基于以太網(wǎng)的列車骨干網(wǎng)性能研究*

李元軒， 高 楓， 孔 元， 趙紅衛(wèi)

(中國(guó)鐵道科學(xué)研究院 機(jī)車車輛研究所， 北京 100081)

基于以太網(wǎng)的列車骨干網(wǎng)性能研究*

李元軒， 高 楓， 孔 元， 趙紅衛(wèi)

(中國(guó)鐵道科學(xué)研究院 機(jī)車車輛研究所， 北京 100081)

為滿足未來(lái)列車網(wǎng)絡(luò)承載大數(shù)據(jù)量傳輸需求，設(shè)計(jì)基于以太網(wǎng)的列車骨干網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。在分析列車骨干網(wǎng)的特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，完成了列車骨干網(wǎng)節(jié)點(diǎn)的軟、硬件開發(fā)，并進(jìn)行了網(wǎng)絡(luò)性能的相關(guān)測(cè)試，測(cè)試結(jié)果表明，基于以太網(wǎng)的列車骨干網(wǎng)絡(luò)具有高數(shù)據(jù)吞吐量、高傳輸可靠性的特點(diǎn)，證明了基于以太網(wǎng)技術(shù)的列車骨干網(wǎng)絡(luò)方案的可行性。

列車以太骨干網(wǎng); 列車以太骨干網(wǎng)初運(yùn)行; 網(wǎng)絡(luò)性能

隨著高速鐵路技術(shù)的快速發(fā)展，列車網(wǎng)絡(luò)承載的傳輸業(yè)務(wù)也日趨多樣化，在網(wǎng)絡(luò)吞吐量、可靠性等方面對(duì)列車通信網(wǎng)絡(luò)有更高的要求。列車網(wǎng)絡(luò)需具有能夠滿足多種數(shù)據(jù)信息的傳輸能力，如：列車控制信息傳輸、診斷信息傳輸、視頻監(jiān)視信息傳輸、旅客信息傳輸及多種多媒體信息傳輸?shù)?。信息傳輸量大大增加，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)有日益復(fù)雜化的趨勢(shì)?，F(xiàn)有諸如TCN ( WTB/MVB )[1]、LonWorks[2]、CANOpen[3]、ArcNet[4]、WordFIP[5]等列車通信網(wǎng)絡(luò)，因具有實(shí)時(shí)性好和確定性高的特點(diǎn)，在現(xiàn)階段被廣泛應(yīng)用。但是，現(xiàn)有這些網(wǎng)絡(luò)技術(shù)所能完成的傳輸速率較低(一般不超過(guò)10 Mbs)，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)漭^單一，無(wú)法滿足大吞吐量和靈活組網(wǎng)的需求；此外，由于承載的業(yè)務(wù)具有多樣性，在實(shí)際網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中存在多種不同類型的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，會(huì)造成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、相互通信存在困難、裝備質(zhì)量體積無(wú)法縮小等現(xiàn)實(shí)使用問題。在下一代鐵路車輛車載網(wǎng)絡(luò)研究中，目標(biāo)之一是構(gòu)建統(tǒng)一結(jié)構(gòu)、具有高可靠性、大數(shù)據(jù)吞吐量能力、能同時(shí)承載多種業(yè)務(wù)的新一代列車網(wǎng)絡(luò)。高速以太網(wǎng)技術(shù)作為現(xiàn)有成熟的國(guó)際網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)，具有高傳輸速率、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、配置靈活、架設(shè)成本低等諸多優(yōu)點(diǎn)，因此成為未來(lái)列車網(wǎng)絡(luò)研究的重要方向。

國(guó)際電工技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化組織IEC(International Electrotechnical Commission)通過(guò)比較多種候選方案，已選定以太網(wǎng)技術(shù)作為未來(lái)列車通信網(wǎng)絡(luò)發(fā)展演進(jìn)的重要技術(shù)之一。目前，在世界范圍內(nèi)，列車以太網(wǎng)的大范圍研究剛剛興起。在2012年度德國(guó)柏林軌道交通技術(shù)展覽會(huì)上，著名鐵路裝備制造企業(yè)西門子集團(tuán)展出的ICx系列動(dòng)車組成功將PROFINET實(shí)時(shí)以太網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用于列車網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)控制；與此同時(shí)，龐巴迪生產(chǎn)的高速動(dòng)車組也同樣使用了以太網(wǎng)技術(shù)用于診斷數(shù)據(jù)的傳輸。而傳統(tǒng)以太網(wǎng)技術(shù)并不能簡(jiǎn)單復(fù)制應(yīng)用于列車網(wǎng)絡(luò)，還需要針對(duì)列車網(wǎng)絡(luò)實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景進(jìn)行相關(guān)設(shè)計(jì)，對(duì)以太網(wǎng)進(jìn)行改進(jìn)滿足實(shí)時(shí)控制需求，并驗(yàn)證列車以太網(wǎng)設(shè)備功能，最終實(shí)現(xiàn)列車信息吞吐量性能的大幅度提升，滿足未來(lái)列車大容量數(shù)據(jù)傳輸需求。

結(jié)合列車應(yīng)用場(chǎng)景，設(shè)計(jì)了一種列車以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，研究了列車以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)置、初運(yùn)行過(guò)程，并進(jìn)行了相關(guān)網(wǎng)絡(luò)性能測(cè)試，論證了以太網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用于列車控制及多媒體信息傳輸?shù)目尚行?，為下一代列車網(wǎng)絡(luò)發(fā)展提供重要適用性依據(jù)。

1 列車骨干網(wǎng)(Train Backbone)

列車骨干網(wǎng)是列車之間通信的核心網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。如圖1所示，列車骨干網(wǎng)主要由列車骨干網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)(Train Backbone Node，TBN)、線纜等設(shè)備組成，分布于列車的各個(gè)車廂之中，且隨需求不同可在同一車廂內(nèi)放置不等數(shù)量的骨干網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)。骨干網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)需能夠處理網(wǎng)絡(luò)信息碰撞，并在轉(zhuǎn)發(fā)信息時(shí)充分考慮信息傳輸可靠性。物理連接線纜采用雙線布設(shè)，且當(dāng)某一TBN失去電力供應(yīng)時(shí)，能夠及時(shí)切換旁路線路，不影響骨干網(wǎng)整體通信。當(dāng)列車重新編組時(shí)，列車長(zhǎng)度出現(xiàn)增減時(shí)，整個(gè)骨干網(wǎng)絡(luò)能及時(shí)獲知TBN數(shù)量的變化情況，并進(jìn)行相應(yīng)的處理，保障整體骨干網(wǎng)絡(luò)的通信功能。

圖1 列車骨干網(wǎng)節(jié)點(diǎn)及終端結(jié)構(gòu)

2 列車初運(yùn)行(Train inauguration)

列車初運(yùn)行的過(guò)程是指列車網(wǎng)絡(luò)因拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)變化而進(jìn)行的網(wǎng)絡(luò)初始化過(guò)程。網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)對(duì)列車的縮短、增長(zhǎng)及車輛插入進(jìn)行響應(yīng)。在列車初運(yùn)行過(guò)程中主要完成兩方面工作：通過(guò)選擇起始節(jié)點(diǎn)，依次賦予現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)中列車骨干網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的次序；完成車組方向定義，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)能夠依據(jù)方向定義計(jì)算自身在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中的位置。

列車內(nèi)的骨干網(wǎng)節(jié)點(diǎn)在執(zhí)行列車初運(yùn)行過(guò)程后，可獲得完整的網(wǎng)絡(luò)路徑信息，并建立包含網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，共享網(wǎng)絡(luò)中連接設(shè)備的屬性信息、網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用信息等。在網(wǎng)絡(luò)中的所有節(jié)點(diǎn)可從骨干網(wǎng)節(jié)點(diǎn)中讀取網(wǎng)絡(luò)初運(yùn)行結(jié)果，其所讀取的初運(yùn)行數(shù)據(jù)格式取決于具體使用的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，如在使用以太網(wǎng)、WTB等網(wǎng)絡(luò)技術(shù)時(shí)，初運(yùn)行方式應(yīng)滿足各自的通信標(biāo)準(zhǔn)。

基本列車網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)信息應(yīng)包含：標(biāo)準(zhǔn)的列車參數(shù)、車組中的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)參數(shù)、車輛網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)參數(shù)及部分終端節(jié)點(diǎn)的參數(shù)等。

列車初運(yùn)行的控制功能包括：允許用戶在認(rèn)為需要的條件下強(qiáng)制進(jìn)行新的初運(yùn)行，以確保列車初運(yùn)行功能的正確運(yùn)行；為保持列車骨干網(wǎng)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，增強(qiáng)安全性，允許用戶控制禁止初運(yùn)行；當(dāng)列車進(jìn)行初運(yùn)行過(guò)程中，會(huì)暫停發(fā)送、接收用戶通過(guò)列車骨干網(wǎng)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，待初運(yùn)行完成后，當(dāng)所有骨干網(wǎng)節(jié)點(diǎn)擁有準(zhǔn)確可靠網(wǎng)絡(luò)信息后方可恢復(fù)用戶數(shù)據(jù)傳輸；列車應(yīng)用應(yīng)能夠?qū)歉删W(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行確認(rèn)，確認(rèn)初運(yùn)行狀態(tài)。

3 列車以太骨干網(wǎng)ETB(Ethernet Train Backbone)

IEC 61375-2-5標(biāo)準(zhǔn)[6]描述了列車以太網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用于列車骨干網(wǎng)通信的技術(shù)細(xì)節(jié)，規(guī)定了不同列車間需通過(guò)骨干網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)慕Y(jié)構(gòu)。以太骨干網(wǎng)節(jié)點(diǎn)ETBN(Ethernet Train Backbone Node)具有匯聚子網(wǎng)數(shù)據(jù)的功能，可實(shí)現(xiàn)各個(gè)列車子網(wǎng)間互聯(lián)互通，并同時(shí)具有互操作功能。除列車以太骨干網(wǎng)節(jié)點(diǎn)外，列車以太骨干網(wǎng)設(shè)備還包括：中繼器、線纜、連接器等。

列車以太網(wǎng)絡(luò)按使用范圍可分為兩級(jí)網(wǎng)絡(luò)：車輛級(jí)網(wǎng)絡(luò)ECN(Ethernet Consist Network)和列車級(jí)網(wǎng)絡(luò)。

為了保證設(shè)備的IP地址不存在重復(fù)或沖突，終端設(shè)備的IP地址應(yīng)采用符合IPv4規(guī)范(見IETF RFC1918)的A類私有地址。地址范圍是10.0.0.0到10.127.255.255(即10.0/9)內(nèi)的IP地址，二進(jìn)制表示方法如下：

車輛級(jí)子網(wǎng)IP設(shè)置：

00001010.0ddddddd.dddddddd.dddddddd/9

其中字段[d]定義了本地子網(wǎng)的地址空間，可自由用于車輛級(jí)地址，列車級(jí)地址等。

列車級(jí)網(wǎng)絡(luò)IP設(shè)置：

00001010.1bbxssss.sshhhhhh.hhhhhhhh/18

其中字段[b]為骨干網(wǎng)ID，用于列車控制與監(jiān)視用途的骨干網(wǎng)時(shí)，數(shù)值為0；字母[x]為保留位，設(shè)置為0；字段[s]為車輛級(jí)地址編碼，列車配置初運(yùn)行后由ETBN通過(guò)TTDP(Train Topology Discovery Protocol)協(xié)議計(jì)算得出，并保留0值供ETB子網(wǎng)使用；字段[h]為ECN內(nèi)部終端地址，最大可支持16 382個(gè)終端。在配置相應(yīng)掩碼位的情況下，其中高位可被用于劃分子網(wǎng)。

4 列車以太骨干網(wǎng)初運(yùn)行

列車以太骨干網(wǎng)的自動(dòng)配置行為被稱為列車以太網(wǎng)初運(yùn)行。列車設(shè)備上電、編組狀態(tài)的改變(加長(zhǎng)或縮短)都將觸發(fā)列車網(wǎng)絡(luò)設(shè)備進(jìn)行初運(yùn)行。為了保持列車IP地址的穩(wěn)定性，列車以太網(wǎng)初運(yùn)行被禁止工作在降級(jí)模式下(丟失ETBN或ETBN遲緩接入)。列車IP配置由列車骨干網(wǎng)中所有的ETBN共同計(jì)算、更新和共享。

在列車以太網(wǎng)初運(yùn)行過(guò)程中，由列車拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)協(xié)議TTDP(Train Topology Discovery Protocol)計(jì)算出ECN的子網(wǎng)ID(“subnet id”)和設(shè)備所歸屬ETBN ID(“ETBN id”)，并以此為基礎(chǔ)建立列車網(wǎng)絡(luò)間的IP映射，設(shè)置列車網(wǎng)絡(luò)路由定義、地址轉(zhuǎn)換(NAT)規(guī)則、終端設(shè)備(ED)命名等。

為保證ETBN間實(shí)時(shí)更新和分享拓?fù)湫畔?，TTDP協(xié)議使用了兩張數(shù)據(jù)表來(lái)表示拓?fù)湫畔ⅲ?/p>

物理拓?fù)浔恚嚎煽醋鳛镋TBN連接拓?fù)浔?，根?jù)ETBN在列車骨干網(wǎng)中接入的數(shù)量實(shí)時(shí)更新，用于表示ETBN物理連接順序的列表。

邏輯拓?fù)浔?，可被看作為ETBN邏輯拓?fù)浔?，?nèi)容包含“subnet id”和“ETBN id”，用于表示網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的邏輯關(guān)系。

結(jié)合圖2所示的列車骨干網(wǎng)拓?fù)浼胺较蚨x，列車網(wǎng)絡(luò)初運(yùn)行過(guò)程遵循以下規(guī)則：

(1)ETBN頂節(jié)點(diǎn)(top node)為具有最小的車組通用唯一標(biāo)識(shí)碼(Consist Universally Unique Identifier，CstUUID)的ETBN端節(jié)點(diǎn)(ending node)，其中CstUUID為128bit識(shí)別碼，由IETF RFC 422定義；

(2)如果列車只包含一個(gè)車組，則可靜態(tài)指定ETBN頂節(jié)點(diǎn)；

(3)ETBN頂節(jié)點(diǎn)的ETBN id值為1；

(4)隨后的ETBN在ETB參考方向2上(ETB Reference Direction 2)以升序從2開始依次編號(hào)，最后被編號(hào)的ETBN成為ETBN底節(jié)點(diǎn)(bottom node)；

(5)ETB的參考方向總是指向ETBN頂節(jié)點(diǎn)的方向；

圖2 列車骨干網(wǎng)拓?fù)浼胺较蚨x

ETBN在進(jìn)行以太網(wǎng)初運(yùn)行過(guò)程完成功能如下：每一個(gè)ETBN將拓?fù)鋷远嗖サ男问皆诰W(wǎng)絡(luò)中傳播，形成實(shí)時(shí)更新的ETBN轉(zhuǎn)發(fā)狀態(tài)表(forwarding tables)及時(shí)發(fā)現(xiàn)并監(jiān)視相鄰節(jié)點(diǎn)；ETBN把感知到的拓?fù)浣Y(jié)果向列車應(yīng)用通告，并以協(xié)商方式獲得拓?fù)涫跈?quán)；列車應(yīng)用授權(quán)后，依據(jù)列車邏輯拓?fù)浣⒘熊嘔P映射及更新網(wǎng)絡(luò)服務(wù)(如DHCP、DNS、NTP等服務(wù))。同時(shí)ETBN將向終端設(shè)備(ED)公告列車拓?fù)?。ETB末端口設(shè)置為阻塞狀態(tài)，并發(fā)送HELLO幀(使用管理MAC地址management MAC address)，用于實(shí)時(shí)偵測(cè)新的連接關(guān)系。

5 列車骨干網(wǎng)性能測(cè)試

完成的列車骨干網(wǎng)節(jié)點(diǎn)ETBN硬件，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。該節(jié)點(diǎn)能夠?qū)崿F(xiàn)網(wǎng)絡(luò)參數(shù)的自動(dòng)配置與調(diào)整。具體網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)性能測(cè)試依據(jù)IETF頒布的RFC2544[7]及RFC2889[8]測(cè)試方法，并使用spirent網(wǎng)絡(luò)設(shè)備測(cè)試儀模擬實(shí)際列車通信業(yè)務(wù)流量對(duì)研制的ETBN進(jìn)行測(cè)試，以增強(qiáng)測(cè)試結(jié)果的應(yīng)用參考價(jià)值。

圖3 列車骨干網(wǎng)節(jié)點(diǎn)實(shí)物圖

5.1 按RFC2544規(guī)范的測(cè)試結(jié)果

RFC2544是重要的網(wǎng)絡(luò)互連設(shè)備測(cè)試基準(zhǔn)，主要測(cè)試網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的性能參數(shù)包括：Throughput(吞吐量)，Latency(延時(shí))，F(xiàn)rame Loss Rate(幀丟失率)，Back-to-Back Frames(背靠背幀數(shù))。

RFC2544測(cè)試拓?fù)?，如圖4所示，測(cè)試儀的流量端口連接所有的ETBN端口，測(cè)試儀輸出模擬流量進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試幀長(zhǎng)遵循RFC2544建議測(cè)試幀長(zhǎng)樣本，具體為 64，128，256，512，1 024，1 280和 1 518 字節(jié)，文中涉及的幀長(zhǎng)樣本均采用此標(biāo)準(zhǔn)，不再贅述。

圖4 RFC2544測(cè)試拓?fù)?/p>

(1) 吞吐量：測(cè)試在沒有丟包的情況下，ETBN設(shè)備所能達(dá)到的最大數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)速率。

ETBN的設(shè)計(jì)吞吐量為100 Mbs，測(cè)試速率范圍為10%帶寬到100%帶寬，使用RFC2544建議測(cè)試幀長(zhǎng)樣本進(jìn)行測(cè)試，幀長(zhǎng)從64 Byte到1 518 Byte。測(cè)試結(jié)果為：在任意幀長(zhǎng)下，數(shù)據(jù)都能夠滿帶寬轉(zhuǎn)發(fā)，即被測(cè)試設(shè)備在沒有丟包情況下的最大轉(zhuǎn)發(fā)速率為100 Mbs。

(2) 時(shí)延： 對(duì)于時(shí)延的測(cè)試，采用的是LIFO(Store and Forward)，后進(jìn)先出(存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā))測(cè)試是測(cè)量數(shù)據(jù)幀第一比特離開測(cè)試設(shè)備的時(shí)間與最后一個(gè)比特進(jìn)入測(cè)試設(shè)備的時(shí)間之間的時(shí)間間隔。測(cè)試中，測(cè)試輪次為1次，每60 s按照測(cè)試儀配置增加帶寬(，使用RFC2544建議測(cè)試幀長(zhǎng)樣本進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試幀長(zhǎng)度覆蓋64～1 518 Byte)，測(cè)試不同流量負(fù)載下的延時(shí)和抖動(dòng)。時(shí)延以μs為單位，結(jié)果為最小時(shí)延3.99 μs，最大時(shí)延4.14 μs，時(shí)延抖動(dòng)不超過(guò)0.12 μs，時(shí)延及抖動(dòng)滿足IEC 61375-3-4標(biāo)準(zhǔn)要求的時(shí)延性能。

(3) 幀丟失率：幀丟失率性能在RFC1242中定義，即被測(cè)試設(shè)備在穩(wěn)定的情況下沒有能夠轉(zhuǎn)發(fā)的幀的比例。測(cè)試儀分別在同一幀長(zhǎng)下打入10%，20%，50%的恒定流量，在此基礎(chǔ)上，打入更多額外流量，但總流量不超過(guò)最大帶寬。，使用RFC2544建議測(cè)試幀長(zhǎng)樣本進(jìn)行測(cè)試，每種幀長(zhǎng)測(cè)試5輪，每輪分別測(cè)試10%，20%，50%的固定帶寬，每次測(cè)試100 s。測(cè)試結(jié)果顯示，在各數(shù)據(jù)幀長(zhǎng)下，分別有恒定流量10%，20%，50%的情況下，剩余帶寬的流量能夠正常轉(zhuǎn)發(fā)，未發(fā)生丟包情況。

(4) 背靠背幀數(shù)：指以最小幀間隔發(fā)送最多數(shù)據(jù)包不引起丟包時(shí)的數(shù)據(jù)包數(shù)量。該指標(biāo)用于測(cè)試路由器緩存能力。測(cè)試結(jié)果在任意幀長(zhǎng)度下，以最小幀間間隔轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，滿負(fù)載100 Mbs，各幀長(zhǎng)下都無(wú)丟包。

5.2 按RFC 2889規(guī)范的測(cè)試結(jié)果

RFC 2889則主要關(guān)注局域網(wǎng)(LAN)層面的設(shè)備測(cè)試，主要包括：Address Catching capacity(MAC地址緩存能力)，Address Learning Rate(MAC地址學(xué)習(xí)速率)，Broadcast Frame Forwarding(廣播幀轉(zhuǎn)發(fā))，Broadcast Frame Latency(廣播幀轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)延)，Errored Frame Filtering(錯(cuò)誤幀過(guò)濾)。

(1) MAC地址緩存能力：在沒有廣播或丟幀的情況下，被測(cè)設(shè)備能夠存儲(chǔ)的MAC地址的數(shù)目。

MAC地址緩存能力測(cè)試拓?fù)淙鐖D5所示，測(cè)試儀分別與ETBN的3個(gè)端口相連接，按測(cè)試功能劃分為測(cè)試端口、學(xué)習(xí)端口和監(jiān)控端口。根據(jù)ETBN的設(shè)備特性，當(dāng)發(fā)送的數(shù)據(jù)流量的目的MAC地址不存在與MAC地址表中，會(huì)有數(shù)據(jù)幀會(huì)從所有相同Vlan的物理端口泛洪出去。根據(jù)此原理，設(shè)計(jì)測(cè)試用例：通過(guò)測(cè)試端口向ETBN發(fā)送源MAC地址為100000000001的數(shù)據(jù)幀，使ETBN把測(cè)試端口的MAC地址添加到MAC地址表中；學(xué)習(xí)端口向目的MAC地址為100000000001發(fā)送源MAC地址為xxxxxxxxxxxx的MAC(x表示任意合法的MAC地址數(shù)值，表示變化的源MAC地址)，變化的數(shù)量在配置范圍內(nèi)增加或減少；測(cè)試端口向目的MAC為xxxxxxxxxxxx的學(xué)習(xí)端口發(fā)送數(shù)據(jù)流量，如果ETBN中緩存MAC地址未達(dá)到最大MAC表容量，則監(jiān)聽端口不會(huì)收到來(lái)自目的MAC為xxxxxxxxxxxx的數(shù)據(jù)流量，當(dāng)ETBN緩存的MAC地址數(shù)目達(dá)到容量最大值時(shí)，流量會(huì)向監(jiān)控端口泛洪，此時(shí)ETBN中MAC地址表中所含MAC地址的數(shù)量即為測(cè)試出的最大MAC地址緩存能力。測(cè)試中，最終測(cè)得設(shè)備的地址緩存能力為15 000。

圖5 MAC地址緩存能力測(cè)試拓?fù)?/p>

(2) MAC地址學(xué)習(xí)速率：被測(cè)設(shè)備對(duì)新地址進(jìn)行學(xué)習(xí)的速率。測(cè)試拓?fù)渑c圖5中MAC地址緩存能力測(cè)試中一致，RFC 2889測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)闡述的一般網(wǎng)絡(luò)設(shè)備為保證MAC地址學(xué)習(xí)成功率， MAC地址學(xué)習(xí)速率可能為50 fs甚至更低。RFC 2889測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)的制定時(shí)間為2000年，如今隨著以太網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展和鐵路通信設(shè)備的要求，ETBN設(shè)備的設(shè)計(jì)MAC地址學(xué)習(xí)速率已經(jīng)能夠達(dá)到線速，即以64 Byte幀為MAC地址學(xué)習(xí)幀，學(xué)習(xí)速率能夠達(dá)到148 809 f/s，可最大限度滿足MAC地址學(xué)習(xí)速率需求。

(3) 廣播幀轉(zhuǎn)發(fā)：發(fā)送帶有廣播地址的測(cè)試幀，在所選擇的接收端口上測(cè)量轉(zhuǎn)發(fā)速率和幀丟失率，測(cè)試時(shí)間30 s。在測(cè)試中，在滿負(fù)載情況下變換不同幀長(zhǎng)，均未出現(xiàn)丟包現(xiàn)象，因此廣播幀可以達(dá)到滿帶寬轉(zhuǎn)發(fā)。而在實(shí)際應(yīng)用中，網(wǎng)絡(luò)中的廣播報(bào)文極少，絕大多數(shù)流量都為單播流量和組播流量，因此可以滿足設(shè)計(jì)要求。

(4) 廣播幀轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)延：發(fā)送一個(gè)測(cè)試幀，然后在很短的時(shí)間內(nèi)測(cè)量該幀到達(dá)每個(gè)接收端口的時(shí)延。廣播幀的轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)延與單播時(shí)延一樣，幀長(zhǎng)與負(fù)載不影響轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)延。證明ETBN設(shè)備可以同時(shí)滿足單播和廣播轉(zhuǎn)發(fā)的轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)延要求。

(5) 錯(cuò)誤幀過(guò)濾：錯(cuò)誤幀過(guò)濾測(cè)試的目的是，測(cè)定被測(cè)在錯(cuò)誤幀或異常幀情形下的行為表現(xiàn)。測(cè)試中模擬3類錯(cuò)誤幀的發(fā)送：小于64 Byte的超短幀，超過(guò)1 500 Byte的幀和帶有CRC錯(cuò)誤的幀。測(cè)試時(shí)間為30 s，結(jié)果均能對(duì)錯(cuò)誤幀實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確過(guò)濾，滿足設(shè)計(jì)要求。

6 結(jié)束語(yǔ)

本文為改善傳統(tǒng)的列車網(wǎng)絡(luò)傳輸性能的局限性，研究了一種基于以太網(wǎng)技術(shù)的列車骨干網(wǎng)架構(gòu), 并根據(jù)列車網(wǎng)絡(luò)實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景要求對(duì)以太骨干網(wǎng)節(jié)點(diǎn)ETBN進(jìn)行了相關(guān)設(shè)計(jì)，運(yùn)用網(wǎng)絡(luò)測(cè)試儀對(duì)ETBN節(jié)點(diǎn)根據(jù)RFC 2544中規(guī)定的吞吐量測(cè)試、時(shí)延測(cè)試、幀丟失率測(cè)試和背靠背幀數(shù)測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)行了相關(guān)實(shí)測(cè)，并進(jìn)一步根據(jù)RFC 2889測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)對(duì)設(shè)備的MAC地址緩存能力、MAC地址學(xué)習(xí)速率、廣播幀轉(zhuǎn)發(fā)、廣播幀轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)延、錯(cuò)誤幀過(guò)濾等相關(guān)網(wǎng)絡(luò)性能進(jìn)行了測(cè)試。試驗(yàn)結(jié)果表明研制的列車骨干網(wǎng)節(jié)點(diǎn)滿足IEC 61375-2-5中ETBN的技術(shù)指標(biāo)要求。該研究為以太網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用于列車網(wǎng)絡(luò)提供了相關(guān)性能依據(jù)，為今后列車以太網(wǎng)技術(shù)的廣泛應(yīng)用提供了技術(shù)積累和儲(chǔ)備。

[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, 控制網(wǎng)絡(luò)LONWORKS技術(shù)規(guī)范 第1部分：協(xié)議規(guī)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現(xiàn)場(chǎng)總線原理、開發(fā)及應(yīng)用[M]. 北京：中國(guó)電力出版社, 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，助理研究員(

2015-06-23)

U285.5+4

A

10.3969/j.issn.1008-7842.2015.06.03

*中國(guó)鐵道科學(xué)研究院 縱橫機(jī)電技術(shù)開發(fā)公司資助(1351ZH1204)“基于實(shí)時(shí)以太網(wǎng)的列車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)研究和樣機(jī)研制”;中國(guó)鐵路總公司科技研究開發(fā)計(jì)劃資助(2014J011-H)“機(jī)車車輛前瞻性技術(shù)研究——下一代鐵路機(jī)車車輛車載網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究”