孫小盛，譚獻(xiàn)海，侯世良

（西南交通大學(xué) 信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 ，成都 610031）

列車通信網(wǎng)絡(luò)負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)列車運(yùn)行過(guò)程中牽引、制動(dòng)等控制信息的傳遞，車輛運(yùn)行信息的反饋等功能。隨著列車運(yùn)行速度的逐漸提升，對(duì)列車通信網(wǎng)絡(luò)的要求也不斷提高, 理想的列車通信網(wǎng)絡(luò)應(yīng)是可靠傳輸、實(shí)時(shí)響應(yīng)并能快速排除故障，使列車恢復(fù)運(yùn)行，其網(wǎng)絡(luò)狀況直接關(guān)系到列車的整體性能和安全性。因此，對(duì)列車通信網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)性能、運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)和糾正網(wǎng)絡(luò)傳輸中的錯(cuò)誤信息，保障列車安全可靠地行駛。

ARCNET（Attached Resource Computer Network）是一種采用了優(yōu)化的令牌總線協(xié)議（IEEE-802.4）標(biāo)準(zhǔn)，提供OSI參考模型中物理層和數(shù)據(jù)鏈路層的服務(wù)。其時(shí)間上的確定性、組網(wǎng)上的靈活性和傳輸上的可靠性可以很好地滿足列車通信網(wǎng)絡(luò)對(duì)網(wǎng)絡(luò)性能的要求。近年來(lái)我國(guó)一直致力于ARCNET網(wǎng)絡(luò)的研究，已經(jīng)掌握了很多相關(guān)技術(shù)，并已在高速列車和城軌車輛上成功應(yīng)用，目前CRH2型動(dòng)車即采用ARCNET傳輸協(xié)議。

在已開(kāi)發(fā)的基于以太網(wǎng)的ARCNET仿真平臺(tái)基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)CRH2型動(dòng)車通信網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)，可以監(jiān)視ARCNET網(wǎng)絡(luò)上節(jié)點(diǎn)的運(yùn)行狀態(tài)和全網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)性能，測(cè)試環(huán)路上節(jié)點(diǎn)的通斷和時(shí)延，為后續(xù)對(duì)實(shí)體ARCNET網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)控提供參考。

1 CRH2型動(dòng)車通信網(wǎng)絡(luò)仿真平臺(tái)介紹

1.1 CRH2動(dòng)車通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)

圖1為CRH2型動(dòng)車通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖，其中，兩端為頭車，其余為車廂。頭車上掛載有中央裝置和終端裝置，其余的車廂只有終端裝置。中央裝置由控制器部和監(jiān)視部組成，具有列車信息管理和向終端裝置傳送數(shù)據(jù)的功能。終端裝置負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)各車廂中車載設(shè)備的數(shù)據(jù)傳輸。中央裝置和終端裝置采用光纖雙環(huán)網(wǎng)的形式連接，用ARCNET協(xié)議進(jìn)行通信，傳輸?shù)臄?shù)據(jù)主要包括控制指令、設(shè)備數(shù)據(jù)狀態(tài)以及故障診斷信息。

圖1 CRH2型動(dòng)車通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

CRH2型動(dòng)車通信網(wǎng)絡(luò)啟動(dòng)時(shí)，環(huán)網(wǎng)上的每個(gè)節(jié)點(diǎn)都獲得一個(gè)邏輯地址，令牌（ITT）從低位地址節(jié)點(diǎn)向高位地址節(jié)點(diǎn)傳遞，只有獲得令牌的節(jié)點(diǎn)才有權(quán)發(fā)送數(shù)據(jù)。因此，環(huán)網(wǎng)上的所有節(jié)點(diǎn)共享總線使用權(quán)，使得其網(wǎng)絡(luò)性能在時(shí)間上具有確定性及可預(yù)測(cè)性。

1.2 CRH2列車通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)仿真平臺(tái)

如圖2所示，用10臺(tái)計(jì)算機(jī)與交換機(jī)連接來(lái)模擬CRH2型動(dòng)車上的ARCNET環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)，另用1臺(tái)計(jì)算機(jī)作網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控使用，通過(guò)對(duì)交換機(jī)設(shè)置端口鏡像（Port Mirroring）可以實(shí)時(shí)監(jiān)視其它10臺(tái)計(jì)算機(jī)收發(fā)的數(shù)據(jù)。網(wǎng)絡(luò)上的各個(gè)節(jié)點(diǎn)分別產(chǎn)生數(shù)據(jù)信息：

PC1、PC10裝載司控臺(tái)仿真數(shù)據(jù)源，模擬產(chǎn)生司控臺(tái)信息；

PC2、PC5、PC6、PC9模擬產(chǎn)生車載設(shè)備數(shù)據(jù)信息；

PC3、PC4、PC7、PC8模擬產(chǎn)生車載設(shè)備數(shù)據(jù)信息及牽引控制信息。

仿真平臺(tái)節(jié)點(diǎn)間的數(shù)據(jù)傳輸機(jī)制采用ARCNET協(xié)議，數(shù)據(jù)信息產(chǎn)生后按照ARCNET數(shù)據(jù)幀（PAC幀）的格式封裝，由于仿真平臺(tái)建立在以太網(wǎng)(RFC894)環(huán)境下，因此還需要將PAC幀按照以太幀格式進(jìn)行封裝。當(dāng)有令牌到達(dá)后，經(jīng)過(guò)查詢目的地址緩沖區(qū)，計(jì)算機(jī)將封裝好的ARCNET數(shù)據(jù)幀發(fā)送出去。

以上的節(jié)點(diǎn)間數(shù)據(jù)交換機(jī)制遵循CRH2型動(dòng)車通信網(wǎng)絡(luò)模型和ARCNET的通信規(guī)范。

圖2 基于以太網(wǎng)的CRH2型動(dòng)車通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)仿真平臺(tái)

2 監(jiān)控系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)

根據(jù)CRH2型動(dòng)車通信網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)和仿真系統(tǒng)的實(shí)際需求，將監(jiān)控系統(tǒng)分為2個(gè)模塊：數(shù)據(jù)包監(jiān)控、節(jié)點(diǎn)工作狀態(tài)監(jiān)控、令牌監(jiān)控、網(wǎng)絡(luò)性能監(jiān)控、網(wǎng)絡(luò)測(cè)試，如圖3。

圖3 監(jiān)控系統(tǒng)模塊結(jié)構(gòu)圖

2.1 數(shù)據(jù)包監(jiān)控

數(shù)據(jù)包監(jiān)控模塊是監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)來(lái)源和報(bào)文分析的基礎(chǔ)。該模塊的功能為捕獲環(huán)網(wǎng)上傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包，顯示其類型、長(zhǎng)度、源地址、目的地址和到達(dá)目的緩沖區(qū)時(shí)間，以16進(jìn)制打印報(bào)文信息并解析內(nèi)容。

通過(guò)數(shù)據(jù)包監(jiān)控可以對(duì)仿真系統(tǒng)作更深入的分析，驗(yàn)證仿真正確性、協(xié)助故障排查。按照仿真平臺(tái)的構(gòu)建原則，數(shù)據(jù)包的到達(dá)時(shí)序應(yīng)嚴(yán)格遵守ARCNET協(xié)議規(guī)范，如果出現(xiàn)報(bào)文時(shí)序錯(cuò)亂則通信機(jī)制可能出現(xiàn)錯(cuò)誤。

2.2 節(jié)點(diǎn)狀態(tài)監(jiān)控

監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)上的節(jié)點(diǎn)是否可以正常地收發(fā)數(shù)據(jù)，顯示節(jié)點(diǎn)加入環(huán)網(wǎng)時(shí)和退網(wǎng)時(shí)其工作狀態(tài)的變更。如果有數(shù)據(jù)包從某節(jié)點(diǎn)發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)中，說(shuō)明該節(jié)點(diǎn)處于在線狀態(tài)。反之，說(shuō)明該節(jié)點(diǎn)沒(méi)有加入網(wǎng)絡(luò)。通過(guò)對(duì)節(jié)點(diǎn)工作狀態(tài)的監(jiān)控可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)斷點(diǎn)，配合網(wǎng)絡(luò)測(cè)試來(lái)及時(shí)定位故障原因。

2.3 令牌監(jiān)控

監(jiān)視并維護(hù)令牌循環(huán)體系，按照ARCNET的通信規(guī)范，每個(gè)活躍的節(jié)點(diǎn)在一個(gè)令牌循環(huán)周期內(nèi)都應(yīng)有令牌到達(dá)，否則可判定該節(jié)點(diǎn)有傳輸故障。如果在全網(wǎng)內(nèi)出現(xiàn)令牌丟失應(yīng)及時(shí)產(chǎn)生新令牌來(lái)引導(dǎo)并恢復(fù)令牌循環(huán)。

此外，如果某個(gè)節(jié)點(diǎn)的工作狀態(tài)為在線，但是在令牌的循環(huán)周期內(nèi)沒(méi)有令牌到達(dá)，則可以定位為令牌循環(huán)機(jī)制錯(cuò)誤。

2.4 網(wǎng)絡(luò)性能監(jiān)控

對(duì)網(wǎng)絡(luò)性能的監(jiān)控包括以下2個(gè)方面。

2.4.1 監(jiān)控令牌循環(huán)周期

參數(shù)：循環(huán)周期最大值、循環(huán)周期平均值、循環(huán)周期最小值、當(dāng)前循環(huán)周期。按照CRH2型動(dòng)車通信網(wǎng)絡(luò)仿真平臺(tái)的傳輸標(biāo)準(zhǔn)，令牌幀和ACK幀的大小均為60 byte，因此如果忽略傳輸時(shí)延，當(dāng)傳輸速率為5 Mbit/s，節(jié)點(diǎn)數(shù)量為10，在無(wú)車載數(shù)據(jù)幀（PAC幀）發(fā)送的情況下，最小令牌循環(huán)周期為：

因此若按以上條件，監(jiān)控結(jié)果顯示令牌循環(huán)周期遠(yuǎn)小于2.4 ms，則可判定環(huán)網(wǎng)上傳輸?shù)牧钆茢?shù)大于1，傳輸機(jī)制出現(xiàn)錯(cuò)誤。

2.4.2 監(jiān)控節(jié)點(diǎn)的性能表現(xiàn)

參數(shù)：平均時(shí)延、最大時(shí)延、最小時(shí)延、傳輸成功率、丟包率、差錯(cuò)率、發(fā)包數(shù)、收包數(shù)、發(fā)送字節(jié)數(shù)、接收字節(jié)數(shù)。對(duì)節(jié)點(diǎn)性能參數(shù)作累加和平均計(jì)算可以得到整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的整體性能參數(shù)。

令牌循環(huán)平均周期和全網(wǎng)平均時(shí)延是評(píng)價(jià)仿真平臺(tái)整體性能的重要參量，按照ARCNET協(xié)議的傳輸標(biāo)準(zhǔn)，令牌循環(huán)平均周期應(yīng)不大于10 ms，因此在仿真平臺(tái)經(jīng)過(guò)初始化并進(jìn)入穩(wěn)定期后的令牌循環(huán)時(shí)間應(yīng)在10 ms左右。

2.5 網(wǎng)絡(luò)測(cè)試

網(wǎng)絡(luò)測(cè)試的功能主要是測(cè)試環(huán)網(wǎng)上各節(jié)點(diǎn)的通斷和時(shí)延，通過(guò)比較時(shí)延與閾值評(píng)價(jià)測(cè)試結(jié)果，測(cè)試結(jié)果為節(jié)點(diǎn)正常、時(shí)延大或不通。此外，網(wǎng)絡(luò)測(cè)試還可以通過(guò)對(duì)發(fā)送的數(shù)據(jù)作CRC校驗(yàn)來(lái)統(tǒng)計(jì)誤碼率，與實(shí)驗(yàn)室環(huán)境相比，實(shí)際運(yùn)行環(huán)境中信噪比相對(duì)較小，誤碼率可以檢驗(yàn)干擾強(qiáng)度對(duì)信息傳輸?shù)挠绊憽Ｔ趯?shí)體ARCNET網(wǎng)絡(luò)中環(huán)路測(cè)試是雙向的，通過(guò)接收各節(jié)點(diǎn)的逐級(jí)應(yīng)答可以定位故障源來(lái)自節(jié)點(diǎn)還是鏈路，由于本項(xiàng)目中仿真平臺(tái)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)在物理上并不是環(huán)形，因此不具有測(cè)試鏈路通斷的功能。

3 監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

3.1 監(jiān)控系統(tǒng)捕獲原理

基于以上功能需求，結(jié)合CRH2型動(dòng)車通信網(wǎng)絡(luò)仿真平臺(tái)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，采用WinPcap技術(shù)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控。WinPcap是一個(gè)應(yīng)用于Win32平臺(tái)的，用以捕獲網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包并進(jìn)行分析的開(kāi)源庫(kù)，為Win32應(yīng)用程序提供了訪問(wèn)網(wǎng)絡(luò)底層的能力。

圖4 監(jiān)控系統(tǒng)原理圖

（1）網(wǎng)絡(luò)接口層

即仿真平臺(tái)硬件設(shè)備工作的層次，網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包通過(guò)硬件設(shè)備接口進(jìn)入系統(tǒng)內(nèi)核層。通過(guò)設(shè)置交換機(jī)的端口鏡像功能，可以將仿真平臺(tái)上所有節(jié)點(diǎn)收發(fā)的數(shù)據(jù)包都轉(zhuǎn)發(fā)到監(jiān)控計(jì)算機(jī)上，因此仿真平臺(tái)上負(fù)載越多需要監(jiān)控的數(shù)據(jù)量也越大。

（2）系統(tǒng)內(nèi)核層

系統(tǒng)內(nèi)核層的核心是包過(guò)濾驅(qū)動(dòng)程序NPF（Netgroup Packet Filter），其主要功能是高效地捕獲和過(guò)濾數(shù)據(jù)包，在數(shù)據(jù)包上附加時(shí)間戳、包長(zhǎng)度等信息，并將這些數(shù)據(jù)包傳遞給上層應(yīng)用模塊。

低級(jí)動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)Packet.dll在Win32 平臺(tái)上給開(kāi)發(fā)者提供了與NPF的一個(gè)通用公共接口。

用戶級(jí)的Wpcap.dll是獨(dú)立于操作系統(tǒng)的高級(jí)系統(tǒng)鏈接庫(kù)。它工作在用戶層，也給開(kāi)發(fā)者提供了一個(gè)通用接口，但是相對(duì)于Packet.dll，它提供了更加高層、功能更加強(qiáng)大、抽象的函數(shù)調(diào)用。它通過(guò)調(diào)用Packet.dll提供的函數(shù)生成，包括過(guò)濾器生成等一系列可以被用戶級(jí)調(diào)用的高級(jí)函數(shù)，并且還有諸如數(shù)據(jù)包統(tǒng)計(jì)及發(fā)送等功能。

（3）用戶層

用戶層包含數(shù)據(jù)包監(jiān)控模塊、節(jié)點(diǎn)工作狀態(tài)監(jiān)控模塊、網(wǎng)絡(luò)性能監(jiān)控模塊等。通過(guò)對(duì)底層捕獲的數(shù)據(jù)包進(jìn)行類型解析后提交到不同的處理模塊。

3.2 監(jiān)控系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)

在Microsoft Visual C++ 6.0環(huán)境下，以3個(gè)主線程來(lái)實(shí)現(xiàn)監(jiān)控系統(tǒng)，分別是數(shù)據(jù)包捕獲線程、統(tǒng)計(jì)線程和網(wǎng)絡(luò)測(cè)試線程。

圖5為數(shù)據(jù)包捕獲線程流程圖，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)包監(jiān)控功能。在設(shè)置完畢可用網(wǎng)卡和過(guò)濾規(guī)則后，調(diào)用Winpcap函數(shù)pcap_next_ex()來(lái)捕獲數(shù)據(jù)包，捕獲成功后按照仿真平臺(tái)定義的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行解析。

圖5 數(shù)據(jù)包捕獲線程

圖6統(tǒng)計(jì)線程流程圖，實(shí)現(xiàn)令牌監(jiān)控、節(jié)點(diǎn)工作狀態(tài)監(jiān)控、令牌循環(huán)周期監(jiān)控的功能。首先解析數(shù)據(jù)包的源地址，由于源地址有數(shù)據(jù)發(fā)送，可以判定該節(jié)點(diǎn)處于活躍狀態(tài)；然后解析報(bào)文類型，由于該線程主要實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)性能統(tǒng)計(jì)的功能，因此這里只關(guān)心令牌幀和性能參數(shù)幀這兩種類型。

圖6 統(tǒng)計(jì)線程流程圖

圖7為測(cè)試線程圖，測(cè)試線程實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)測(cè)試功能。向環(huán)網(wǎng)上的節(jié)點(diǎn)發(fā)送測(cè)試包并等待應(yīng)答，如果收到應(yīng)答則可以得到時(shí)延和誤碼率，否則該節(jié)點(diǎn)測(cè)試結(jié)果為超時(shí)。在向環(huán)網(wǎng)上的所有節(jié)點(diǎn)都進(jìn)行了測(cè)試之后，線程結(jié)束并顯示測(cè)試結(jié)果。

圖7 測(cè)試線程

4 監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行結(jié)果分析

在仿真平臺(tái)負(fù)載為5個(gè)節(jié)點(diǎn)時(shí)，網(wǎng)絡(luò)初始化時(shí)將邏輯地址分別設(shè)置為：2，3，5，6，8，監(jiān)控系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)如圖8。

圖8 監(jiān)控軟件運(yùn)行圖示

通過(guò)監(jiān)控系統(tǒng)界面可以看到，環(huán)網(wǎng)上有5個(gè)節(jié)點(diǎn)處于活躍狀態(tài)，令牌在節(jié)點(diǎn)間的傳遞順序?yàn)?-3-5-6-8-2…，符合ARCNET協(xié)議的通信規(guī)范。通過(guò)將數(shù)據(jù)包監(jiān)控界面的報(bào)文時(shí)序與ARCNET通信規(guī)范比較可以驗(yàn)證通信網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸是正確的，右側(cè)文本區(qū)以16進(jìn)制打印了報(bào)文信息，并對(duì)報(bào)文內(nèi)容進(jìn)行解析。整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的平均時(shí)延保持在0.188 ms左右，發(fā)送成功率、丟包率和誤碼率的監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)顯示網(wǎng)絡(luò)性能正常。監(jiān)控得到的令牌循環(huán)時(shí)間實(shí)際值為1.305 ms，與理論結(jié)果相差不大。

圖9顯示了當(dāng)環(huán)網(wǎng)上有2個(gè)令牌幀參與循環(huán)時(shí)的情況，此時(shí)不僅報(bào)文時(shí)序錯(cuò)亂而且平均循環(huán)周期為0.8 ms左右，明顯低于1.2 ms的理論時(shí)間。

圖9 報(bào)文時(shí)序錯(cuò)亂圖示

點(diǎn)擊“測(cè)試”按鈕后，測(cè)試結(jié)果如圖10，5個(gè)節(jié)點(diǎn)的時(shí)延均在可接受的范圍之內(nèi)，錯(cuò)誤校驗(yàn)結(jié)果顯示正確。

圖10 網(wǎng)絡(luò)測(cè)試

5 結(jié)束語(yǔ)

本文在已開(kāi)發(fā)的基于以太網(wǎng)的ARCNET仿真平臺(tái)基礎(chǔ)上，研究并實(shí)現(xiàn)了CRH2型動(dòng)車通信網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)， 為仿真平臺(tái)的運(yùn)行提供驗(yàn)證和糾錯(cuò)工具，并為實(shí)體ARCNET網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)控提供了模式參考和計(jì)算模型，測(cè)試結(jié)果顯示本系統(tǒng)在大吞吐量環(huán)境下運(yùn)行穩(wěn)定，監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)比較精確，對(duì)了解ARCNET的模擬傳輸有一定的參考價(jià)值。

[1]聶曉波，王立德，等. ARCNET網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)實(shí)時(shí)性能分析與研究[J]. 鐵道學(xué)報(bào)，2011，33（1）：58-62.

[2]張 宇，劉 建，李 莉.基于令牌環(huán)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的地鐵電動(dòng)客車網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)[J].電力機(jī)車與城軌車輛，2006，29（4）：34-37.

[3]江守亮. 環(huán)形ARCNET網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D]. 成都：西南交通大學(xué)，2010.

[4]況長(zhǎng)虹，李家武，王玉松，等. 基于OPNET的ARCNET列車通信網(wǎng)絡(luò)的建模與仿真[J]. 鐵路計(jì)算機(jī)應(yīng)用，2008，17（5）：49-51.

[5]彭國(guó)平，杜亞江. 以太網(wǎng)技術(shù)在列車通信網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用探討[J]. 鐵道車輛，2008，46（12）：25-28.

[6]管 天，盧澤新，白建軍. 基于半實(shí)物網(wǎng)絡(luò)仿真的包截獲關(guān)鍵技術(shù)研究[J]. 計(jì)算機(jī)工程與科學(xué)，2006，28（12）：99-102.

[7]彭權(quán)威. 基于OPNET的列車通信網(wǎng)絡(luò)仿真研究[D]. 成都：西南交通大學(xué)，2010.

[8]王 磊，何正友.高速列車通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)特點(diǎn)及其應(yīng)用[J].城市軌道交通研究，2008（2）：57-64.