基于以太网的列车骨干网性能研究*

李元轩， 高 枫， 孔 元， 赵红卫

(中国铁道科学研究院 机车车辆研究所， 北京 100081)

基于以太网的列车骨干网性能研究*

李元轩， 高 枫， 孔 元， 赵红卫

(中国铁道科学研究院 机车车辆研究所， 北京 100081)

为满足未来列车网络承载大数据量传输需求，设计基于以太网的列车骨干网网络架构。在分析列车骨干网的特点的基础上，完成了列车骨干网节点的软、硬件开发，并进行了网络性能的相关测试，测试结果表明，基于以太网的列车骨干网络具有高数据吞吐量、高传输可靠性的特点，证明了基于以太网技术的列车骨干网络方案的可行性。

列车以太骨干网; 列车以太骨干网初运行; 网络性能

随着高速铁路技术的快速发展，列车网络承载的传输业务也日趋多样化，在网络吞吐量、可靠性等方面对列车通信网络有更高的要求。列车网络需具有能够满足多种数据信息的传输能力，如：列车控制信息传输、诊断信息传输、视频监视信息传输、旅客信息传输及多种多媒体信息传输等。信息传输量大大增加，网络结构有日益复杂化的趋势。现有诸如TCN ( WTB/MVB )[1]、LonWorks[2]、CANOpen[3]、ArcNet[4]、WordFIP[5]等列车通信网络，因具有实时性好和确定性高的特点，在现阶段被广泛应用。但是，现有这些网络技术所能完成的传输速率较低(一般不超过10 Mbs)，网络拓扑较单一，无法满足大吞吐量和灵活组网的需求；此外，由于承载的业务具有多样性，在实际网络应用中存在多种不同类型的网络设备，会造成网络结构复杂、相互通信存在困难、装备质量体积无法缩小等现实使用问题。在下一代铁路车辆车载网络研究中，目标之一是构建统一结构、具有高可靠性、大数据吞吐量能力、能同时承载多种业务的新一代列车网络。高速以太网技术作为现有成熟的国际网络标准，具有高传输速率、结构简单、配置灵活、架设成本低等诸多优点，因此成为未来列车网络研究的重要方向。

国际电工技术标准化组织IEC(International Electrotechnical Commission)通过比较多种候选方案，已选定以太网技术作为未来列车通信网络发展演进的重要技术之一。目前，在世界范围内，列车以太网的大范围研究刚刚兴起。在2012年度德国柏林轨道交通技术展览会上，著名铁路装备制造企业西门子集团展出的ICx系列动车组成功将PROFINET实时以太网技术应用于列车网络系统控制；与此同时，庞巴迪生产的高速动车组也同样使用了以太网技术用于诊断数据的传输。而传统以太网技术并不能简单复制应用于列车网络，还需要针对列车网络实际应用场景进行相关设计，对以太网进行改进满足实时控制需求，并验证列车以太网设备功能，最终实现列车信息吞吐量性能的大幅度提升，满足未来列车大容量数据传输需求。

结合列车应用场景，设计了一种列车以太网网络结构，研究了列车以太网网络设置、初运行过程，并进行了相关网络性能测试，论证了以太网技术应用于列车控制及多媒体信息传输的可行性，为下一代列车网络发展提供重要适用性依据。

1 列车骨干网(Train Backbone)

列车骨干网是列车之间通信的核心网络结构。如图1所示，列车骨干网主要由列车骨干网络节点(Train Backbone Node，TBN)、线缆等设备组成，分布于列车的各个车厢之中，且随需求不同可在同一车厢内放置不等数量的骨干网络节点。骨干网络节点需能够处理网络信息碰撞，并在转发信息时充分考虑信息传输可靠性。物理连接线缆采用双线布设，且当某一TBN失去电力供应时，能够及时切换旁路线路，不影响骨干网整体通信。当列车重新编组时，列车长度出现增减时，整个骨干网络能及时获知TBN数量的变化情况，并进行相应的处理，保障整体骨干网络的通信功能。

图1 列车骨干网节点及终端结构

2 列车初运行(Train inauguration)

列车初运行的过程是指列车网络因拓扑结构变化而进行的网络初始化过程。网络节点对列车的缩短、增长及车辆插入进行响应。在列车初运行过程中主要完成两方面工作：通过选择起始节点，依次赋予现有网络中列车骨干网络节点的次序；完成车组方向定义，网络节点能够依据方向定义计算自身在整个网络中的位置。

列车内的骨干网节点在执行列车初运行过程后，可获得完整的网络路径信息，并建立包含网络拓扑结构，共享网络中连接设备的属性信息、网络中的应用信息等。在网络中的所有节点可从骨干网节点中读取网络初运行结果，其所读取的初运行数据格式取决于具体使用的网络架构，如在使用以太网、WTB等网络技术时，初运行方式应满足各自的通信标准。

基本列车网络结构信息应包含：标准的列车参数、车组中的网络结构参数、车辆网络结构参数及部分终端节点的参数等。

列车初运行的控制功能包括：允许用户在认为需要的条件下强制进行新的初运行，以确保列车初运行功能的正确运行；为保持列车骨干网结构稳定，增强安全性，允许用户控制禁止初运行；当列车进行初运行过程中，会暂停发送、接收用户通过列车骨干网传输的数据，待初运行完成后，当所有骨干网节点拥有准确可靠网络信息后方可恢复用户数据传输；列车应用应能够对骨干网拓扑结构进行确认，确认初运行状态。

3 列车以太骨干网ETB(Ethernet Train Backbone)

IEC 61375-2-5标准[6]描述了列车以太网技术应用于列车骨干网通信的技术细节，规定了不同列车间需通过骨干网数据传输的结构。以太骨干网节点ETBN(Ethernet Train Backbone Node)具有汇聚子网数据的功能，可实现各个列车子网间互联互通，并同时具有互操作功能。除列车以太骨干网节点外，列车以太骨干网设备还包括：中继器、线缆、连接器等。

列车以太网络按使用范围可分为两级网络：车辆级网络ECN(Ethernet Consist Network)和列车级网络。

为了保证设备的IP地址不存在重复或冲突，终端设备的IP地址应采用符合IPv4规范(见IETF RFC1918)的A类私有地址。地址范围是10.0.0.0到10.127.255.255(即10.0/9)内的IP地址，二进制表示方法如下：

车辆级子网IP设置：

00001010.0ddddddd.dddddddd.dddddddd/9

其中字段[d]定义了本地子网的地址空间，可自由用于车辆级地址，列车级地址等。

列车级网络IP设置：

00001010.1bbxssss.sshhhhhh.hhhhhhhh/18

其中字段[b]为骨干网ID，用于列车控制与监视用途的骨干网时，数值为0；字母[x]为保留位，设置为0；字段[s]为车辆级地址编码，列车配置初运行后由ETBN通过TTDP(Train Topology Discovery Protocol)协议计算得出，并保留0值供ETB子网使用；字段[h]为ECN内部终端地址，最大可支持16 382个终端。在配置相应掩码位的情况下，其中高位可被用于划分子网。

4 列车以太骨干网初运行

列车以太骨干网的自动配置行为被称为列车以太网初运行。列车设备上电、编组状态的改变(加长或缩短)都将触发列车网络设备进行初运行。为了保持列车IP地址的稳定性，列车以太网初运行被禁止工作在降级模式下(丢失ETBN或ETBN迟缓接入)。列车IP配置由列车骨干网中所有的ETBN共同计算、更新和共享。

在列车以太网初运行过程中，由列车拓扑发现协议TTDP(Train Topology Discovery Protocol)计算出ECN的子网ID(“subnet id”)和设备所归属ETBN ID(“ETBN id”)，并以此为基础建立列车网络间的IP映射，设置列车网络路由定义、地址转换(NAT)规则、终端设备(ED)命名等。

为保证ETBN间实时更新和分享拓扑信息，TTDP协议使用了两张数据表来表示拓扑信息：

物理拓扑表：可看作为ETBN连接拓扑表，根据ETBN在列车骨干网中接入的数量实时更新，用于表示ETBN物理连接顺序的列表。

逻辑拓扑表，可被看作为ETBN逻辑拓扑表，内容包含“subnet id”和“ETBN id”，用于表示网络设备的逻辑关系。

结合图2所示的列车骨干网拓扑及方向定义，列车网络初运行过程遵循以下规则：

(1)ETBN顶节点(top node)为具有最小的车组通用唯一标识码(Consist Universally Unique Identifier，CstUUID)的ETBN端节点(ending node)，其中CstUUID为128bit识别码，由IETF RFC 422定义；

(2)如果列车只包含一个车组，则可静态指定ETBN顶节点；

(3)ETBN顶节点的ETBN id值为1；

(4)随后的ETBN在ETB参考方向2上(ETB Reference Direction 2)以升序从2开始依次编号，最后被编号的ETBN成为ETBN底节点(bottom node)；

(5)ETB的参考方向总是指向ETBN顶节点的方向；

图2 列车骨干网拓扑及方向定义

ETBN在进行以太网初运行过程完成功能如下：每一个ETBN将拓扑帧以多播的形式在网络中传播，形成实时更新的ETBN转发状态表(forwarding tables)及时发现并监视相邻节点；ETBN把感知到的拓扑结果向列车应用通告，并以协商方式获得拓扑授权；列车应用授权后，依据列车逻辑拓扑建立列车IP映射及更新网络服务(如DHCP、DNS、NTP等服务)。同时ETBN将向终端设备(ED)公告列车拓扑。ETB末端口设置为阻塞状态，并发送HELLO帧(使用管理MAC地址management MAC address)，用于实时侦测新的连接关系。

5 列车骨干网性能测试

完成的列车骨干网节点ETBN硬件，其结构如图3所示。该节点能够实现网络参数的自动配置与调整。具体网络节点性能测试依据IETF颁布的RFC2544[7]及RFC2889[8]测试方法，并使用spirent网络设备测试仪模拟实际列车通信业务流量对研制的ETBN进行测试，以增强测试结果的应用参考价值。

图3 列车骨干网节点实物图

5.1 按RFC2544规范的测试结果

RFC2544是重要的网络互连设备测试基准，主要测试网络设备的性能参数包括：Throughput(吞吐量)，Latency(延时)，Frame Loss Rate(帧丢失率)，Back-to-Back Frames(背靠背帧数)。

RFC2544测试拓扑，如图4所示，测试仪的流量端口连接所有的ETBN端口，测试仪输出模拟流量进行测试。测试帧长遵循RFC2544建议测试帧长样本，具体为 64，128，256，512，1 024，1 280和 1 518 字节，文中涉及的帧长样本均采用此标准，不再赘述。

图4 RFC2544测试拓扑

(1) 吞吐量：测试在没有丢包的情况下，ETBN设备所能达到的最大数据包转发速率。

ETBN的设计吞吐量为100 Mbs，测试速率范围为10%带宽到100%带宽，使用RFC2544建议测试帧长样本进行测试，帧长从64 Byte到1 518 Byte。测试结果为：在任意帧长下，数据都能够满带宽转发，即被测试设备在没有丢包情况下的最大转发速率为100 Mbs。

(2) 时延： 对于时延的测试，采用的是LIFO(Store and Forward)，后进先出(存储转发)测试是测量数据帧第一比特离开测试设备的时间与最后一个比特进入测试设备的时间之间的时间间隔。测试中，测试轮次为1次，每60 s按照测试仪配置增加带宽(，使用RFC2544建议测试帧长样本进行测试，测试帧长度覆盖64～1 518 Byte)，测试不同流量负载下的延时和抖动。时延以μs为单位，结果为最小时延3.99 μs，最大时延4.14 μs，时延抖动不超过0.12 μs，时延及抖动满足IEC 61375-3-4标准要求的时延性能。

(3) 帧丢失率：帧丢失率性能在RFC1242中定义，即被测试设备在稳定的情况下没有能够转发的帧的比例。测试仪分别在同一帧长下打入10%，20%，50%的恒定流量，在此基础上，打入更多额外流量，但总流量不超过最大带宽。，使用RFC2544建议测试帧长样本进行测试，每种帧长测试5轮，每轮分别测试10%，20%，50%的固定带宽，每次测试100 s。测试结果显示，在各数据帧长下，分别有恒定流量10%，20%，50%的情况下，剩余带宽的流量能够正常转发，未发生丢包情况。

(4) 背靠背帧数：指以最小帧间隔发送最多数据包不引起丢包时的数据包数量。该指标用于测试路由器缓存能力。测试结果在任意帧长度下，以最小帧间间隔转发数据，满负载100 Mbs，各帧长下都无丢包。

5.2 按RFC 2889规范的测试结果

RFC 2889则主要关注局域网(LAN)层面的设备测试，主要包括：Address Catching capacity(MAC地址缓存能力)，Address Learning Rate(MAC地址学习速率)，Broadcast Frame Forwarding(广播帧转发)，Broadcast Frame Latency(广播帧转发时延)，Errored Frame Filtering(错误帧过滤)。

(1) MAC地址缓存能力：在没有广播或丢帧的情况下，被测设备能够存储的MAC地址的数目。

MAC地址缓存能力测试拓扑如图5所示，测试仪分别与ETBN的3个端口相连接，按测试功能划分为测试端口、学习端口和监控端口。根据ETBN的设备特性，当发送的数据流量的目的MAC地址不存在与MAC地址表中，会有数据帧会从所有相同Vlan的物理端口泛洪出去。根据此原理，设计测试用例：通过测试端口向ETBN发送源MAC地址为100000000001的数据帧，使ETBN把测试端口的MAC地址添加到MAC地址表中；学习端口向目的MAC地址为100000000001发送源MAC地址为xxxxxxxxxxxx的MAC(x表示任意合法的MAC地址数值，表示变化的源MAC地址)，变化的数量在配置范围内增加或减少；测试端口向目的MAC为xxxxxxxxxxxx的学习端口发送数据流量，如果ETBN中缓存MAC地址未达到最大MAC表容量，则监听端口不会收到来自目的MAC为xxxxxxxxxxxx的数据流量，当ETBN缓存的MAC地址数目达到容量最大值时，流量会向监控端口泛洪，此时ETBN中MAC地址表中所含MAC地址的数量即为测试出的最大MAC地址缓存能力。测试中，最终测得设备的地址缓存能力为15 000。

图5 MAC地址缓存能力测试拓扑

(2) MAC地址学习速率：被测设备对新地址进行学习的速率。测试拓扑与图5中MAC地址缓存能力测试中一致，RFC 2889测试标准阐述的一般网络设备为保证MAC地址学习成功率， MAC地址学习速率可能为50 fs甚至更低。RFC 2889测试标准的制定时间为2000年，如今随着以太网技术的发展和铁路通信设备的要求，ETBN设备的设计MAC地址学习速率已经能够达到线速，即以64 Byte帧为MAC地址学习帧，学习速率能够达到148 809 f/s，可最大限度满足MAC地址学习速率需求。

(3) 广播帧转发：发送带有广播地址的测试帧，在所选择的接收端口上测量转发速率和帧丢失率，测试时间30 s。在测试中，在满负载情况下变换不同帧长，均未出现丢包现象，因此广播帧可以达到满带宽转发。而在实际应用中，网络中的广播报文极少，绝大多数流量都为单播流量和组播流量，因此可以满足设计要求。

(4) 广播帧转发时延：发送一个测试帧，然后在很短的时间内测量该帧到达每个接收端口的时延。广播帧的转发时延与单播时延一样，帧长与负载不影响转发时延。证明ETBN设备可以同时满足单播和广播转发的转发时延要求。

(5) 错误帧过滤：错误帧过滤测试的目的是，测定被测在错误帧或异常帧情形下的行为表现。测试中模拟3类错误帧的发送：小于64 Byte的超短帧，超过1 500 Byte的帧和带有CRC错误的帧。测试时间为30 s，结果均能对错误帧实现准确过滤，满足设计要求。

6 结束语

本文为改善传统的列车网络传输性能的局限性，研究了一种基于以太网技术的列车骨干网架构, 并根据列车网络实际应用场景要求对以太骨干网节点ETBN进行了相关设计，运用网络测试仪对ETBN节点根据RFC 2544中规定的吞吐量测试、时延测试、帧丢失率测试和背靠背帧数测试标准，进行了相关实测，并进一步根据RFC 2889测试标准对设备的MAC地址缓存能力、MAC地址学习速率、广播帧转发、广播帧转发时延、错误帧过滤等相关网络性能进行了测试。试验结果表明研制的列车骨干网节点满足IEC 61375-2-5中ETBN的技术指标要求。该研究为以太网技术应用于列车网络提供了相关性能依据，为今后列车以太网技术的广泛应用提供了技术积累和储备。

[1] IEC 61375-1, Electronic railway equipment- Train communication network (TCN)-Part 1: General architecture Edition 3.0, International Electrotechnical Commission[S].2012.

[2] GB/Z 20177.1-2006, 控制网络LONWORKS技术规范 第1部分：协议规范)[S]. 2006.

[3] CANopen high-level protocol for CAN-bus. H. Boterenbrood[Z]. NIKHEF, Amsterdam, 2000.

[4] RFC 1201: Transmitting IP Traffic over ARCNET Networks[Z], Novell, Inc, 1991.

[5] 梁庚.WorldFIP现场总线原理、开发及应用[M]. 北京：中国电力出版社, 2009.

[6] IEC 61375-2-5, Electronic railway equipment- Train communication network (TCN)- Part 2-5: Ethernet train backbone, International Electrotechnical Commission[S], 2014.

[7] RFC 2544: Benchmarking Methodology for Network Interconnect Devices[Z]. Harvard University, 1999.

[8] RFC 2889: Benchmarking Methodology for Network Interconnect Devices[Z]. Spirent Communications, 2000.

Performance Research of The Ethernet-based Train Backbone Network

LIYuanxuan,GAOFeng,KONGYuan,ZHAOHongwei

(Locomotive & Car Research Institute, China Academy of Railway Science, Beijing 100081, China)

To meet the demand of high rate transmission in the future train communication network, a Ethernet-based Train backbone network is designed. On the base of analyzing the feature of train backbone network, the software and hardware design of the Ethernet Train Backbone Node (ETBN) is developed. A train network test which can be evaluated the performance of the ETBN is proposed. The results show that the Ethernet-based Train backbone network can achieve the high data rate and the high reliability. The proposed scheme of the Ethernet-based Train backbone network is feasible to fulfill the future demands of the train communication network.

ethernet train backbone network; ETB train inauguration; network performance

1008-7842 (2015) 06-0011-04

)男，助理研究员(

2015-06-23)

U285.5+4

A

10.3969/j.issn.1008-7842.2015.06.03

*中国铁道科学研究院 纵横机电技术开发公司资助(1351ZH1204)“基于实时以太网的列车网络控制系统研究和样机研制”;中国铁路总公司科技研究开发计划资助(2014J011-H)“机车车辆前瞻性技术研究——下一代铁路机车车辆车载网络通信系统关键技术研究”