路由以太网列车通信网络分析

郭嫚嫚， 王宏志， 王 豪， 胡黄水

(长春工业大学 计算机科学与工程学院， 吉林 长春 130012)

0 引 言

随着我国高速铁路的快速进步以及轨道交通的迅猛发展，列车正在向稳定、舒适、高效率方向发展，因此需要列车在通信网络中的数据传输量更大，数据类型更加广泛，可靠性更高，安全性更稳定，实时性更强。目前，市场上存在的基于现场总线的列车网络通信技术[1]，如CAN、WorldFIP、TCN、LonWorks、ARCNET等已经被广泛应用于各种各样的列车网络中。但是，这些通信网络的链路传输速率低，拓扑结构过于简洁，网络延时长，吞吐量有限，使得它们终将被性能更好的网络技术代替，新的网络技术实时性能要求更高，链路传播速率更快。以太网技术的出现，从根本上弥补了传统列车通信网络的不足之处。

工业以太网是一种新型局域网技术[2]，能够从理论上担负起列车大量数据传输的任务，但是为了保证列车的安全性，必须对以太网的性能指标进行改进提升，以满足列车在行驶过程中的高实时性、可靠性、安全性。截至目前，工业以太网技术在列车通信网络方面已取得很大进步:文献[3]提出了一种综合分级的调度机制，对优先级低的数据采取先进先出方法，对优先级高的数据采取综合调度方法，有效地降低了列车通信网络的端到端时延，实现了动态调度，但是这种方法使得系统的开销增大，当负载加大时，需要再度加强系统性能;文献[4]实现了以太网在地铁列车上骨干网和编组网的多网融合，对以太网协议进行了修改，通过OPNET仿真实验验证，成功降低了系统的端到端时延;文献[5]实现了对实时周期数据的调度优化，在已经提升系统实时性、可靠性的基础上，当网络负载较高时，提出了一种基于负载均衡的调度优化方法，增强了整个网络的控制性能。但是没有考虑实时周期数据和非实时周期数据的调度情况，易导致带宽长期被实时周期占据，其余数据无法准确按时传输;文献[6]以交换机在列车网络传输过程中的时延分析为基础，比较了不同拓扑结构下的传输时延和链路负载，得出在链路冗余的封闭环网中，此时网络性能最佳。

文中在此网络结构下，在链路冗余的封闭环网中增加了路由，并通过比较不同车厢之间路由位置对列车吞吐量、链路负载、网络延时的影响，得出路由在MC1和MH1之间时，列车网络性能最优。

1 基于路由位置的以太列车通信网络

1.1 网络时延分析

在网络系统中，只要使用网络就一定会产生网络的延时，即在网络控制系统中，数据传输过程存在时延现象，又称网络诱导时延[7]。其通常受多种因素影响，如网络使用的相关协议、链路负载、节点的数据帧传输是否丢失以及拓扑结构等。

系统的数据帧端到端时延通常由如下数据产生：

tdelay=tsource+ttransmit+tswitch+tdestination=

(1)

式中：tdelay----到达目的终端系统之前所有数据流总的延时。

1)tsource指交换机中的时延，也称作源节点时延[8]，它主要是有数据在源节点的协议栈中的处理时延，加上当数据累积过多时，在MAC层中的缓冲区排队等待的时间，以及帧在发送时产生的时延组成。

2)ttransmit指数据传输过程中产生的链路时延，是特定网络中的配置常数，其影响因素可以是链路的带宽大小、传输速率、在通信过程中由于信号不稳定等因素造成的传输噪声，以及链路状态路由产生的时延。

3)tswitch是由交换机造成的延时，它的延时主要由在交换机中的基本时延、缓冲区排队等待时延和发送时延三个部分构成。

4)tdestination指在目的端系统中的延时，其中每个帧的到达都需要通过完整性检查和冗余管理才能发送。

文中主要是在传输时延的链路上进行优化，在链路冗余的封闭环网中增加了一个路由，并通过比较不同位置下的链路负载、吞吐量、网络延时的参数，得出一个最优位置。将每个列车车厢内加入一台交换机，并分别为它们命名为MC1，MH1，MH2，MH3，MH4，MC2。其中，MC2交换机与主机相连。其加入路由后的网络模型如图1所示。

图1 添加路由的链路冗余封闭环网

其余情况下则是将路由分别放在车厢MC1和MH1之间，车厢MH1和MH2之间，车厢MH2和MH3之间，车厢MH3和MH4之间，车厢MH4和MC2之间。采用地铁列车最常见的2拖4结构，不同位置路由的网络模型分别如图2～图6所示。

图2 MC1和MH1之间的网络拓扑

图3 MH1和MH2之间的网络拓扑

图4 MH2和MH3之间的网络拓扑

图5 MH3和MH4之间的网络拓扑

图6 MH4和MC2之间的网络拓扑

1.2 路由算法模型

首先介绍网络模型,然后在该模型基础上对问题进行详细描述[9]。网络的拓扑结构由无向图G(V,E,X)表示，其中，终端系统和交换机用V表示，路由用X表示，连接网络中顶点的通信链路用E表示，则数据流F从发送端s1到接收端sr被描述为

F=[[s1,s2],[s2,s3],…,[sr-1,sr]]。

(2)

由于消息会预先存储在交换机中等待转发，所以在相邻的两个交换机之间的等待时间要足够，设MAX(waitdelay)是单个跃点最大延迟配置的上限，则由路由X造成的等待时间的值至少满足以下条件：

∀vl∈VL,∀vl∈pi∶∀[vx,X][X,vy]∈pi∶

(3)

式中：offset----离线的延迟配置发送时间；

f[v1,v2]----在数据流链接[v1,v2]上传输的帧fi的长度；

p----由路由造成的帧fi和[X,vy]的数据流路径。

2 仿真分析

基于OPNET网络仿真软件进行了实际地铁列车网络的模拟，以常用的2拖4节列车为标准。构建基于以太网的列车通信网络模型[10]，对比分析了位于不同车厢之间路由的网络延时。其中，因位于各车厢之间路由的延时、链路负载、吞吐量的值差距十分渺小，几乎不可见，所以，文中特意将链路冗余封闭环网和增加了路由的网络模型进行比较，验证增加路由能够让网络性能增加。

添加了路由的链路冗余封闭环网(深色曲线)和没有添加路由的原始链路冗余封闭环网(浅色曲线)的以太网吞吐量对比如图7所示。

图7 以太网吞吐量对比

由图7可以直观地看出,添加路由的链路冗余封闭环网的吞吐量约为4 000 bit/s，而没有添加路由的吞吐量约为3 500 bit/s。仿真结果表明，添加了路由之后的网络性能提升。

添加了路由的链路冗余封闭环网(深色曲线)和没有添加路由的原始链路冗余封闭环网(浅色曲线)的以太网负载对比如图8所示。

图8 以太网负载对比

由图8可以看出，在负载方面，添加了路由的链路冗余封闭环网的负载约为2 500 bit/s，而没有添加路由的网络负载约为2 000 bit/s。仿真表明，添加了路由之后的网络性能提升。

位于不同位置的路由延时比较如图9所示。

图9 位于不同车厢的路由的网络延时

图9中最深色表示路由位于车厢MC1和MH1之间，次深色表示路由位于车厢MH1和MH2之间，浅色表示路由位于车厢MH2和MH3之间，次浅色表示路由位于MH3和MH4之间，最浅色表示路由位于车厢MH4和MC2之间。

由图9可知，当路由位于车厢MH1和MH2，MH2和MH3，MH3和MH4，MH4和MC2之间时，网络延时近乎相等，约为0.009 s，此时的曲线显示为浅色线，而路由位于车厢MC1和MH1之间的网络延时约为0.008 s，此时的曲线显示为深色。所以，当路由位于车厢MC1和MH1之间时，网络延时最小，此时网络性能最优。在网络实时性方面都能满足列车的实时性要求，即延时小于0.04 s。

由图7～图9的网络性能分析可知，在添加了路由的链路冗余封闭环网和没有添加路由的链路冗余封闭中，对于吞吐量这一指标，具有路由的链路冗余封闭环网明显优于没有路由的网络，吞吐量上下浮动平缓，而链路冗余封闭环网在最后25～30 min内数据量陡然变大。对于负载这一指标，也可以从图8中看出，具有路由的网络负载在整个时间内都比没有路由的链路冗余封闭环网小。而在图9中，对不同位置下的路由网络进行了网络延时比较，可以看出，当路由位于车厢MC1和MH1之间时，此时网络的延时指标最小，性能最优。

3 结 语

在列车通信网络模型中增加了路由，结合实际列车排列情况，采用了2拖4列车。将路由引入网络模型中，在OPNET仿真软件上进行了以太网延时、负载、吞吐量的对比分析。网络负载提供了总体网络是否饱和的判断数据，吞吐量检测了以太网的网络带宽[11]。通过分析比较处于不同位置路由的综合性能，得出当链路冗余封闭环网中添加了路由之后，网络的吞吐量提升，负载减少；将路由处于不同位置时又进行了网络延时的比较，当路由位于车厢MC1和MH1之间时，此时网络的延时指标最小，性能最优。