董敬超，崔紅月

(1. 北京交通大學(xué)，北京 100044；2. 中車唐山機車車輛有限公司，河北 唐山 063000)

1 引言

在動車運行過程中，車輛檢測器件，交互組件，以及控制單元將產(chǎn)生大量異構(gòu)的數(shù)據(jù)，而這些數(shù)據(jù)的集中處理需要依靠動車通信網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)行及時可靠的傳輸。由于這些數(shù)據(jù)直接影響動車運行的狀態(tài)，因此動車通信網(wǎng)絡(luò)的可靠性與可用性至關(guān)重要[1-2]。對于動車的大量數(shù)據(jù)與復(fù)雜控制，通信網(wǎng)絡(luò)在滿足大數(shù)據(jù)吞吐量的同時，也要盡可能提高傳輸速率與網(wǎng)絡(luò)安全[3-4]，傳統(tǒng)的以太網(wǎng)通信協(xié)議已經(jīng)難以應(yīng)對應(yīng)用需求，對此，研究人員也提出了一些優(yōu)化的網(wǎng)絡(luò)方法。

文獻(xiàn)[5]采用對交換機進(jìn)行優(yōu)先等級劃分的方式，優(yōu)化了網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)乃俣?，但是該方法沒有實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的冗余設(shè)計，通信數(shù)據(jù)的可靠性無法保證。文獻(xiàn)[6]針對交換機設(shè)計了混合調(diào)度策略，通過演算理論判斷各類數(shù)據(jù)對應(yīng)的時間窗口，從而提高網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的傳輸實時性，但是該方法也沒有考慮動車通信網(wǎng)絡(luò)的高可用與高可靠。文獻(xiàn)[7]采用了PRP與HSR的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，提升了網(wǎng)絡(luò)異常恢復(fù)的速度，而且網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)了冗余設(shè)計，提高了通信數(shù)據(jù)的可靠性，但是網(wǎng)絡(luò)的高可用沒有采取優(yōu)化。針對動車運行的實際需要與現(xiàn)有研究的缺陷，提出了高可用無縫冗余傳輸策略。網(wǎng)絡(luò)整體采用主從熱備機制，保證通信網(wǎng)絡(luò)大吞吐量的同時，也引入了網(wǎng)絡(luò)冗余設(shè)計，提高網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃裕以O(shè)計的優(yōu)先級調(diào)度策略，以及協(xié)議中加入的冗余參數(shù)，都能夠有效改善網(wǎng)絡(luò)的傳輸延時。

2 動車并行冗余通信模型建立

動車在啟動運行過程中，會產(chǎn)生大量的通信數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)類型復(fù)雜且異構(gòu)，分為過程、消息、監(jiān)控、流，以及其它數(shù)據(jù)，它們包含了車輛啟動運行時的所有檢測、指令與故障信息，通過列車通信系統(tǒng)的并行拓?fù)鋫鬟f到各個機構(gòu)處理?？紤]到數(shù)據(jù)量與傳輸速度，并行冗余通信的底層選擇數(shù)據(jù)帶寬大的Ethernet及其相應(yīng)協(xié)議，并根據(jù)實際需求對運行其上的傳輸協(xié)議與應(yīng)用協(xié)議做出相應(yīng)的修改與優(yōu)化，通過高性能網(wǎng)絡(luò)路由完成通信鏈路的測試與切換任務(wù)。為了具有良好的可靠性，在動車上層通信協(xié)議中，設(shè)計了雙層通信拓?fù)銭TB和ECN，并在其上應(yīng)用冗余協(xié)議。具體實現(xiàn)如圖1中描述。

圖1 動車通信網(wǎng)絡(luò)的冗余設(shè)計

圖中描述了兩個并行通信網(wǎng)絡(luò)，共同實現(xiàn)通信協(xié)議的高可用。每個并行通信網(wǎng)絡(luò)又分別具有ETB和ECN兩層，其中ETB層采取的是線性結(jié)構(gòu)的工作機制，ECN層采取的是環(huán)結(jié)構(gòu)工作機制。并行通信網(wǎng)絡(luò)之間的ETB根據(jù)設(shè)計的競爭機制，獲得主機通信權(quán)力，另外的ETB自動成為備機。由主ETB對通信協(xié)議做初始化，以及參與通信數(shù)據(jù)的包裝，同時由主ETB中的ETBN和ECN建立通信，ETBN會把并行通信網(wǎng)絡(luò)的ECN區(qū)分為主從，從而形成主從熱備狀態(tài)，提高可用性。在發(fā)現(xiàn)其中一個ETB或者ECN宕機時，自動喚行另外的備機，繼續(xù)通信，保證可靠性。

3 動車通信網(wǎng)絡(luò)的高可用無縫冗余優(yōu)化設(shè)計

在動車通信數(shù)據(jù)中，監(jiān)控與故障數(shù)據(jù)是最為重要的，這類數(shù)據(jù)應(yīng)該盡可能保證其時效性與安全性，而相對次要的數(shù)據(jù)則可以適當(dāng)調(diào)整其傳輸周期及包結(jié)構(gòu)。如果在動車運行中發(fā)生通信故障，應(yīng)該做到50ms內(nèi)實現(xiàn)恢復(fù)，才能滿足傳輸性能要求，由于PRP協(xié)議的并發(fā)特點，可以在通信故障情況下進(jìn)行無縫切換，該過程的耗時遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于要求的50ms，因此將其用于上層通信協(xié)議中，有利于網(wǎng)絡(luò)的高可用。而相對于實時性要求并不強的數(shù)據(jù)，可以將其重要程度進(jìn)行降檔處理，采取交替?zhèn)鬏斕幚?，由此可以?jié)約帶寬，保障重要數(shù)據(jù)的傳遞性能能。

在并行傳輸?shù)倪^程中，PRP協(xié)議利用LRE準(zhǔn)備網(wǎng)絡(luò)傳輸報文，報文格式如圖2所示。如果執(zhí)行的是發(fā)送處理，通過LRE把傳輸報文采取副本機制，同時追加4 Byte冗余參數(shù)RCT，再將雙副本報文傳輸?shù)礁鞑⑿芯W(wǎng)絡(luò)，從而提高報文發(fā)送的冗余性。如果執(zhí)行的是接收處理，LRE采取逆向操作，根據(jù)報文冗余參數(shù)判斷副本，保證數(shù)據(jù)的安全與可靠。

圖2 傳輸報文格式

報文尾部追加的冗余參數(shù)由16bit的序列碼SequenceNr，4bit的標(biāo)識符LAN，以及12bit的數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)量LSNU-size構(gòu)成。當(dāng)開始一次新的發(fā)送任務(wù)時，LRE會在準(zhǔn)備報文的同時對前一次的SequenceNr進(jìn)行遞增，作為本次的序列碼填充到報文中。LSNU-size為報文中數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)量，根據(jù)該值可以判斷是否要采取冗余操作，若判斷出數(shù)據(jù)未包含冗余參數(shù)時，則將報文不做任何處理進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)。LAN用于控制將報文發(fā)往哪個并行網(wǎng)絡(luò)中，所以多個副本發(fā)送時，只有該值是不同的。多副本通過并行網(wǎng)絡(luò)傳輸，接收報文的時間有先后，LRE根據(jù)冗余參數(shù)判斷報文是否存在，如果不存在，保留報文，反之拋出。這種處理方法可以有效避免某個并發(fā)網(wǎng)絡(luò)異常，使得傳輸鏈路不通，導(dǎo)致報文丟失，通信中斷。該處理利用并發(fā)網(wǎng)絡(luò)采取副本冗余機制，將一個報文從多條鏈路傳輸，接收節(jié)點只需要根據(jù)冗余參數(shù)確定報文的去留即可，而且不會增加網(wǎng)絡(luò)傳輸帶寬和傳輸開銷。

在拋棄報文時，需要根據(jù)SequenceNr確定拋棄窗口，此時涉及到上下邊界問題，假定窗口范圍表示為[StarSequence，ExpectedSequence]，且當(dāng)前收到的SequenceNr是CurrentSequence，則可以得到

ExpectedSequence=CurrentSequence+1

(1)

報文拋棄窗口設(shè)計如圖3所示，假定某次通信收到LANB的傳輸報文，通過SequenceNr進(jìn)行判斷，如果該報文同樣也來自于LANA，則將該報文與拋棄窗口進(jìn)行比較，并判定來自兩個并發(fā)網(wǎng)絡(luò)報文的有效性，判定依據(jù)如下

圖3 報文拋棄窗口設(shè)計

(2)

當(dāng)序列碼滿足該條件時，判定為拋棄接收到的LANB報文

(3)

當(dāng)序列碼滿足該條件時，判定為保留接收到的LANB報文。

4 動車通信網(wǎng)絡(luò)高可用無縫冗余的可靠性

在所設(shè)計的動車通信網(wǎng)絡(luò)中，實現(xiàn)高可用與無縫冗余功能的是兩個并行網(wǎng)絡(luò)，分別標(biāo)記為A和B，它們構(gòu)成雙機熱備系統(tǒng)，假定A發(fā)生異常的概率是p1，異?；謴?fù)的概率是u1，B發(fā)生異常的概率是p2，異常恢復(fù)的概率是u2，則通信網(wǎng)絡(luò)整體失效的概率可以表示為

(4)

網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湓O(shè)備的恢復(fù)概率一般可看作固定不變，即有u1=u2=1/tmttr，假設(shè)每個并行網(wǎng)絡(luò)中設(shè)置4臺交換機，則每個并行網(wǎng)絡(luò)的可用程度計算為

(5)

根據(jù)動態(tài)故障狀態(tài)的特點，采取si描述網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)i對應(yīng)的穩(wěn)態(tài)概率如下

(6)

其中的Q代表狀態(tài)矩陣，由故障概率與恢復(fù)概率，得到關(guān)于網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)矩陣Q如下

(7)

利用式(6)和式(7)，整理得到關(guān)于穩(wěn)態(tài)分布的公式如下

(8)

網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋯蝹€設(shè)備的故障率通常是固定不變的，利用前述公式便可以計算出網(wǎng)絡(luò)的靜態(tài)可靠性。對于動態(tài)組件，比如DANH端口，假定其異常概率是p，異?；謴?fù)的概率是u，基于并行網(wǎng)絡(luò)的平等特點，可以將動態(tài)組件的故障狀態(tài)描述如圖4所示。

圖4 故障狀態(tài)描述

此時，可以將狀態(tài)矩陣表示為

(9)

對應(yīng)的穩(wěn)態(tài)概率可以描述如下

(10)

根據(jù)式(9)和式(10)，整理得出穩(wěn)態(tài)分布公式為

(11)

據(jù)此，可以求出通信網(wǎng)路的動態(tài)可靠度。

5 仿真與結(jié)果分析

為了驗證設(shè)計的動車高可用無縫冗余通信網(wǎng)絡(luò)的性能，基于TimeNet平臺建立仿真分析，分別從通信可靠性、傳輸延時，以及數(shù)據(jù)吞吐量三個方面對其進(jìn)行驗證。

5.1 通信可靠性分析

在本文設(shè)計的高可用冗余通信網(wǎng)絡(luò)中，其中任何一個并行網(wǎng)絡(luò)發(fā)生故障，造成通信鏈路中斷時，另外的副本網(wǎng)絡(luò)都會無縫接替其工作，恢復(fù)通信，因此，將可靠性定義如下

Rs=RETB×RECN

(12)

等式右側(cè)的兩項依次代表ETB和ECN兩層的可靠度，通過仿真，得到高可用無縫冗余網(wǎng)絡(luò)的可靠性結(jié)果如圖5所示。根據(jù)結(jié)果曲線分析可知，單一網(wǎng)絡(luò)，沒有冗余設(shè)計時，一旦存在故障且不能及時恢復(fù)，就會導(dǎo)致通信失敗，可靠性差。而引入高可用冗余設(shè)計后，提高了網(wǎng)絡(luò)抗故障的能力，雙機熱備能夠?qū)崿F(xiàn)監(jiān)督機制，發(fā)現(xiàn)主機網(wǎng)絡(luò)存在故障，從機網(wǎng)絡(luò)快速轉(zhuǎn)為工作模式。

圖5 動車通信網(wǎng)絡(luò)可靠性結(jié)果曲線

引入傳統(tǒng)PRP協(xié)議與本文方法進(jìn)行性能對比，實驗得到兩種通信網(wǎng)絡(luò)中對應(yīng)的可靠性相關(guān)數(shù)據(jù)如表1所示。根據(jù)實驗數(shù)據(jù)對比，本文方法顯著降低了網(wǎng)絡(luò)故障的概率，發(fā)生故障的平均間隔比傳統(tǒng)PRP延長了將近一倍的時間，且真正實現(xiàn)了通信網(wǎng)絡(luò)的高可用性。從可靠性的角度分析，本文方法能夠顯著提高動車通信網(wǎng)絡(luò)的傳輸性能。

表1 可靠性數(shù)據(jù)結(jié)果對比

5.2 通信延時分析

在動車通信網(wǎng)絡(luò)中，報文傳輸?shù)臅r間計算公式可以表示為

T=Ln/Bwidth

(13)

其中，Ln表示傳輸數(shù)據(jù)的字節(jié)數(shù)量，Bwidth表示網(wǎng)絡(luò)帶寬?？紤]到過程數(shù)據(jù)的形成具有的周期性，在其周期改變的過程中觀測與通信時間的關(guān)系。實驗過程中，采用傳統(tǒng)PRP協(xié)議與本文方法進(jìn)行對比，通信延時結(jié)果曲線如圖6所示。根據(jù)結(jié)果曲線可知，隨著數(shù)據(jù)形成周期的增加，在15ms之前，傳統(tǒng)PRP協(xié)議傳輸延時呈現(xiàn)下降趨勢，當(dāng)周期變化到15ms時，下降平緩，并趨于穩(wěn)定，保持在0.6ms左右。而本文的高可用冗余協(xié)議無論周期如何變化，始終穩(wěn)定在0.2ms左右，通信延時明顯優(yōu)于傳統(tǒng)PRP協(xié)議。導(dǎo)致該結(jié)果的原因是由于本文方法將傳輸數(shù)據(jù)進(jìn)行重要程度區(qū)分等級，在協(xié)議中對重要程度最高的數(shù)據(jù)采取并行發(fā)送，處理周期更快，報文更小；而重要程度較弱的數(shù)據(jù)則采取大報文，串行發(fā)送，使優(yōu)先級低的數(shù)據(jù)讓優(yōu)先級高的數(shù)據(jù)先行，這種優(yōu)先級調(diào)度策略有效保證了實時性要求高的數(shù)據(jù)傳遞性能。

圖6 通信延時結(jié)果曲線

5.3 數(shù)據(jù)吞吐量分析

數(shù)據(jù)吞吐量也是衡量通信網(wǎng)絡(luò)性能的重要指標(biāo)，它的計算公式表示如下

(14)

其中，E{Pm}是待傳輸數(shù)據(jù)的平均標(biāo)識數(shù)，Ln是傳輸報文的字節(jié)數(shù)。由于數(shù)據(jù)字節(jié)的多少會影響數(shù)據(jù)吞吐量，因此在實驗過程中，改變數(shù)據(jù)報文的生成速度，得到吞吐量的變化情況，如圖7所示。

圖7 吞吐量和報文生成速度曲線

根據(jù)結(jié)果曲線分析，隨著報文生成速度的增長，通信網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)吞吐量會隨之增加，但是本文方法的吞吐量增長速度更快，且一直高于傳統(tǒng)PRP方法，這也是由于協(xié)議中采用了優(yōu)先級調(diào)度策略導(dǎo)致的。

6 結(jié)束語

動車通信網(wǎng)絡(luò)需要完成大量異構(gòu)數(shù)據(jù)的傳輸，傳統(tǒng)傳輸協(xié)議存在可靠性與實時性等諸多性能缺陷，為此，本文提出并設(shè)計了關(guān)于動車通信網(wǎng)絡(luò)的高可用無縫冗余傳輸協(xié)議。方法首先針對動車通信網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)的類型與傳輸要求，設(shè)計了雙層通信拓?fù)銭TB和ECN，并在并行網(wǎng)絡(luò)中形成主從熱備。然后根據(jù)數(shù)據(jù)的重要程度與實時性要求，設(shè)計優(yōu)先級調(diào)度策略，將傳輸數(shù)據(jù)劃分為不同等級，并采取不同的傳輸策略。再在傳輸報文尾部追加冗余參數(shù)，并設(shè)計報文拋棄窗口，對冗余參數(shù)進(jìn)行判定，處理接收報文。最后對動車通信網(wǎng)絡(luò)可靠性進(jìn)行了相應(yīng)分析。實驗結(jié)果表明，高可用無縫冗余協(xié)議具有比傳統(tǒng)通信協(xié)議更高的傳輸可靠性，且報文傳輸延時更小，數(shù)據(jù)吞吐量更大，能夠有效處理動車大量異構(gòu)的數(shù)據(jù)傳輸。