基于以太网的城轨列车网络拓扑结构性能分析

谭文举

（南宁轨道交通集团有限责任公司，广西南宁530025）

基于以太网的城轨列车网络拓扑结构性能分析

谭文举

（南宁轨道交通集团有限责任公司，广西南宁530025）

以太网技术已经逐渐应用在城市轨道交通列车上，而不同的网络拓扑结构对列车的通信质量产生很大的影响。根据IEC61375构建了四种应用数据，仿真分析了总线性、环形和梯形三种网络拓扑结构，并对其网络时延、链路负载和链路利用率进行了比较；通过分析比较得出：在相同的负载下，梯形网络拓扑结构优于线型和环型网络拓扑结构；研究结果为基于以太网的列车通信网络拓扑结构的构建提供了参考。

城轨列车；以太网；拓扑结构

随着城市轨道交通列车技术的发展，通过车载通信网络技术实现整列车的实时控制和各类信息的传递已成为今后的技术发展趋势。实际运用表明，采用网络技术，不仅可以节省列车车载走线、减轻列车总重，并且可以提高系统的集成度、可靠性和可维护性[1]。

城轨列车需要应用网络技术实现列车控制和服务功能，主要涉及司机指令（牵引/制动）控制，司机显示屏控制，主变和辅变、防空转/防滑行、列车信号通信控制、故障的诊断及记录，及通过网络提供服务，例如车门的控制、暖通空调控制、音视频通信、照度控制和防火报警等。这就需要列车通信网络具有大的通信容量、实时性、可靠性和较好的可维护性。现有的列车通信网络已经不能满足这种大容量、实时性的要求。以太网以其高带宽、低成本、通用性强、组网灵活等优点已经逐渐取代传统的TCN、CAN等总线技术应用在城市轨道交通列车的通信网络中[2]。为了构建合理可靠的城轨列车以太网通信网络体系结构，本文把以太网交换技术引入列车通信网络中，通过仿真方式，分析了总线性、环形和梯形三种网络拓扑结构，并对其网络时延、链路负载和链路利用率进行了比较分析。

1 基于以太网的城轨列车通信网络结构

1.1 网络结构

基于以太网的列车通信网络采用TCP/IP协议，使用两层网络结构，分为列车级主干网（Ethernet Train Backbone，ETB）和编组网（Ethernet Consist Network，ECN）。主干网贯穿整个列车，实现列车级网络管理与控制、VLAN划分、优先级控制、动态组网等功能。编组网包括单节、两节、三节或更多车辆组成固定编组时，车辆内部及跨车组网，负责本节或本组车辆各接入节点设备的数据管理，以及本节或本组车辆的网络管理。主干网由0、1、2或多个ECN网组成。对于固定编组运营的城轨列车，可以忽略主干网，全列车简化为一ECN网络。为了提高通信网络的可靠性和安全性，网络采用冗余技术。

构成基于以太网的列车通信网络的网络技术主要有两种：总线技术和交换技术。总线技术的主要特点是多个终端设备连接同一个数据传输媒介（如TCN、CANopen等）；而交换技术的主要特点是每一个终端设备都和交换机连接，能够在网络内部主动的传输用户数据。本文重点研究以太网列车通信网络的交换技术。

应用交换技术时，列车通信网络的结构如图1所示，图中列车级交换节点（即列车级交换机），具有ETB和ECN数据转换功能，即列车级和编组级网络的网关功能；网络设备（EndDevice，ED）包括各种传感器、接入节点、中心接点、诊断服务主机和车载无线通信平台等接入车载交换机提供数据源的多种设备。列车级ETB和编组级ECN网络各设备之间的通信接口规范和协议涉及到OSI的第一层至第七层协议。

图1 基于以太网的列车通信网络结构

1.2 拓扑结构

基于交换技术组网，交换机成为网络通信的中间桥梁，所有终端设备直接与交换机连接，每个交换机至少包含两个端口（接受数据和传送数据），这样能实现从一个端口接收数据然后转发给另一个特定端口，或者以广播的形式将数据发送到整条链路，从而实现了终端设备与交换机之间或者各交换机内部的点到点通信。当交换技术应用在城轨列车通信网络中时，为了实现不同等级的冗余，其拓扑结构可有总线型、环型和梯型三种，如图2所示。

图2 基于交换技术的网络拓扑结构

2 城轨列车通信网络建模分析

2.1 网络拓扑结构建模

利用OPNET仿真模型库，根据列车编组规格，设置6节车厢，采用4节动车和2节拖车的编组方式，每节车厢配置一台以太网交换机，每台交换机接4个工作站，分别用来模拟过程数据、消息数据、音视频流数据和“尽力而为”数据，第一台交换机与服务器相连[3-5]。构建总线性、环型和梯形网络拓扑结构，如图3所示。

图3 网络拓扑结构

对于三种不同的网络拓扑结构，分别创建总线型、环型和梯型三个网络场景，采用带宽100 M以太网传输。设置两个FTP应用业务模拟过程数据和消息数据的传输，设置两个Video Conference应用业务模拟音视频流数据和“尽力而为”数据的传输。仿真时间设定60 mins，以太网时延、服务器时延、服务器负载和点对点吞吐量仿真结果如图4-图7所示。

图4 三种拓扑结构的时延

图5 三种拓扑结构的服务器时延

图6 三种拓扑结构的服务器负载

图7 三种拓扑结构的点对点链路利用率

2.2 仿真结果分析

从图4可以看出，当网络稳定以后，梯型结构的网络时延最小，比环型结构小15.6%，比线型结构小30.9%，且服务器时延最小，并且最稳定。而线型结构的服务器时延最大，最不稳定，如图5所示。从图6可知，服务器的负载相差不大，梯型结构的负载略小。从图7可以看出三种结构中，服务器和交换机之间的链路利用率基本相同，都小于10%，能够满足城轨列车通信系统中数据传输的要求。综合以上结果可以得出，在相同的列车车载传输环境下，梯型结构的网络性能明显优于环型结构和总线型结构。

3 结束语

本文把交换技术引入以太网列车通信网络中，分析了三种常见城轨列车车载网络拓扑结构，并借助OPNET仿真软件对三种结构进行了仿真分析，得出了梯型网络拓扑结构的性能明显优于环型和总线型结构。对城轨列车部署网络节点，降低网络时延、提高网络质量，从而保证列车安全、可靠、高效运行具有的指导意义。

[1]朱琴跃.列车通信网络实时性理论与方法研究[D].上海：同济大学，2008.

[2]任崇会，贺德强.列车通信网络一致性测试研究综述[J].装备制造技术，2015（2）：30-33，40.

[3]符伟杰，刘志刚，吴娟，等.基于工业以太网的高速列车通信网络仿真研究分析[J].城市轨道交通，2012，15（12）：69-77.

[4]朱辰，董银虎.基于OPNET的网络仿真技术研究及其应用[J].信息系统与网络，2013，43（3）：12-15.

[5]雷昊，贺德强，苗剑.高速动车组车载以太网时延分析[J].计算机测量与控制，2013，21（5）：1320-1322.

The Performance Analysis of Topologies of Metro Train Based on Ethernet

TAN Wen-ju
（Nanning Rail Transit Group Co.，Ltd.，Nanning 530025，China）

Ethernet technology has been gradually applied in urban rail transit train，and network topologies can have different impact on the train communication network.Four kinds of application dates have been built according to IEC61375in this paper.Three network topologies which included liner，ring and ladder were simulated with the OPNET modeler.Then，the network delay，network load and the link utilization were compared in the simulation.According to the comparison，the ladder network topology is more superior than that of the linear and the ring network topology under the same load.The results could provide the reference value of the construction of the train network topology based on Ethernet.

urban rail transit train；ethernet；topology structure

TP391.9；U260

：A

：1672-545X（2017）01-0112-04

2016-10-04

谭文举（1972-），男，广西来宾人，高级工程师，研究方向：轨道交通机电系统监测与控制。