劉 娜

(遼寧經(jīng)濟(jì)職業(yè)技術(shù)學(xué)院,110122,沈陽(yáng)∥講師)

?

一種基于組播報(bào)文的安全協(xié)議性能分析方法*

劉 娜

(遼寧經(jīng)濟(jì)職業(yè)技術(shù)學(xué)院,110122,沈陽(yáng)∥講師)

區(qū)域控制中心(ZC)子系統(tǒng)內(nèi)部安全協(xié)議是基于通信的列車控制(CBTC)系統(tǒng)成敗的關(guān)鍵。設(shè)計(jì)了ZC內(nèi)部安全協(xié)議組播發(fā)送方式及確認(rèn)機(jī)制,提出了組播報(bào)文的安全確認(rèn)流程。利用網(wǎng)絡(luò)仿真工具(OPNET)建立安全協(xié)議多線程模型,根據(jù)ZC的實(shí)際運(yùn)行情況對(duì)通信過(guò)程進(jìn)行仿真,結(jié)果表明組播發(fā)送方式減小了近50%的通信延時(shí)。

軌道交通; 基于通信的列車控制系統(tǒng); 安全協(xié)議; 組播報(bào)文

Author′s address Liaoning Economic Vocational Technological Institute,110122,Shenyang,China

在基于通信的列車控制(CBTC)系統(tǒng)中,區(qū)域控制器(ZC)向列車直接下達(dá)移動(dòng)授權(quán)(MA)是重要的行車運(yùn)行安全防護(hù)措施。基于2×2取2冗余結(jié)構(gòu)的ZC安全平臺(tái)內(nèi)部的安全協(xié)議是確保系統(tǒng)正常運(yùn)行的關(guān)鍵因素[1]。

為了降低成本和縮短研發(fā)周期,通常選擇在價(jià)格低廉的現(xiàn)貨供應(yīng)商品(COTS)上構(gòu)建故障安全硬實(shí)時(shí)通信網(wǎng)絡(luò)[2]。然而,以太網(wǎng)等COTS網(wǎng)絡(luò)的通信時(shí)間缺乏確定性,同時(shí)也缺乏能保障消息可靠傳輸?shù)目煽啃詸C(jī)制,需要在不可信傳輸設(shè)備上增加安全相關(guān)傳輸功能,并保證報(bào)文最大延時(shí)滿足安全時(shí)限。

文獻(xiàn)[3]設(shè)計(jì)了一種時(shí)間觸發(fā)以太網(wǎng)(time-triggered ethernet),利用發(fā)送時(shí)間窗口概念來(lái)協(xié)調(diào)各個(gè)發(fā)送節(jié)點(diǎn),避免沖突,減小了報(bào)文的平均延時(shí)。文獻(xiàn)[4]還分析了COTS以太網(wǎng)作為安全關(guān)鍵實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)的可行性,但他們都是在基于碰撞檢測(cè)機(jī)制的共享式以太網(wǎng)上建立時(shí)間觸發(fā)協(xié)議。協(xié)議中的仲裁機(jī)制在減小沖突和提高通信確定性的同時(shí),也降低了傳輸效率。存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)式以太網(wǎng)不再受限于沖突,明顯地減小了報(bào)文的延時(shí),更加適合應(yīng)用于工業(yè)實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)[5]。文獻(xiàn)[7]利用模型檢驗(yàn)工具(SPIN)對(duì)安全通信協(xié)議進(jìn)行形式化建模,驗(yàn)證了安全協(xié)議不存在死鎖與活鎖,且滿足時(shí)序邏輯公式描述的安全屬性,但是缺乏對(duì)安全協(xié)議通信延時(shí)等性能的分析[6]。文獻(xiàn)[7]設(shè)計(jì)了基于交換式以太網(wǎng)的適合ZC內(nèi)部冗余結(jié)構(gòu)的安全協(xié)議,但缺乏組播報(bào)文的相關(guān)設(shè)計(jì)和分析。為了提高通信效率,本文對(duì)該協(xié)議進(jìn)行擴(kuò)展,設(shè)計(jì)有關(guān)組播報(bào)文的安全確認(rèn)機(jī)制,并通過(guò)仿真對(duì)組播報(bào)文的性能進(jìn)行分析。

1 ZC內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)安全協(xié)議

1.1 ZC子系統(tǒng)內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及協(xié)議層次

ZC子系統(tǒng)包含2個(gè)通信控制器和4個(gè)主機(jī),以星型拓?fù)涞男问较噙B接。交換式以太網(wǎng)傳輸速率為100 Mbit/s,節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)不再受限于CSMA/CD協(xié)議[8]。為了提高協(xié)議效率,同時(shí)滿足安全需求,選擇在不可信傳輸層UDP協(xié)議上增加安全相關(guān)功能[9],其層次如圖1所示。

圖1 安全協(xié)議層次結(jié)構(gòu)

分組幀模塊負(fù)責(zé)將超長(zhǎng)應(yīng)用報(bào)文進(jìn)行分幀和組幀,安全時(shí)間模塊負(fù)責(zé)根據(jù)內(nèi)網(wǎng)報(bào)文類型和時(shí)間戳來(lái)判斷報(bào)文的時(shí)間安全性。序列號(hào)、CRC校驗(yàn)、源目的地址標(biāo)識(shí)等安全技術(shù)是安全鏈路層檢查報(bào)文合法性的手段。安全協(xié)議規(guī)定[10]接收方收到數(shù)據(jù)報(bào)文后,需要根據(jù)報(bào)文目的地址判斷合法性,如果報(bào)文合法則回復(fù)ACK報(bào)文,發(fā)送方接收到ACK確認(rèn)之

后確認(rèn)數(shù)據(jù)報(bào)文已經(jīng)安全到達(dá)。發(fā)送方發(fā)送報(bào)文后,需等待接收方返回的ACK確認(rèn)消息,超時(shí)未收到則重新發(fā)送,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)內(nèi)網(wǎng)報(bào)文的選擇重傳。

1.2 組播報(bào)文的安全應(yīng)答方式設(shè)計(jì)

組播是將1個(gè)分組的多個(gè)拷貝發(fā)送給所有可能目標(biāo)地址的選定子集的技術(shù)。VxWorks操作系統(tǒng)傳輸層UDP協(xié)議的Socket相關(guān)API函數(shù)支持組播功能。接收方通過(guò)調(diào)用相應(yīng)API函數(shù)將自身IP地址加入到1個(gè)組播組,發(fā)送方將報(bào)文發(fā)送到這個(gè)組播組后,事先加入到該組中的所有接收方均可收到相同的報(bào)文。

CBTC系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中,ZC子系統(tǒng)管轄范圍內(nèi)的車載控制器(VOBC)子系統(tǒng)周期性地向ZC發(fā)送位置報(bào)告等報(bào)文。這些外網(wǎng)報(bào)文發(fā)送到ZC的2×2取2安全計(jì)算機(jī)平臺(tái)的通信控制器上,轉(zhuǎn)化成內(nèi)網(wǎng)報(bào)文后,再由通信控制器通過(guò)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的方式向4個(gè)主機(jī)發(fā)送,這一過(guò)程可用組播方式優(yōu)化。

圖2給出了組播報(bào)文應(yīng)答過(guò)程的統(tǒng)一建模語(yǔ)言(UML)描述。通信控制器接收到外網(wǎng)報(bào)文后,用1個(gè)組播報(bào)文將這個(gè)外網(wǎng)報(bào)文轉(zhuǎn)發(fā)給4個(gè)主機(jī),并啟動(dòng)重傳計(jì)時(shí)器。主機(jī)收到組播報(bào)文并驗(yàn)證目的地址合法性之后,需向通信控制器回復(fù)ACK應(yīng)答報(bào)文。規(guī)定在5 ms之內(nèi),通信控制器應(yīng)能收齊全部4個(gè)應(yīng)答報(bào)文,并取消重傳計(jì)時(shí)器,超時(shí)未收到則需采用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的通信方式進(jìn)行選擇重傳。

圖2 組播報(bào)文的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)重傳過(guò)程

2 ZC內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議建模

2.1 層次化模型架構(gòu)

利用網(wǎng)絡(luò)仿真軟件OPNET Modeler 10.0進(jìn)行建模,其總體模型層次架構(gòu)如圖3所示,頂層為網(wǎng)絡(luò)模型,向下依次是節(jié)點(diǎn)模型和進(jìn)程模型。內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)模型主要包括模擬通信緩沖的隊(duì)列和功能模塊。模塊之間的接口采用OPNET隊(duì)列模塊模擬,模塊內(nèi)部功能采用有限狀態(tài)機(jī)(FSM)模擬,其中安全傳輸與流量控制模塊是ZC內(nèi)部安全協(xié)議的核心。下面重點(diǎn)介紹該模塊中的FSM模型。

按照任務(wù)優(yōu)先處理隊(duì)首數(shù)據(jù)包的原則,基于排隊(duì)論建立節(jié)點(diǎn)模型,仿真時(shí)隊(duì)列中被阻塞報(bào)文的延時(shí)時(shí)間按泊松分布設(shè)定。

圖3 層次化模型架構(gòu)

2.2 核心模塊中的進(jìn)程模型

ZC內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)的安全傳輸層和流量控制層通過(guò)發(fā)送、接收、重發(fā)等任務(wù)實(shí)現(xiàn),其中接收任務(wù)具有最高的優(yōu)先級(jí),重發(fā)等任務(wù)優(yōu)先級(jí)次之。VxWorks操作系統(tǒng)中的任務(wù)經(jīng)過(guò)初始化之后就處于阻塞狀態(tài),

等待事件觸發(fā)執(zhí)行,然后循環(huán)阻塞。任務(wù)之間有傳遞消息的機(jī)制,如信號(hào)量與消息隊(duì)列等。OPNET的進(jìn)程模型具備循環(huán)阻塞和事件觸發(fā)執(zhí)行機(jī)制,其自帶的進(jìn)程間通信機(jī)制[11]可有效模擬ZC子系統(tǒng)采用的VxWorks實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)中的任務(wù)通信方式,可真實(shí)客觀地反映CBTC系統(tǒng)中ZC子系統(tǒng)的運(yùn)行情況?；谶@些特點(diǎn),利用OPNET進(jìn)程對(duì)實(shí)際通信相關(guān)任務(wù)進(jìn)行仿真,利用OPNET自帶的FSM建模工具描述任務(wù)的行為。接收、發(fā)送和重發(fā)進(jìn)程的FSM分別如圖4、5、6所示,相應(yīng)符號(hào)的描述如表1所示。

圖4 接收進(jìn)程的FSM

圖5 發(fā)送進(jìn)程的FSM

3 仿真分析

對(duì)于安全協(xié)議來(lái)說(shuō)報(bào)文的延時(shí)是非常重要的指標(biāo),協(xié)議須保證隊(duì)尾報(bào)文延時(shí)滿足安全時(shí)限。如果超出重發(fā)時(shí)限沒(méi)有收到應(yīng)答報(bào)文,發(fā)送方安全鏈路層采取超時(shí)重發(fā)策略。為了測(cè)試組播方式對(duì)報(bào)文延時(shí)的影響,按表1中的參數(shù)進(jìn)行仿真測(cè)試。測(cè)試采用1個(gè)發(fā)送方和4個(gè)接收方,為了避免發(fā)送窗口對(duì)報(bào)文的延時(shí)產(chǎn)生影響,發(fā)送窗口要足夠大(設(shè)為50個(gè)報(bào)文)。仿真時(shí)間以200 ms為周期,測(cè)試10 min。每個(gè)周期起始時(shí),模擬發(fā)送方應(yīng)用層向分幀隊(duì)列發(fā)送n個(gè)200字節(jié)的應(yīng)用報(bào)文,規(guī)定n小于50,分別用組播和點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的方式將數(shù)據(jù)發(fā)送到4個(gè)接收方,記錄接收方收到的4n個(gè)報(bào)文從發(fā)送方應(yīng)用層到接收方應(yīng)用層的平均延時(shí),然后再對(duì)3 000個(gè)周期的報(bào)文平均延時(shí)取平均,仿真結(jié)果如圖7所示。

圖6 重發(fā)進(jìn)程的FSM

進(jìn)程狀態(tài)狀態(tài)描述接收進(jìn)程INIT接收進(jìn)程相關(guān)資源初始化IDLE等待接收接收socket緩沖隊(duì)列中的內(nèi)網(wǎng)幀ACK_proc應(yīng)答幀處理過(guò)程,通知重發(fā)進(jìn)程DATA_proc非應(yīng)答幀處理過(guò)程發(fā)送進(jìn)程INIT初始化發(fā)送進(jìn)程相關(guān)資源nD_nW無(wú)數(shù)據(jù)_有發(fā)送窗口等待狀態(tài)Ew+Uw-可用窗口數(shù)加1,以用窗口數(shù)減1nD_nW無(wú)數(shù)據(jù)_無(wú)發(fā)送窗口等待狀態(tài)Qd++隊(duì)列中的數(shù)據(jù)數(shù)量加1snd_1發(fā)送窗口數(shù)量大于1時(shí),將數(shù)據(jù)發(fā)送到socket發(fā)送緩沖snd_2發(fā)送窗口數(shù)量等于1時(shí),將數(shù)據(jù)發(fā)送到socket發(fā)送緩沖eD_nW隊(duì)列中有數(shù)據(jù)_無(wú)發(fā)送窗口等待狀態(tài)重發(fā)進(jìn)程INIT初始化重發(fā)進(jìn)程相關(guān)資源IDLE無(wú)數(shù)據(jù)_有發(fā)送窗口等待狀態(tài)ACK_treat對(duì)應(yīng)答幀進(jìn)行處理time_out數(shù)據(jù)超時(shí)warning_sys重發(fā)次數(shù)大于3次,向平臺(tái)報(bào)錯(cuò)resend對(duì)消息進(jìn)行重發(fā)

從圖7中可以看出,利用組播方式進(jìn)行發(fā)送,可以減小報(bào)文的平均延時(shí),而且隨著應(yīng)用輸入報(bào)文數(shù)量的增加,組播方式下報(bào)文的平均延時(shí)增長(zhǎng)的速度小于點(diǎn)對(duì)點(diǎn)方式,當(dāng)應(yīng)用輸入報(bào)文數(shù)量增加到5個(gè)時(shí),組播方式下報(bào)文的平均延時(shí)已經(jīng)減小到點(diǎn)對(duì)點(diǎn)方式下的50%。利用OPNET提供的鏈路使用率統(tǒng)計(jì)變量進(jìn)行觀察,發(fā)現(xiàn)通信鏈路上通信控制器到交換機(jī)方向,選擇組播發(fā)送方式的使用率僅為點(diǎn)對(duì)點(diǎn)發(fā)送方式的25%。

圖7 組播方式和點(diǎn)對(duì)點(diǎn)方式報(bào)文的平均延時(shí)

4 結(jié)語(yǔ)

本文提出了基于UML的安全協(xié)議組播報(bào)文的安全確認(rèn)機(jī)制和一種利用OPNET的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)組播協(xié)議的建模思想。通過(guò)仿真研究,證明了支持組播的安全協(xié)議可以減小報(bào)文的延時(shí)。報(bào)文延時(shí)的減小,可以降低超時(shí)重發(fā)的概率,更有利于提高安全協(xié)議的性能。

[1] 馬連川,高倍力.基于通信的列車控制系統(tǒng)移動(dòng)數(shù)據(jù)通信關(guān)鍵問(wèn)題的探討[J].鐵道學(xué)報(bào),2005,27(2):114.

[2] FETZER C,CRISTLAN F.Fail-awareness:An approach to construct fail-Safe systems[J].Real-time Systems,2003,24(2):203.

[3] KOPETZ H,GRILLINGER P,STEINHAMMER K.The Time-triggered ethernet (TTE) design[C]∥8th IEEE International Symposium on Object-oriented Real-time Distributed Computing(ISORC).Washington:IEEE Society,2005:22.

[4] 楊仕平,桑楠,熊光澤.基于Ethernet技術(shù)的安全關(guān)鍵實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)[J].軟件學(xué)報(bào),2005,16(1):121.

[5] LEE K C,LEE S.Performance evaluation of switched Ethernet for real-time industrial communications[J].Computer Standards & Interfaces,2002,24(5):411.[6] ZHANG Y,TANG T,LI K P,et al.Formal verification of safety protocol in train control system[J].Science in China Series E:Technological Sciences,2011,54(11):3078.

[7] 張巖,唐濤,馬連川,等.基于交換式以太網(wǎng)安全通信協(xié)議的模型和仿真研究[J].鐵道學(xué)報(bào),2010,32(3):43.

[8] IEEE Standard 802.3u.Media access control (MAC) parameters,physical layer,medium attachment units,and repeater for 100 Mb/s operation,type 100BASE-T[S].1995.

[9] IEC 62280-1.Railway applications-communication,signalling and processing systems.Part 1:Safety-related communication in closed transmission systems[S].2001.

[10] Wu J H,Zheng G.Real-time performance analysis of industrial embedded control systems using switched ethernet[C].∥IEEE International Conference on Networking,Sensing and Control.London:IEEE Society,2007:64.

Analyzing Method for Safety Protocol Performance Based on Multicast Packets

LIU Na

Safety protocol of zone controller (ZC) subsystem in communication based train control (CBTC) system is a key factor that determines whether the system is successful or not. A multicast sending and acknowledging method for safety protocol inner ZC is designed, the safety acknowledgement process for multicast packet is developed.Then,OPNET Modeler 10.0 is used to build a multi-task module of the safety protocol, and the communication process is simulated basing on the real running situation of ZC. The results show that the delay of the safety protocol based on multicast is about 50% lower than that of the protocol not based on multicast.

rail transit; communication based train control(CBTC); safety protocal; multicast packet

*中國(guó)鐵道科學(xué)研究院基金項(xiàng)目(2013YJ105)

U 231.7; TN 915.04

10.16037/j.1007-869x.2016.08.000

2015-01-05)