时信息的传输服务。对此在运输层之上设置实时虚拟层，在实时虚拟层中制定了有效的实时通信机制，该通信机制移植了TCN中MAC层的介质访问机制。

在实时虚拟层之上设置符合IEC 61375-1国际标准的实时协议（RTP）层，RTP层完全支持符合IEC 61375-1国际标准的TCN调用。这样能保证在修改底层网络的情况下，仍能使用原先的TCN软件资源。

图2 网络通信协议栈改进前后

应用层采用TCN协议栈中的应用层协议。

2 实时虚拟层

为了确保EB-TCN网络的实时性、确定性，在通信协议栈中引入实时虚拟层，通过实时虚拟层通信调度机制调度底层的以太网资源，该通信调度机制采用TCN网络的集中式主从调度机制，因此车辆控制层、骨干层的通信调度方式如下。

2.1 周期相的数据传输：

（1）以太网管理主（对应TCN的总线主）按照周期扫描表在交换式以太网中广播周期相中第1个主以太网帧（对应TCN的主帧），所有列车设备接收到该主以太网帧后，检查自身是否是被寻址的列车设备，被寻址的列车设备作为目标从设备广播相应的第1个从以太网帧（对应TCN的从帧）；（2）以太网管理主按照周期扫描表广播周期相中的第2个主以太网帧，被寻址的目标从设备广播相应的第2个从以太网帧；（3）依次类推，直到周期扫描表中所有周期相有效数据传输完毕。

2.2 偶发相的数据传输

（1）以太网管理主单播周期扫描表中偶发相的第1个主以太网帧，同样被寻址到的目标从设备单播相应的第1个从以太网帧；（2）以太网管理主单播周期扫描表中偶发的第2个主以太网帧，目标从设备单播相应的第2个从以太网帧；（3）以此类推，直到所有偶发相报文有效数据传输完毕（注：监视相、事件相、保护相构成偶发相）。通信调度顺序如图3所示。

图3 通信调度顺序[1]

3 EB-TCN网络正常情况下的实时性分析

EB-TCN网络是硬实时系统，在数据传输过程中，报文带有明确的时间限制，这些时间限制必须满足，否则任务未能及时完成将导致灾难性后果。下面对EB-TCN网络正常工作时的端对端延迟进行分析。

为了保证交换式以太网的稳定性能，使列车通信网络满足以下2个条件：

（1）网络的全部流量小于交换机的容量，即：

Scap代表交换机的处理能力，即每秒内能处理的以太网数据帧个数；Framei代表第i个列车网络设备在每秒内能产生的以太网帧个数；n代表接入到列车通信网络中，且能参与网络通信的列车设备。

（2）交换机到列车设备之间链路的带宽足够大，能处理发送到这条链路上的所有数据帧。即：

Sj_cap代表交换机和列车设备j之间链路的带宽；Framei_j代表列车设备i在每秒内向列车设备j发送的bit个数；n代表接入到列车通信网络中，且能参与网络通信的列车设备。

条件（2）是为了保证每条链路的稳定性，从而保证整个网络的稳定性。

当上述条件都满足时，下面对交换机内部存在排队延迟这种一般情况作出分析，网络中总的延迟Tdelay为：

Tsource_process代表源列车设备对数据的处理延迟；Ttronsmission代表数据帧的发送延迟，其值为数据帧的比特数除以网络带宽；Tpropogation代表电信号在物理线路上的传输延迟，该值与物理线路的长度有关，并假定列车设备到最近交换机的电缆长度是相等的；Tqueue代表交换机内部的排队延迟；

Tdestination_process代表目的列车设备对数据的处理延迟。

当交换机缓冲区内排队的数据帧有Nq个时，交换机内排队的最大延迟Tqueue为：

TIF表示连续发送2个以太网数据帧时，2帧之间的间隔，按照以太网标准，对于100BASE-T，其值为96 bit；TF为在缓冲区内排队的以太网数据帧长度，由于TCN网络上传输的主帧、从帧数据量非常小，这里使用最小的以太网帧，其值为576 bit。

公式（4）的关键是如何确定Nq的值，对此本文根据上文所说的条件（2）进行估计。因为在列车网络中最小的轮询周期为1 ms，当有149个设备同时向同一目标设备发送数据时，将产生 100.1 Mb/s，即：（（576+96）bit/frame×1 000frame/s×149）Mb/s，这个数值要大于链路带宽100 Mb/s，因此在交换机内排队的最大允许个数为148个数据帧，则：

为了检查是否满足条件（1），本文计算了148个设备在单位时间内产生的以太网数据帧数，每个设备每秒产生1 000个以太网数据帧，那每秒内总计产生148 000个以太网数据帧，这个以太网数据帧产生速率要远小于通用以太网数据帧处理速率，例如，平时一般使用的桌面快速交换机，其背板带宽为8.8 Gb/s，最大数据吞吐率为4.4 Gb/s。

通过分析表明，交换式以太网应用到实时性较强的领域是可能的。本文提出的实时虚拟层能从理论上保证交换机内没有排队延迟，即Tqueue=0，保证EB-TCN网络能满足列车通信网络在实时性、确定性方面需求。

4 EB-TCN网络最坏情况下的实时性分析

EB-TCN网络数据传输的最坏情况是指车辆控制层或骨干层中所有设备同时向网络发送数据，这时会在交换机中产生排队延迟。EB-TCN网络由于在实时虚拟层中采用了集中式主从调度方式，这种最坏情况在网络正常运行下是不会出现的，但是当实时虚拟层中的实时调度不能起到应有作用时，有一定几率会产生这种最坏情况，因此有必要对最坏情况下的EB-TCN网络延迟进行分析，判断EB-TCN网络在最坏情况下的通信延迟能否满足现有TCN网络的实时性要求。

下面将运用网络演算对EB-TCN网络进行最坏情况下的延迟分析。

交换机提供给第i个数据流的服务曲线为[2]：

因为：

βi(θ)=A(θ)_αi（聚合数据流中除第 i个数据流外的其他数据六在0时刻的积压数据）

所以可得：

代入公式（6）中可得：

从公式（8）可得交换机提供给第i个数据流的服务速率和服务时延参数分别为：

考虑到交换机采用存储转发方式时，只有完全接受到整个数据帧后才能对其进行处理，相当于在服务节点的输出端加入了一个数据打包器。数据打包使服务时延增加一个数据帧的传输时间，所以车辆控制层时延上界为：

其中：Cmar为第i个数据流的最大帧长。

在计算骨干层的数据延迟时，当Vehicle1与Vehicle8中的控制单元相互传递数据时，骨干网层中存在最大的传输延迟。

CRH1型动车组平均一节车辆的长度为26 m，每节车辆的电缆长度大约为车辆长度的150%，为39 m，传输时延为。所以时延上界为：

假定交换机的上行端口速率为100 Mb/s，采用存储转发方式。为了简化分析，假设每个交换机都关联了m个负载子系统，每个负载子系统发送数据规律都相同。对于车辆控制层的周期性数据，考虑到TCN协议中MVB总线最小基本周期为1 ms这种极限情况，假定负载子系统每1 ms发送一个最小以太网帧，最小帧长为84 byte。对于偶发性数据，假定其平均发送速率为周期性实时数据的0.01倍速率。

根据上述假设条件可知交换机关联的第i个负载子系统发送给交换机的数据流i到达曲线。

其中，周期性数据流的到达曲线为：

突发性实时数据流的到达曲线为：

故数据流i的聚合到达曲线为：

4.1 车辆控制层延迟仿真

由公式（9）（10）（11）（13）得

仿真曲线如图4所示。

MVB总线在一个基本周期内周期相缺省时间为650 μs[3]，由图4的仿真结果分析可知：当网络延迟为650 μs时，EB-TCN网络允许48个列车设备同时发送过程数据。武广线对CRH3-013动车组TCN进行试验时，MVB总线上在周期相内轮询的列车设备数为2.086 5个，对比可知车辆控制层的实时性能要优于MVB总线。

4.2 骨干层延迟仿真

对于骨干层的周期性数据，考虑到TCN协议中WTB总线最小基本周期为25 ms这种极限情况，假定负载子系统每25 ms发送一个最小以太网帧，参考WTB总线主帧、从帧结构，确定以太网帧的最小帧长为172 byte。对于偶发性数据，假定其平均发送速率为周期性实时数据的0.01倍速率。

图4 车辆控制层端到端最大延迟仿真结果

根据上述假设条件同样可知骨干层中交换机关联的第i个负载子系统发送给交换机的数据流i到达曲线。

其中，周期性数据流的到达曲线为：

突发性实时数据流的到达曲线为：

故数据流i的聚合到达曲线为：

由（9）（10）（12）（14）得

仿真曲线如图5所示。

TCN网络中WTB总线的周期相默认为15 ms[3]，由图5的仿真结果分析可知：当网络延迟为15 ms时，EB-TCN网络允许69个列车设备同时发送数据，此实时性能要远优于WTB总线。

通过分析可知，当EB-TCN网络的通信调度机制失效时，车辆控制层和骨干层的实时性能也能满足TCN网络的实时传输需求。

图5 骨干网端到端最大延迟仿真结果

5 结束语

基于交换式以太网的列车通信网络（EBTCN）在实时性、确定性方面能满足列车网络需求，能够成为TCN的替代方案。下一步将搭建实物测试平台对EB-TCN网络的实时性能进行进一步研究。

[1]Georges J P. Rondeau E，Divoux T. Evaluation of switched Ethernet in an industrial context by using the network calculus[A]. 4th IEEE Int Workshop on Factory Communication Systems[C]. Sweden, 2002.

[2]刘泽华，刘立祥，王大鹏，罗 郁.列车通信网络协议栈的实时性研究[J].计算机工程与设计，2011，32（3）.