周召均，夏浩延，付闖闖

（西南交通大學 電氣工程學院，碩士研究生，四川 成都 610031）

現(xiàn)代列車正朝著高速化、自動化和舒適化方向發(fā)展，與傳統(tǒng)的列車相比，機車車輛各計算機之間相互傳輸交換的信息量越來越大，諸如列車控制信息（如牽引、制動、空調(diào)）、診斷信息（如設備故障信息、維修信息）、旅客信息（如預報站、線路）、語音視頻等。列車通信網(wǎng)絡已成為高速列車系統(tǒng)的關鍵技術?，F(xiàn)有的列車工業(yè)現(xiàn)場總線如絞線列車總線（WTB）、多功能車輛總線（MVB）、CAN總線等已逐漸不能夠滿足列車信息的超大容量、實時性的需求。一些新的工業(yè)現(xiàn)場總線就引入了列車通信網(wǎng)絡，工業(yè)以太網(wǎng)就是其中之一〔1〕。

目前，工業(yè)以太網(wǎng)技術在列車通信系統(tǒng)領域中還沒有得到充分應用。但與其他現(xiàn)場總線相比，工業(yè)以太網(wǎng)在列車網(wǎng)絡中具有突出優(yōu)勢。工業(yè)以太網(wǎng)提供了針對控制網(wǎng)絡數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊蕴W(wǎng)標準，具有較高的網(wǎng)絡安全性、可操作性與實時性，同時克服了現(xiàn)有列車網(wǎng)絡總線傳輸速度低下、組網(wǎng)拓撲單一等缺陷，非常適合在列車通信網(wǎng)絡中應用〔2〕。其主要優(yōu)勢體現(xiàn)：以太網(wǎng)是目前應用最為廣泛的計算機網(wǎng)絡技術，受到廣泛的技術支持，而且基于TCP/IP協(xié)議的以太網(wǎng)是一種標準的開放式網(wǎng)絡，相對于目前使用的令牌總線（ARCNET）、CAN總線等列車網(wǎng)絡，其成本更加低廉。本文的開發(fā)思路是基于NetFPGA硬件平臺作二次開發(fā)，在數(shù)據(jù)鏈路層實現(xiàn)負載均衡傳輸，從而減小網(wǎng)絡延時和沖突幾率，提高網(wǎng)絡的實時性，同時增加網(wǎng)絡的帶寬，采用硬件冗余方式，提高網(wǎng)絡系統(tǒng)的性能。

1 Ne t FPG A列車骨干網(wǎng)絡硬件平臺

NetFPGA是由美國斯坦福大學開發(fā)的為研究人員可在硬件上搭建千兆的高性能網(wǎng)絡模型的低成本可重用的硬件平臺〔3〕。NetFPGA系統(tǒng)是由NetFPGA開發(fā)板、運行于操作系統(tǒng)的PC機以及相應的軟件組成，通過相互間的配合數(shù)據(jù)交換形成網(wǎng)絡結(jié)構系統(tǒng)。其中NetFPGA開發(fā)板是核心，它是通過PCI與運行軟件的PC機通信的，其包括1個用于用戶自定義的邏輯編程的Virtex-II Pro50和1個用于實現(xiàn)連接主機CPU的PCI接口控制邏輯的Xilinx Spartan以及4個千兆以太網(wǎng)MAC控制器等構成。

本文選取NetFPAGA作為硬件平臺的原因：一是NetFPGA硬件平臺是一個開放的平臺，在網(wǎng)絡上有大量的源代碼和參考設計，在此基礎上做二次開發(fā)比較方便。二是在于其模塊化設計理念，可使開發(fā)者很容易在NetFPGA平臺上設計出高性能的網(wǎng)絡系統(tǒng)〔4-6〕。本文利用NetFPGA平臺參考路由器進行二次開發(fā)，在路由器的網(wǎng)絡層實現(xiàn)數(shù)據(jù)的負載均衡，使數(shù)據(jù)在數(shù)據(jù)鏈路層分開，沿不同的物理線路傳輸?shù)侥康牡?，以減小因數(shù)據(jù)量過大而阻塞的幾率，增大骨干網(wǎng)絡各個路由器之間傳輸?shù)男畔⒘俊?/p>

2 Ne t FPG A硬件平臺及設計方案

2.1 列車骨干網(wǎng)絡拓撲結(jié)構 列車骨干網(wǎng)絡拓撲結(jié)構的方案是基于IEC61375 2-5〔1〕的工業(yè)以太網(wǎng)進行設計的，使用Xilinx NetFPGA通過二次開發(fā)搭建工業(yè)以太網(wǎng)實驗平臺,每個NetFPGA帶有4個千兆網(wǎng)口，將NetFPGA通過PCI插槽插在一臺PC機上，PC機+NetFPAG模擬中央裝置和終端裝置，設計半實物仿真系統(tǒng)見圖1。每個節(jié)點上的NetFPGA板卡上的4個端口剛好滿足分成2組，在每組上的2個端口上實現(xiàn)負載均衡，以便骨干網(wǎng)絡上的大量數(shù)據(jù)快速的在各節(jié)點之間傳輸。

圖1 基于I EC61375 2-5的列車工業(yè)以太網(wǎng)通信網(wǎng)絡拓撲結(jié)構

2.2 PC機與Ne t FPG A結(jié)構設計 骨干網(wǎng)絡的每個節(jié)點由一臺PC機和一塊NetFPGA板卡構成，它們之間通過高速PCI總線連接，PC機與NetFPGA的結(jié)構設計見圖2所示。

圖2 Ne t FPG A與PC結(jié)構設計

PC機用戶空間運行TTDP、OSPF等相關的路由協(xié)議和一些應用程序，以完成路由計算的工作和提供必要的服務，在內(nèi)核空間生成路由表，并通過PCI總線寫入到NetFPGA的轉(zhuǎn)發(fā)表當中以決定是否轉(zhuǎn)發(fā)，由NetFPGA硬件完成數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)功能。本方案將NetFPGA板卡的端口nfc0與nfc1分成一組，nfc2與nfc3分成一組，數(shù)據(jù)的均衡傳輸在NetFPGA的硬件層實現(xiàn)。

2.3 Ne t FPG A硬件模塊化路由器設計 模塊化的硬件路由器采用的是管道模型，利用流水線結(jié)構對數(shù)據(jù)進行處理，使用高帶寬的數(shù)據(jù)包通路總線實現(xiàn)Packet的相關分析和處理，低帶寬的寄存器通路來實現(xiàn)各個模塊的寄存器的讀寫以完成用戶軟件對模塊的功能和參數(shù)的配置〔3〕。數(shù)據(jù)通過MAC隊列或者CPU隊列（即由其他主機傳輸過來的數(shù)據(jù)或者是本機產(chǎn)生的待轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)）進入用戶數(shù)據(jù)通道主要經(jīng)過數(shù)據(jù)仲裁模塊、輸出端口查詢模塊然后再進入輸出隊列。輸出隊列分為需要轉(zhuǎn)發(fā)到其他主機的數(shù)據(jù)進入MAC隊列和進入本機的CPU隊列數(shù)據(jù)，其隊列調(diào)度input_arbiter是通過輪詢的方式對每個隊列進行訪問的。數(shù)據(jù)包由仲裁模塊出來后會進入核心module輸出端口查詢模塊output_port_lookup，完成數(shù)據(jù)包的分析處理，檢查其目標MAC地址、幀類型、版本號、生存時間以及校驗等。本設計是基于Xilinx的Reference Router設計的，數(shù)據(jù)進入輸入輸出查詢模塊時進行數(shù)據(jù)分流。數(shù)據(jù)頭部處理輸出端口查詢模塊見圖3。2.4 Ve r i l o gHD L負載均衡實現(xiàn) 數(shù)據(jù)輸出進入Output_Queues前需要對入隊進行查詢處理，然后才能決定進入那個隊列。

圖3 數(shù)據(jù)頭部處理輸出端口查詢模塊

頭部處理的狀態(tài)機制很簡單，只有PARSE_HDRS和WAIT_EOP兩個狀態(tài)，狀態(tài)機之間的轉(zhuǎn)換條件是in_ctrl和in_wr。負載均衡實現(xiàn)的核心代碼：

3 實驗及結(jié)果

3.1 實驗過程 本節(jié)對基于IEC61375 2-5的列車以太網(wǎng)網(wǎng)絡拓撲結(jié)構的負載均衡進行功能測試。

實驗環(huán)境如圖4（a）所示,采用3臺裝有NetFPGA板卡的聯(lián)想IdeaCentre K320的PC機，搭建圖1給出的實驗拓撲結(jié)構。將3臺主機HA，HB，HC串接，主機HA上nfc0，nfc1分別接主機HB上nfc0、nfc1，主機HB上nfc2，nfc3接HC主機nfc0，nfc1；下載本設計生成的bit文件到板卡；ifconfig配置端口的ip地址、子網(wǎng)掩碼（HA主機的nfc0端口10.128.0.1；HB主機nfc0端口10.128.0.2，nfc2端口10.128.0.4；HC主機的nfc0端口0.128.0.3）；終端HA ping主機HC的nfc0端口，回顯結(jié)果如圖4（b）所示，主機HA上監(jiān)測端口nfc0和nfc1上接受或發(fā)送的數(shù)據(jù)包數(shù)目和時間的java GUI顯示見圖4（c）。

圖4 負載均衡實驗及結(jié)果

3.2 實驗結(jié)果分析 從實驗結(jié)果中可以看出：數(shù)據(jù)的延時在0.1 ms左右，完全可以滿足列車控制網(wǎng)絡的要求（循環(huán)時間小于1ms）；主機HA ping向HC 10個數(shù)據(jù)包，同時收到10個數(shù)據(jù)包并且數(shù)據(jù)在端口0和端口1上均勻地傳輸，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的負載均衡。

4 結(jié)束語

本文運用負載均衡的思想主要是為了解決列車骨干網(wǎng)絡的大量數(shù)據(jù)傳輸與端口帶寬不足的矛盾以及減小數(shù)據(jù)在數(shù)據(jù)鏈路層阻塞引起的延時時間。在實際應用中端口的帶寬增加會大量增加成本，負載均衡就解決了這一因單一線路的升級成本太高或難以實現(xiàn)的難題。本文基于NetFPGA實現(xiàn)列車骨干網(wǎng)絡的負載均衡傳輸，為列車骨干網(wǎng)絡的大量數(shù)據(jù)傳輸提供了一條新的解決方案。

〔1〕彭國平，杜亞江．以太網(wǎng)技術在列車通信網(wǎng)絡中的應用探討〔J〕．鐵道車輛．2008，46（12）：25-28.

〔2〕黃軼，胡鵬飛.工業(yè)以太網(wǎng)在列車網(wǎng)絡中的應用設計〔J〕.鐵道運營技術，2011 Vol.17 No.1.

〔3〕周劍，陸桂華.零存整取NetFPGA開發(fā)指南〔M〕.北京：北京航空航天大學出版社，2010.6.

〔4〕Glen Gibb,John W.Lockwood,et al.NetFPGA—An Open Platform for Teaching How to Build Gigabit-Rate Network Switches and Routers〔J〕.IEEE Transactions on Education,VOL.51,NO.3,AUGUST 2008.

〔5〕John W.Lockwood,Nick McKeown,Greg Watson,et al.NetFPGA-An Open Platform for Gigabit-rateNetwork Switching and Routing〔C〕.IEEE International Conference on Microelectronic Systems Education（MSE'07）,2007.

〔6〕Hamed Tabatabaei，Yashar Ganjali． Preserving Pacing in Real Networks-An Experimental Study Using NetFPGA〔J〕.2nd North American NetFPGA Developers Workshop.Stanford，2010.