一种机车终端设备的实时以太网通信实现

王铭 张姣姣

摘要

随着机车微机网络控制系统应用的逐渐深入，机车内部各控制单元间结点数不断增加，传输的数据也越来越大，特别是显示数据、故障数据和维护数据等的通信数据的不断完善，机车网络的占用率越来越高，网络负荷越来越大，影响机车通信的效率。机车实时以太网（TRDP）技术有效地解决了以太网通信的实时性问题，推动了以太网在机车上的使用。本文介绍一种终端设备的TRDP的软件实现方式及其性能测试。

【关键词】机车以太网 TRDP 性能测试

目前比较成熟的机车总线有MVB、WTB和CAN等。但是这些总线传输的数据量有限，随着动车高铁的快速发展，机车传输的数据量也日益增长，这些总线渐渐难以满足大数据量的通信。而机车实时以太网具有传输速率高、传输数据量大、组网灵活、价格便宜等优点，已经被IEC组织纳入TCN网络标准体系。

1 网络基本架构

IEC61375-1中介绍的典型网络拓扑结构包括线形、环形和梯形。为了满足机车网络的冗余需要，对于一个终端设备来讲，可以配置两个以太网接口，分别连接到两个交换机上构成互为冗余的通信链路。这种连接方式在IEC标准中被称为“双回归网络”。

接入ECN网络的设备可以是网络设备可以是终端设备，也可以是网络设备。网络设备主要建立ECN网络的连接，比如交换机，终端设备主要实现机车上的控制及反馈，比如机车控制单元。本文实现一种机车终端设备的实时以太网通信。

2 过程数据和消息数据在网络中的传输模式

使用TRDP传输的机车实时数据有速度快，容量大、兼容性好等特性。TRDP的执行是在TRDP底层，TCP/UDP上层。

TRDP包括过程数据、消息数据、监视数据、流媒体数据等。目前机车上多使用过程数据和消息数据。

过程数据主要是用来传输控制数据、监视数据等与机车控制有关的数据，由各个设备周期性发送，支持最大的帧长度为1432个字节。过程数据支持推（push）和拉（pull）通信模式。推模式为不需要应答的数据发送，即发布者周期性将数据发送给一个或多个订阅者，订阅者不需要应答。拉模式为发布者周期性将数据发送给一个或多个订阅者，订阅者需要应答。本文采用推模式的UDP组播实现。

消息数据主要用来传输故障诊断、日志记录等非控制数据，采用触发的方式传输。过程数据和消息数据都可由UDP协议传输，也可以由TCP协议传输。消息数据定义了呼叫者和应答着之间的数据传输。本文实现的是“不需要确认的请求”和“需要确认的请求，不需要确认的应答”的UDP单播，即呼叫者发送通知（notification）和呼叫者发送请求（request），应答者发送应答（reply）。

3 软硬件平台

TRDP协议栈是为保证在机车网络中传输的数据具有实时性、安全性和可靠性而设计的，根据以太网的实时协议的实现方式和响应速度可以分为三类：

（1）应用层实时：采用标准以太网的硬件及标准的TCP/IP协议，仅在应用层实现实时性。

（2）软实时：采用标准以太网硬件，在软件上修改部分链路层协议，在传输层和网络层上增加实时协议。

（3）硬实时：采用专门的以太网硬件，在软件上修改部分链路层协议，在传输层和网络层上增加实时协议。

本文使用的TRDP协议栈为应用层实时，位于OSI参考模型的应用层。这种方法不用变动以太网传输层及以下各层的软硬件，具有实现方便，兼容性强的优点，但是相比硬件实时来说，实时性较弱。但是根据机车网络控制的特性，整车逻辑控制速度较慢，机车网络一般不会较大，因此应用层实时也可以满足实际应用的需要。TRDP协议栈模型如图1所示。

本文使用的TREP协议栈根据TCNOpen开源代码和文档进行设计的TRDP协议位于OSI应用层，实现机车网络内终端设备之间的数据传输。TRDP协议栈的软件架构如图2所示。

TRDP协议栈默认使用17224和17225端口TRDP过程数据和消息数据的UDP通信端口。过程数据报文格式如图3。

消息数据报文格式如图4。

本文是在Linux系统下用e语言开发的，Linux底层要求双网口设置，需要内部设置为百兆、自协商，外部网卡设置为百兆、强制全双工。

4 性能测试

被试设备端口1的IP设为10.1.1.216，组播地址为230.194.0.214：端口2的IP设为10.2.1.216，组播地址为239.195.0.214。陪试设备端口1的IP设为10.1.1.201，组播地址为239.194.0.217：端口2的IP设为10.2.1.201，组播地址为239.195.0.217。连接方式如图5所示。

（1）根据IEC62175-2-3-2015进个TRDP消息数据ECHO单播测试。测试结果如图6所示。

（2）根据IEC61375-2-3-2015进行TRDP消息数据反向ECHO单播测试。测试结果如图7所示。

（3）过程数据。被试设备COMID为19821，周期为30ms。组播数据通信如图8所不

（4）TRDP性能测试。被试设备的COMID和周期如表1、表2所示，测试样本数约50万。

5 小结

随着机车网络通信技术的不断进步，基于以太网的网络技术必将成为机车网络的发展方向。机车网络数据交换技术是整个机车网络通信的核心技术。

本文针对ECN网络的终端设备，利用TRDP协议栈软件，实现了机车ECN网络通信，并测试了TRDP性能。测试证明本文实现的TRDP通信能够满足机车通信要求

参考文献

[1]International ElectrotechnicalCommission.IEC61375-2-3Electronicrailwayequipment-Traincommunication network（TCN）-Part 2-3：TCN communication profile.

[2]TCNOpen TRDP Users Manual.Documentreference no：TCN-TRDP2-D-BOM-011-12.

[3]International ELectrotechnicalCommission.IEC61375-1 Electricrailway 1：Train CommunicationNetwork[S].Geneve：IEC，1999.

[4]蔡志偉.机车实时以太网ETB与ECN交换技术研究[J].大连理工大学，2016.