基于交换式以太网的TCN仿真研究及分析＊

邢 震，康洪军，马连川，穆建成

（1 轨道交通控制与安全国家重点实验室，北京100044；2 唐山轨道客车有限责任公司，河北唐山064000； 3 北京交通大学电子信息工程学院，北京100044；4 轨道交通运行控制系统国家工程研究中心，北京100044； 5 铁道部科技司，北京100844）

列车通信网络（Train Communication Network，TCN）是一种硬实时系统，在数据传输过程中，报文带有明确的时间限制，这些时间限制必须满足，否则任务未能及时完成将导致灾难性后果。但随着基于通信的列车控制系统（CBTC）和中国列车控制系统3级（CTCS－3）在我国的不断推广，用于车辆控制与列车运行的数据种类会不断增长，可以预见MVB和WTB的带宽会越来越难以满足这种信息的增长。为此提出一种基于交换式以太网的列车通信网络方案，并通过Vx Works试验平台进行试验验证。

1 基于交换式以太网的TCN网络方案

1.1 基于交换式以太网的列车通信网络拓扑结构

该方案把列车通信网络基本结构划分为3层，如图1所示。

第1层是骨干网——列车级控制层，各个车厢的交换机采用级联的方式连接，实现列车级控制。第2层是车辆级控制层，物理介质采用双绞屏蔽线。摒弃传统TCN中的总线型拓扑方式，采用星型拓扑进行连接。第3层是设备控制层，连接铁路车辆上车载可编程设备。

1.2 基于交换式以太网的TCN网络通信协议栈

基于交换式以太网的列车通信网络方案对传统的TCN通信协议栈做了3大改进，如图2所示。

图1 列车通信网络结构

首先将用户的任务区分为实时和非实时任务；其次是将TCN网络中的RTP协议用实时协议层表示，并在实时协议层下增加了实施确定性调度的实时虚拟层；三是最底层使用了交换式以太网。

为了能很好的与现有的TCN网络融合，本文使上层的实时协议层完全符合TCN中的实时协议规定。但这样做的同时，也要求下层为实时协议层提供传输周期性数据和非周期性数据的服务，对此我们设计实时虚拟层。它的特点是为上层提供进程数据、消息数据和监视数据传输服务，同时也屏蔽了下层以太网的实现方式。使得我们能够用交换式以太网代替原TCN中的传统以太网。

以上的3大改进在不改变TCN网络上层协议的情况下，提高TCN网络的数据传输速率，改善TCN网络的确定性和实时性。

2 实时虚拟层

由上文分析可知，为了保证改进后列车网络的实时性和确定性，本文引进了实时虚拟层，下面对实时虚拟层中确保网络实时性的概念和措施进行说明。

2.1 虚拟链路

传统的TCN网络中采用介质共享的有线数据连接方式。本文参照文献［1］中AFDX相关的概念，在实时虚拟层中采用了VL（Virtual Link，虚拟链路）的连接方式。为了保证交换式以太网是一个确定性网络，虚拟链路具有以下特性：

（1）列车通信网络中的数据通信都是通过VL来实现的，每条VL都有自己的虚拟链路标志符。

（2）终端系统可以通过设置每条VL的可用带宽，实现VL间逻辑上的隔离。

（3）VL由两个重要参数：一条虚拟链路内部相邻的两个以太网帧之间的最小时间间隔BAG，其取值范围定义为1～128 ms；虚拟链路中允许传输的以太网帧的最大长度Lmax。因此将每条VL分配的最大带宽定义［1］为

所以说对于一条BAG为1 ms，帧长度为1 518字节的虚拟链路，其最大数据传输速率为12 144 000 b／s。

（4）VL还能通过自身的两个参数带宽分配间隔（band width allocation gap）和抖动时延（Jitter），实现了流量控制的功能。

2.2 虚拟链路调度机制

除了引进虚拟链路概念外，在此还参考文献［1］，在实时虚拟层中增加了流量整形和虚拟链路调度等实时数据传送保证机制。流量整形是在虚拟链路间分配通信资源，即对每一个具体的虚拟链接按需分配可用带宽间隔（BAG）和最大发送的帧长（Lmax）。流量整形功能是确定性分析的基础，没有经过流量整形的VL上的数据不是均匀传输的，假如VL上的数据经过流量整形后，会使VL上每个BAG间隔内发送的消息流不超过一个帧。这样就能防止虚拟链路中出现瞬时数据流，决定了聚合流量最坏条件下的排队延迟界限。

虚拟链路调度技术通过FIFO的方式将以太网帧发送到物理链路上，如图3所示。

图3 流量整形和虚拟链路调度［5］

2.3 信息发送和接收过程

由于方案中把用户数据分为实时性数据和偶发性数据，所以信息发送就分为两种情况。当列车中数据采集器采集到实时数据时，把数据发送到实时协议层进行封装（符合TCN的RTP协议）。实际中，列车中的实时数据都是过程数据，进行周期性发送，且不会有太大的改变，所以可以把具体的过程数据与具体的虚拟链路关联起来，即在某条虚拟链路上只传输某几种特定的过程数据。在实时虚拟层上，根据这种对应关系把过程数据发送到相应的虚拟链路上，在通过流量整形器后，对虚拟链路上的数据帧进行流量整形。接着多条虚拟链路上的数据通过虚拟链路调度器调度后在加入UDP报头、IP报头和Ether net报头，封装成以太网帧。每个基本周期中，系统会根据轮询策略（满足TCN的轮询策略）在交换式以太网中广播一个主帧，所有设备接收该主帧并译码，并判断自身是否被要求在这个基本周期内响应一个从帧（可以有多个设备被要求响应从帧），被确定要求响应从帧的设备随后向交换式以太网中发送一个从帧。

对于非实时性数据，在实时协议层中的操作与传统TCN中的操作是一致的，在实时虚拟层上，把报文发送到相关的虚拟链路上；在交换式以太网层上，把数据封装成以太网帧，发送到交换式以太网中。

接收端接收到数据后，根据各层的协议进行完整性检查，并去掉各层的报头，最后在实时协议层中根据TCN中的RTP协议把数据传递给对应的应用程序。

3 试验结果

为了进一步验证基于交换式以太网的TCN方案的实时性能，搭建了一个基于Vx Works的仿真系统。该仿真系统模拟了如图1的列车通信网络系统，其中交换机的带宽是100 Mb／s。计算出在最不利情况下（所有的设备同时发送数据）的网络最大延迟，为了试验结果易于分析，仿真系统中每台交换机的负载数分别定为10，20，30，35，40，50台。

试验结构如图4所示。为了能够模拟上述假设的高负载，仿真系统中采用了Vx Works操作系统中的多任务机制、任务间通信机制和网络通信机制。

由于网络延迟的时间非常小，除了使用Vx Works实时操作系统外，还要在试验过程中消除人为的干扰。accepter会匹配接收到的数据帧，只有接收到了规定的信号数据时，才能启动计时。

当交换机的负载分别为10，20，30，35，40，50台时，车辆控制层的试验结果如表1。

把试验数据绘制成试验曲线如图5所示。

图4 试验结构图

表1 车辆控制层试验结果 ms

图5 车辆控制层试验曲线

由于骨干层的试验方法与车辆控制层的基本相似，详细计算过程不再赘述。需要特别指出的是通过将1个以太网交换机划分成8个虚拟局域网（Virtual Local Area Network，VLAN）来模拟8个实际的以太网交换机。试验曲线如图6所示。

图6 骨干层仿真曲线

4 结果分析

4.1 车辆控制层延迟分析

由于TCN网络是一个强实时性系统，对于周期性过程数据，为了达到硬实时性指标，必须满足最坏情况下的应答时延和报文时延。

图7 MVB报文

根据文献［2］对MVB报文的规定可得，如图7所示：在传统TCN网络的MVB总线上，一个基本周期内发送一个过程数据报文的时间为：

式中T＿主表示主帧发送时间，固定为22μs；T＿主从主帧与从帧的间隔时间，取值为2～43μs，为不失一般性，这里取43μs；T＿从表示从帧发送时间，分别为22，33，54，102，198μs，为计算最坏情况，这里取值22μs；T＿从主表示从帧到下一主帧的间隔时间，取值为2～43μs，这里同样为不失一般性，取43μs。由上可知：

MVB总线的轮询基本周期为1 ms，由文献［3］中可知，一个基本周期内偶发相时间的缺省值为350μs，则周期相时间为650μs。则根据公式（3）的结果可知，一个基本周期内只能有650／130＝5个设备发送过程数据。

由图5仿真结果分析基于交换式以太网的列车通信网络，定义交换式以太网中过程数据发送时间：

从图5试验曲线可知，当有5个设备同时发送过程数据时，车辆级控制层端到端最大延迟为60.668μs，即

T＿S仅占周期相时间的16.74%。由图5还可以得出在650μs的周期相中车辆级控制层可以满足45台设备同时发送过程数据。

所以基于上述的理论分析，从实时性方面来看，基于交换式以太网的列车通信网络在车辆级控制层上比原TCN更加有优势。并且在交换式以太网中传输时，以太网帧可以装载46 B的过程数据量，每个交换机端口都可以独占100 Mb／s的带宽。而传统TCN中的MVB总线上实际最大传输位数为297位，并且MVB总线的通信速率只有1.5 Mb／s。两者相比，在数据量和通信带宽方面，基于交换式以太网的列车通信网络也要优于传统TCN网络。

4.2 骨干层延迟分析

图8 WTB报文

根据文献［2］对 WTB报文的规定可得，如图8所示：在传统TCN网络的WTB总线上，一个基本周期内发送一个过程数据报文的时间：

传统TCN网络中WTB总线中的基本固定周期为25 ms，由文献［3］可知，一个基本周期内偶发相时间占基本周期的40%，则周期相时间为15 ms。根据式（5）的结果可知在WTB总线上，一个基本周期内只能有15 ms／2 646μs＝5个设备发送过程数据。

由图6仿真结果来分析基于交换式以太网的列车通信网络的骨干层，当在骨干层中同时有5个设备发送过程数据时，最大的端到端延迟为0.446 77 ms；即T＿S从帧＝0.446 77 ms；T＿S主帧＝5.12μs；T＿S主从＝34 μs；根据式（4）可知：

T＿S仅占周期相时间的3.24%。由图6还可以得出当每个交换机的负载都为50个时，T＿S＝5.3 ms。也只占一个基本周期中周期相的35.3%。

我们以速度为360 km／h，列车追踪间隔为3 min的高速列车为例，从司机台发出紧急制动命令到车辆8制动单元开始制动时，紧急制动数据帧时延为5.3 ms。列车超速时ATP制动响应时间不大于500 ms，可以看出数据帧时延只占响应时间的1.06%，有较好的安全性保证。

从上述理论分析中，可以得出基于交换式以太网的列车通信网络在骨干网中数据传输的实时性同样要优于传统的TCN。并且在交换式以太网中传输时，以太网帧可以装载46 B的过程数据量，相比较于WTB过程数据报文只能装载1 024位过程数据，前者无疑具有较大的数据吞吐量。

5 结束语

提出基于交换式以太网的TCN方案，大大提高了列车通信网络的信号传输速率，同时还能保证强实时性。能有效地解决列车通信网络带宽和数据信息种类和数量的不断增长之间的矛盾，有利于促进铁路的高速发展。下一步将继续结合网络演算对基于交换式以太网列车通信网络的调度算法进行研究。

［1］ARINC.Specification 664：Aircraft data network，part7－deterministic networks［S］.2005.

［2］IEC.Electric rail way equipment－Trainbus－Part 1：Train Communication Network［S］.1999.

［3］IEC.Electric rail way equipment－Trainbus－Part 1：Train Communication Network［S］.2007.

［4］陈积明，王 智，孙优贤.工业以太网的研究现状及展望［J］.化工自动化及仪表，2001，28（6）.

［5］SBS Technologies.Avionics Full Duplex Switched Ethernet（AFDX）white book［M］.