邢 震，賈步超，穆建成，馬連川

（1.北京交通大學 軌道交通控制與安全國家重點實驗室，北京 100044；2.南車青島四方機車車輛股份有限公司 技術中心，青島，266111；

3.鐵道部 科學技術司，北京 100844；

4.北京交通大學 電子信息工程學院，北京 100044）

列車通信網絡技術已成為現代列車的核心技術之一，動車組及城市軌道車輛無不采用列車通信網絡技術來實現車載設備的互聯與控制，以確保運行安全。在改善列車帶寬方面，交換式以太網技術擁有其他技術無法比擬的優(yōu)勢，但是列車網絡作為一種實時系統，必須保證引入交換式以太網后的列車網絡在數據傳輸方面具有良好的實時性、確定性和可靠性。為此，本文提出一種基于交換式以太網的列車通信網絡（Ethernet Based-Train Communication Network，EB-TCN）的設計方案。

1 EB-TCN網絡詳細設計方案

1.1 基于EB-TCN網絡拓撲結構

列車通信網絡基本結構劃分為3層，如圖1所示。

圖1 列車通信網絡結構

第1層是骨干網—列車級控制層（對應于傳統TCN的WTB總線），骨干層采用交換式以太網，交換機之間采用級聯方式連接，實現列車級控制。首尾2個交換機相連，構成環(huán)形網絡結構，線路連接上采用冗余的雙線方案。

第2層是車輛級控制層（對應于傳統TCN的MVB總線），物理介質采用雙絞屏蔽線。摒棄傳統TCN中的總線型拓撲方式，采用星型拓撲。每個終端系統通過一條唯一的物理通路接入交換機，使得每個終端系統獨享一個沖突域，避免了傳輸路徑上的數據沖突，降低了數據傳輸延時。網關是車輛控制層與骨干層連接的橋梁，同時還要具備操縱、分析數據、識別、配置節(jié)點、網絡管理等功能。

第3層是設備控制層，連接鐵路車輛上的MVB設備。由于EBTCN網絡只會改變底層數據傳輸網絡的實現方式，并沒有改變TCN中的上層協議，所以EB-TCN網絡能很好地應用到現有的車載設備上。

1.2 基于EB-TCN網絡通信協議棧

EB-TCN網絡設計方案對傳統的TCN通信協議棧做了相應改進，如圖2所示。

由圖2可以看出，修改后的通信協議棧對TCN中的物理層和鏈路層做了修改，改為交換式以太網層，同時在交換式以太網上加入了網絡層、傳輸層、實時虛擬層、實時協議層和應用層。

交換式以太網層協議完全符合IEEE802.3物理層和數據鏈路層標準，充分利用COTS以太網軟硬件、資源。

在網絡層中使用IP協議，傳輸層中使用 UDP協議。在可靠性方面，EBTCN采用互為冗余的雙重網絡，能極大地減少因采用UDP協議導致丟包的概率。

為了滿足列車通信網絡的應用要求，必須在交換式以太網和UDP/IP協議之上，建立完整的、有效的通信服務模型，指定有效的實時通信機制，協調好實時和非實時信息的傳輸服務。對此在運輸層之上設置實時虛擬層，在實時虛擬層中制定了有效的實時通信機制，該通信機制移植了TCN中MAC層的介質訪問機制。

在實時虛擬層之上設置符合IEC 61375-1國際標準的實時協議（RTP）層，RTP層完全支持符合IEC 61375-1國際標準的TCN調用。這樣能保證在修改底層網絡的情況下，仍能使用原先的TCN軟件資源。

圖2 網絡通信協議棧改進前后

應用層采用TCN協議棧中的應用層協議。

2 實時虛擬層

為了確保EB-TCN網絡的實時性、確定性，在通信協議棧中引入實時虛擬層，通過實時虛擬層通信調度機制調度底層的以太網資源，該通信調度機制采用TCN網絡的集中式主從調度機制，因此車輛控制層、骨干層的通信調度方式如下。

2.1 周期相的數據傳輸：

（1）以太網管理主（對應TCN的總線主）按照周期掃描表在交換式以太網中廣播周期相中第1個主以太網幀（對應TCN的主幀），所有列車設備接收到該主以太網幀后，檢查自身是否是被尋址的列車設備，被尋址的列車設備作為目標從設備廣播相應的第1個從以太網幀（對應TCN的從幀）；（2）以太網管理主按照周期掃描表廣播周期相中的第2個主以太網幀，被尋址的目標從設備廣播相應的第2個從以太網幀；（3）依次類推，直到周期掃描表中所有周期相有效數據傳輸完畢。

2.2 偶發(fā)相的數據傳輸

（1）以太網管理主單播周期掃描表中偶發(fā)相的第1個主以太網幀，同樣被尋址到的目標從設備單播相應的第1個從以太網幀；（2）以太網管理主單播周期掃描表中偶發(fā)的第2個主以太網幀，目標從設備單播相應的第2個從以太網幀；（3）以此類推，直到所有偶發(fā)相報文有效數據傳輸完畢（注：監(jiān)視相、事件相、保護相構成偶發(fā)相）。通信調度順序如圖3所示。

圖3 通信調度順序[1]

3 EB-TCN網絡正常情況下的實時性分析

EB-TCN網絡是硬實時系統，在數據傳輸過程中，報文帶有明確的時間限制，這些時間限制必須滿足，否則任務未能及時完成將導致災難性后果。下面對EB-TCN網絡正常工作時的端對端延遲進行分析。

為了保證交換式以太網的穩(wěn)定性能，使列車通信網絡滿足以下2個條件：

（1）網絡的全部流量小于交換機的容量，即：

Scap代表交換機的處理能力，即每秒內能處理的以太網數據幀個數；Framei代表第i個列車網絡設備在每秒內能產生的以太網幀個數；n代表接入到列車通信網絡中，且能參與網絡通信的列車設備。

（2）交換機到列車設備之間鏈路的帶寬足夠大，能處理發(fā)送到這條鏈路上的所有數據幀。即：

Sj_cap代表交換機和列車設備j之間鏈路的帶寬；Framei_j代表列車設備i在每秒內向列車設備j發(fā)送的bit個數；n代表接入到列車通信網絡中，且能參與網絡通信的列車設備。

條件（2）是為了保證每條鏈路的穩(wěn)定性，從而保證整個網絡的穩(wěn)定性。

當上述條件都滿足時，下面對交換機內部存在排隊延遲這種一般情況作出分析，網絡中總的延遲Tdelay為：

Tsource_process代表源列車設備對數據的處理延遲；Ttronsmission代表數據幀的發(fā)送延遲，其值為數據幀的比特數除以網絡帶寬；Tpropogation代表電信號在物理線路上的傳輸延遲，該值與物理線路的長度有關，并假定列車設備到最近交換機的電纜長度是相等的；Tqueue代表交換機內部的排隊延遲；

Tdestination_process代表目的列車設備對數據的處理延遲。

當交換機緩沖區(qū)內排隊的數據幀有Nq個時，交換機內排隊的最大延遲Tqueue為：

TIF表示連續(xù)發(fā)送2個以太網數據幀時，2幀之間的間隔，按照以太網標準，對于100BASE-T，其值為96 bit；TF為在緩沖區(qū)內排隊的以太網數據幀長度，由于TCN網絡上傳輸的主幀、從幀數據量非常小，這里使用最小的以太網幀，其值為576 bit。

公式（4）的關鍵是如何確定Nq的值，對此本文根據上文所說的條件（2）進行估計。因為在列車網絡中最小的輪詢周期為1 ms，當有149個設備同時向同一目標設備發(fā)送數據時，將產生 100.1 Mb/s，即：（（576+96）bit/frame×1 000frame/s×149）Mb/s，這個數值要大于鏈路帶寬100 Mb/s，因此在交換機內排隊的最大允許個數為148個數據幀，則：

為了檢查是否滿足條件（1），本文計算了148個設備在單位時間內產生的以太網數據幀數，每個設備每秒產生1 000個以太網數據幀，那每秒內總計產生148 000個以太網數據幀，這個以太網數據幀產生速率要遠小于通用以太網數據幀處理速率，例如，平時一般使用的桌面快速交換機，其背板帶寬為8.8 Gb/s，最大數據吞吐率為4.4 Gb/s。

通過分析表明，交換式以太網應用到實時性較強的領域是可能的。本文提出的實時虛擬層能從理論上保證交換機內沒有排隊延遲，即Tqueue=0，保證EB-TCN網絡能滿足列車通信網絡在實時性、確定性方面需求。

4 EB-TCN網絡最壞情況下的實時性分析

EB-TCN網絡數據傳輸的最壞情況是指車輛控制層或骨干層中所有設備同時向網絡發(fā)送數據，這時會在交換機中產生排隊延遲。EB-TCN網絡由于在實時虛擬層中采用了集中式主從調度方式，這種最壞情況在網絡正常運行下是不會出現的，但是當實時虛擬層中的實時調度不能起到應有作用時，有一定幾率會產生這種最壞情況，因此有必要對最壞情況下的EB-TCN網絡延遲進行分析，判斷EB-TCN網絡在最壞情況下的通信延遲能否滿足現有TCN網絡的實時性要求。

下面將運用網絡演算對EB-TCN網絡進行最壞情況下的延遲分析。

交換機提供給第i個數據流的服務曲線為[2]：

因為：

βi(θ)=A(θ)_αi（聚合數據流中除第 i個數據流外的其他數據六在0時刻的積壓數據）

所以可得：

代入公式（6）中可得：

從公式（8）可得交換機提供給第i個數據流的服務速率和服務時延參數分別為：

考慮到交換機采用存儲轉發(fā)方式時，只有完全接受到整個數據幀后才能對其進行處理，相當于在服務節(jié)點的輸出端加入了一個數據打包器。數據打包使服務時延增加一個數據幀的傳輸時間，所以車輛控制層時延上界為：

其中：Cmar為第i個數據流的最大幀長。

在計算骨干層的數據延遲時，當Vehicle1與Vehicle8中的控制單元相互傳遞數據時，骨干網層中存在最大的傳輸延遲。

CRH1型動車組平均一節(jié)車輛的長度為26 m，每節(jié)車輛的電纜長度大約為車輛長度的150%，為39 m，傳輸時延為。所以時延上界為：

假定交換機的上行端口速率為100 Mb/s，采用存儲轉發(fā)方式。為了簡化分析，假設每個交換機都關聯了m個負載子系統，每個負載子系統發(fā)送數據規(guī)律都相同。對于車輛控制層的周期性數據，考慮到TCN協議中MVB總線最小基本周期為1 ms這種極限情況，假定負載子系統每1 ms發(fā)送一個最小以太網幀，最小幀長為84 byte。對于偶發(fā)性數據，假定其平均發(fā)送速率為周期性實時數據的0.01倍速率。

根據上述假設條件可知交換機關聯的第i個負載子系統發(fā)送給交換機的數據流i到達曲線。

其中，周期性數據流的到達曲線為：

突發(fā)性實時數據流的到達曲線為：

故數據流i的聚合到達曲線為：

4.1 車輛控制層延遲仿真

由公式（9）（10）（11）（13）得

仿真曲線如圖4所示。

MVB總線在一個基本周期內周期相缺省時間為650 μs[3]，由圖4的仿真結果分析可知：當網絡延遲為650 μs時，EB-TCN網絡允許48個列車設備同時發(fā)送過程數據。武廣線對CRH3-013動車組TCN進行試驗時，MVB總線上在周期相內輪詢的列車設備數為2.086 5個，對比可知車輛控制層的實時性能要優(yōu)于MVB總線。

4.2 骨干層延遲仿真

對于骨干層的周期性數據，考慮到TCN協議中WTB總線最小基本周期為25 ms這種極限情況，假定負載子系統每25 ms發(fā)送一個最小以太網幀，參考WTB總線主幀、從幀結構，確定以太網幀的最小幀長為172 byte。對于偶發(fā)性數據，假定其平均發(fā)送速率為周期性實時數據的0.01倍速率。

圖4 車輛控制層端到端最大延遲仿真結果

根據上述假設條件同樣可知骨干層中交換機關聯的第i個負載子系統發(fā)送給交換機的數據流i到達曲線。

其中，周期性數據流的到達曲線為：

突發(fā)性實時數據流的到達曲線為：

故數據流i的聚合到達曲線為：

由（9）（10）（12）（14）得

仿真曲線如圖5所示。

TCN網絡中WTB總線的周期相默認為15 ms[3]，由圖5的仿真結果分析可知：當網絡延遲為15 ms時，EB-TCN網絡允許69個列車設備同時發(fā)送數據，此實時性能要遠優(yōu)于WTB總線。

通過分析可知，當EB-TCN網絡的通信調度機制失效時，車輛控制層和骨干層的實時性能也能滿足TCN網絡的實時傳輸需求。

圖5 骨干網端到端最大延遲仿真結果

5 結束語

基于交換式以太網的列車通信網絡（EBTCN）在實時性、確定性方面能滿足列車網絡需求，能夠成為TCN的替代方案。下一步將搭建實物測試平臺對EB-TCN網絡的實時性能進行進一步研究。

[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]劉澤華，劉立祥，王大鵬，羅 郁.列車通信網絡協議棧的實時性研究[J].計算機工程與設計，2011，32（3）.