張辛楠， 徐中偉， 曹召義

(同濟大學(xué)電子與信息工程學(xué)院，上海201804)

0 引言

隨著近幾年物聯(lián)網(wǎng)、車聯(lián)網(wǎng)等新概念的提出，網(wǎng)絡(luò)逐漸成為了一個熱門的研究領(lǐng)域，同時網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用也遍及到了各行各業(yè)，交通、軍事、商業(yè)、能源、國家安全等都需要網(wǎng)絡(luò)對其內(nèi)部及外部的通信進行支撐．因此，網(wǎng)絡(luò)性能的好壞得到了廣泛的關(guān)注，由此也引發(fā)了國內(nèi)外關(guān)于網(wǎng)絡(luò)性能評價的大量研究．

對網(wǎng)絡(luò)性能的評價有兩個手段，理論分析手段和實驗分析手段．理論分析手段是指通過分析網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的物理組成與連接方式，數(shù)據(jù)鏈路層介質(zhì)訪問和鏈路控制協(xié)議及網(wǎng)絡(luò)層分組交換等協(xié)議，并結(jié)合理論推導(dǎo)，得出該網(wǎng)絡(luò)的性能．該方法對于研究小型局域網(wǎng)尚可行，但不適用大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)．實驗分析手段就是通過實驗的方式對網(wǎng)絡(luò)性能進行分析．實驗分為實物仿真、半實物仿真和純軟件仿真，針對不同的條件與環(huán)境選擇合適的方式進行實驗分析，得出結(jié)論．實驗分析是目前廣泛使用的一種網(wǎng)絡(luò)性能分析手段．

在進行實驗分析時，先進行環(huán)境搭建，即將實際的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，所用協(xié)議加入仿真環(huán)境．在環(huán)境搭建好以后，就要加入背景流量模型，和前景流量模型，最后對仿真結(jié)果進行分析，得出網(wǎng)絡(luò)性能評價的結(jié)論．背景流量模型反應(yīng)了網(wǎng)絡(luò)正常運行時的流量特征，是分析網(wǎng)絡(luò)性能的流量背景，背景流量模型必須盡量真實的表示出網(wǎng)絡(luò)實際正常運行時的流量特性，從而保證對網(wǎng)絡(luò)性能評價的準確性．

1 研究背景

根據(jù)《中國鐵路中長期發(fā)展規(guī)劃》精神，到2020年，我國將新建客運專線及高速鐵路1．2萬公里，運營最高時速為350公里，2020年至2030年將開發(fā)時速四百公里以上的地面交通工具．可見在高速鐵路上，隨著速度越來越快，1秒的延遲都可能造成100米制動距離的損失，在高速鐵路控制網(wǎng)絡(luò)中，通信網(wǎng)絡(luò)的擁塞和時延抖動很可能導(dǎo)致嚴重的后果，這使得對于安全數(shù)據(jù)網(wǎng)可靠性的分析尤為重要．

目前對于高速鐵路信號系統(tǒng)安全數(shù)據(jù)網(wǎng)可靠性的研究仍然停留在對基層環(huán)網(wǎng)的可靠性、子網(wǎng)間通信可靠性、網(wǎng)管系統(tǒng)可靠性在一定的假設(shè)和條件約束下使用分析的方法進行研究[1]．CTCS－2級和CTCS－3級列控系統(tǒng)是確保高鐵列車運行安全的分布式、實時、安全苛求的計算機控制系統(tǒng)，主要由 CTC、TCC、CBI、TSRS、RBC、ATP 等設(shè)備組成，廣泛分布在調(diào)度控制中心、車站/軌旁設(shè)備和列車上[2]．而客運專線信號系統(tǒng)安全數(shù)據(jù)網(wǎng)接入設(shè)備包括:列控中心(TCC)、計算機聯(lián)鎖(CBI)、臨時限速服務(wù)器(TSRS)、無線閉塞中心(RBC)[3]等與鐵路運輸安全密切相關(guān)的設(shè)備，設(shè)備之間傳輸?shù)膮^(qū)間閉塞分區(qū)狀態(tài)信息、列車進路狀態(tài)信息、調(diào)車信號狀態(tài)信息、以及聯(lián)鎖向RBC傳輸?shù)腟A信息等，都是列車運行期間非常重要的信息，這些信息的傳輸對實時的延遲，例如區(qū)間閉塞信息傳輸時延遲大于容忍范圍，極有可能造成列車追尾事故，所產(chǎn)生的后果非常嚴重．因此對信號系統(tǒng)安全數(shù)據(jù)網(wǎng)的可靠性進行有效的檢測是非常有必要的．

圖1 安全數(shù)據(jù)網(wǎng)一般組網(wǎng)結(jié)構(gòu)

如圖1所示，安全數(shù)據(jù)網(wǎng)中數(shù)據(jù)源主要由各個車站的TCC及有岔車站的聯(lián)鎖組成．本文所屬課題的研究目前已基本完成對該網(wǎng)絡(luò)在軟件環(huán)境中的仿真．

圖2 安全數(shù)據(jù)網(wǎng)的仿真圖

如圖2所示，我們以某高速鐵路標準線路為實例，將其安全數(shù)據(jù)網(wǎng)的部分提取出并在軟件環(huán)境中對該網(wǎng)絡(luò)進行了仿真．該線路中包含八個車站，其中四個有岔車站和四個無岔車站．與圖1所示組網(wǎng)結(jié)構(gòu)不同的是，圖2所示的仿真圖中，加入了RBC(無線閉塞控制系統(tǒng))和TSRS(臨時限速服務(wù)器)，這是為了能夠仿真CTCS－3級列控系統(tǒng)所進行的補充．

在完成了上述工作以后，就需要將安全數(shù)據(jù)網(wǎng)的背景流量模型加入該仿真環(huán)境中．該背景流量要能夠盡量貼近該網(wǎng)絡(luò)在正常運行時的流量特征．在此基礎(chǔ)上加入前景流量并進行仿真，最終根據(jù)仿真結(jié)果分析出安全數(shù)據(jù)網(wǎng)的可靠性指標．

2 背景流量模型的研究

網(wǎng)絡(luò)流量模型是指用數(shù)學(xué)模型對實際網(wǎng)絡(luò)的流量進行建模．在對網(wǎng)絡(luò)流量進行建模時，需遵循以下原則:首先流量的建模必須反映出真實流量在這一方面的特性，否則會直接影響網(wǎng)絡(luò)仿真測試的結(jié)果．接著流量的建模必須反映出網(wǎng)絡(luò)仿真分析關(guān)注的某方面的特性，并對該方面使用較復(fù)雜的模型．

2．1 背景流量模型理論分析

通過Taqqu等人對貝爾實驗室局域網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)流量建模的分析[4]，Paxon等人對廣域網(wǎng)流量和美國國家基金會網(wǎng)站網(wǎng)絡(luò)流量建模分析[5]，發(fā)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)流量模型最主要的一個特性，也是目前公認的一個特性:自相似性，即長相關(guān)性．在自相似性得出之前，傳統(tǒng)的流量模型例如基于泊松的流量模型僅具有短相關(guān)的特性[6]．

可以看出，傳統(tǒng)的流量模型主要的特性是短相關(guān)性．這種流量模型的特點是相關(guān)性在時間線上較短，無法表示出網(wǎng)絡(luò)流量的長相關(guān)性，只能反映出平緩的網(wǎng)絡(luò)流量狀態(tài)，無法反映出突發(fā)性的網(wǎng)絡(luò)流量，因為當數(shù)據(jù)源的數(shù)量增加時，即網(wǎng)絡(luò)上的虛電路增加以后，流量的突發(fā)性會由于短相關(guān)性被吸收掉，流量特性就顯得平緩．

與傳統(tǒng)的流量模型不同，自相似性的流量模型能夠反映網(wǎng)絡(luò)流量中持續(xù)自相似的現(xiàn)象，即即是時間維度變長，也會有自相似性出現(xiàn)，隨著自相似程度的出現(xiàn)，流量的突發(fā)性就會被保留[7]．

可以看出，為了研究網(wǎng)絡(luò)整體的流量多采用自相似性的流量模型[8]．但在研究背景流量模型時，考慮到背景流量的平緩性和一致性，具有自相似性的流量模型反而不適用于背景流量模型，適合用于背景流量模型的應(yīng)該是傳統(tǒng)的具有短相關(guān)性的流量模型．

2．2 背景流量模型建模方式選擇

網(wǎng)絡(luò)的流量模型分為前景流量和背景流量，可以理解為網(wǎng)絡(luò)的混沌性和網(wǎng)絡(luò)的周期性．周期性變化表示網(wǎng)絡(luò)的流量隨著時間軸的推動呈現(xiàn)周期性的變動，是有規(guī)律可循的，這部分用背景流量來表示，而混沌性表示網(wǎng)絡(luò)的流量無規(guī)則的部分，類似隨機過程．因此網(wǎng)絡(luò)流量是確定性流量與隨機性流量疊加而成的，要仿真的背景流量就是確定性或者說周期性的部分．

如同對確知信號和隨機信號的處理對象分別為信號本身的值和信號的統(tǒng)計特征值，對于背景流量模型的建模一般也分為兩種，一種是背景流量已知或者可以測得，這種情況一般使用跟蹤文件背景流量模型．另一種是無法確知但可以得到統(tǒng)計特征值，這種情況一般使用泊松背景流量模型．下面分別簡要介紹這兩種流量模型．

(1)泊松背景流量模型

在泊松背景流量模型中，近似的認為，數(shù)據(jù)包到達的時間及到達的數(shù)據(jù)包滿足泊松分布．具體的表示為，在以下的假設(shè)條件下[9]:

1)在不同的時刻數(shù)據(jù)包到達這一隨機事件之間相互獨立;

2)在一段時間Δt內(nèi)，這段時間有沒有數(shù)據(jù)包到達僅與時間間隔Δt有關(guān)，其他因素不影響這一概率;

3)在Δt內(nèi)，要么有數(shù)據(jù)包到達，記為1，要么沒有數(shù)據(jù)包到達，記為0．

在單位時間內(nèi)有數(shù)據(jù)包到達的概率為β，于是時間間隔Δt內(nèi)有數(shù)據(jù)包到達的概率為βΔt，那么未到達的概率為1－βΔt，n個Δt組成一段時間t，即t=nΔt．那么，根據(jù)二項分布，時間t內(nèi)到達的數(shù)據(jù)包個數(shù)為k個的概率為:

對公式(1)進一步考察，當n→∞ 時，

Pt(x=k)

此時，二項分布近似服從泊松分布，最后得到:

公式(2)說明，時間t內(nèi)到達的數(shù)據(jù)包個數(shù)的概率服從泊松分布．因此，在仿真中，只要給定均值，那么每個數(shù)據(jù)包發(fā)送的時間間隔就根據(jù)均值產(chǎn)生的服從破松分布的隨機數(shù)字來確定即可得到背景流量模型．

(2)跟蹤文件背景流量模型

跟蹤文件是指在網(wǎng)絡(luò)實際運行時，在網(wǎng)絡(luò)的某個節(jié)點，例如某個核心路由器的某個端口添加一個跟蹤進程，對從該端口流入和流出的數(shù)據(jù)進行記錄，得到一個跟蹤文件．在仿真時，調(diào)用這一跟蹤文件，并根據(jù)文件的內(nèi)容就可以真實地還原一段時間內(nèi)該端口的進出流量．

跟蹤文件背景流量模型的核心思想是根據(jù)已知的具體流量信息，將實際流量原封不動地加入到仿真環(huán)境中．這需要完全了解網(wǎng)絡(luò)流量，但它的效果也是顯著的，幾乎完全地還原了實際網(wǎng)絡(luò)工作時的流量狀態(tài)．

對于信號系統(tǒng)安全數(shù)據(jù)玩的背景流量建模，由于CTCS－3級列控系統(tǒng)作為鐵路總公司規(guī)范化的列控系統(tǒng)有公開的技術(shù)規(guī)范和行為準則供查詢，因此周期性的流量信息可以通過分析安全數(shù)據(jù)網(wǎng)設(shè)備之間通信的協(xié)議得出．綜上可得，跟蹤文件背景流量模型是最適合用于安全數(shù)據(jù)網(wǎng)仿真中使用的背景流量模型．

3 跟蹤流量在安全數(shù)據(jù)網(wǎng)中的應(yīng)用

信號系統(tǒng)安全數(shù)據(jù)網(wǎng)主要由CBI和TCC兩種設(shè)備組成，而根據(jù)CTCS－3級技術(shù)方案，無線閉塞系統(tǒng)(RBC)和臨時限速服務(wù)器(TSRS)也會掛在安全數(shù)據(jù)網(wǎng)上．

安全數(shù)據(jù)網(wǎng)中，可以認為僅有八類數(shù)據(jù)流，當設(shè)備安裝到位以后，安全數(shù)據(jù)網(wǎng)承載的所有具體通信業(yè)務(wù)可以唯一的確定，即網(wǎng)絡(luò)上所有的數(shù)據(jù)流的源地址和目的地址都可以預(yù)知．這樣，所有邏輯鏈路確定以后，就需要獲得這些鏈路上數(shù)據(jù)包發(fā)送的時間間隔及每次發(fā)送的數(shù)據(jù)包大?。韵噜廋BI之間的通信為例進行該背景流量模型

CTCS－3應(yīng)用于高速鐵路中，他相應(yīng)的技術(shù)標準都是規(guī)范公開的，很容易查到設(shè)備間的通信協(xié)議，根據(jù)通信協(xié)議就可以獲知鏈路上發(fā)送數(shù)據(jù)包的時間間隔和包大?。旅嬉訡BI和相鄰車站CBI之間的通信為例進行簡要介紹．

選擇圖2中的CBI0與CBI1之間的通信為例介紹跟蹤文件背景流量模型在安全數(shù)據(jù)網(wǎng)仿真中的應(yīng)用．CBI與相鄰車站CBI之間傳輸分界線兩邊的設(shè)備信息，包括進路內(nèi)物理區(qū)段、信號機、道岔及保護區(qū)段狀態(tài)．傳輸介質(zhì)為雙冗余以太網(wǎng)，傳輸層協(xié)議為UDP，幀結(jié)構(gòu)如下表所示．

表1 CBI與CBI之間通信幀格式

在表1中，MASK碼位與具體設(shè)備數(shù)量與類型相關(guān)，一旦現(xiàn)場設(shè)備種類及數(shù)量確定，MASK的長度也就確定，同時，命令的數(shù)量N也確定．由于圖1．2所示的線路為已知條件，因此，CBI與CBI間通信時同一個通信鏈路中數(shù)據(jù)幀大小是已知的．

在CBI與相鄰車站CBI間通信的技術(shù)規(guī)范中明確規(guī)定，CBI與鄰站CBI之間以300ms為周期為周期發(fā)送信息．這樣，數(shù)據(jù)包發(fā)送間隔也已知．

跟蹤文件是指在網(wǎng)絡(luò)實際運行時，在網(wǎng)絡(luò)的某個節(jié)點，例如某個核心路由器的某個端口添加一個跟蹤進程，對從該端口流入和流出的數(shù)據(jù)進行記錄，得到一個跟蹤文件．由于鐵路上安全數(shù)據(jù)網(wǎng)是嚴格按照規(guī)范來進行工作的，因此兩個CBI之間的背景流量信息為已知．因此，我們可以將這一信息直接寫入到CBI0與CBI1所在的Node模塊中相應(yīng)的FSM(有限狀態(tài)機)產(chǎn)生數(shù)據(jù)包，就可以在仿真過程中，得到其真實的流量狀態(tài)．

圖3 背景流量示意圖

如圖3所示是加入背景流量以后，CBI0到CBI1的平均吞吐量．由于相鄰聯(lián)鎖之間是固定時間間隔發(fā)送定長數(shù)據(jù)，因此平均流量基本上是恒定的，達到了預(yù)定目標．為了檢驗實際仿真時背景流量的效果，在CBI0到CBI1之間加入一前景流量(本次試驗加入Email服務(wù))，所得的端到端吞吐量如圖4所示，基本上反映了網(wǎng)絡(luò)流量的周期性和自相似性．

圖4 加入郵件服務(wù)的端到端吞吐量

綜上所述，CBI與相鄰CBI之間的通信業(yè)務(wù)簇及其數(shù)據(jù)包發(fā)送間隔、數(shù)據(jù)包大小均已知，將這些信息寫入跟蹤文件，仿真時按照文件逐條調(diào)度就可以得到具體某一時刻的流量狀態(tài)．

4 結(jié)論

信號安全數(shù)據(jù)網(wǎng)是CTCS－3級列控系統(tǒng)的重要組成部分，是CTCS－3級列控系統(tǒng)中地面系統(tǒng)的神經(jīng)中樞．通過以上分析，可以看出跟蹤文件背景流量模型能夠真實的反映某個具體時刻的流量狀態(tài)，作為網(wǎng)絡(luò)仿真的背景流量時對仿真分析結(jié)果的可信度提供了一個有力的支撐，而安全數(shù)據(jù)網(wǎng)承載的通信業(yè)務(wù)足夠支持這一背景流量模型的使用．因此選擇跟蹤文件背景流量模型作為客運專線信號系統(tǒng)安全數(shù)據(jù)網(wǎng)在網(wǎng)絡(luò)仿真中使用的背景流量模型能夠真實的還原網(wǎng)絡(luò)工作時的流量狀態(tài)，保證了加入前景模型后仿真結(jié)果的可信性，對信號安全數(shù)據(jù)網(wǎng)的可靠性的研究提供了堅實的基礎(chǔ)．

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