ETB在列車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用研究

朱紅崗　張哲瑞

摘要：針對(duì)列車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)中以太列車骨干網(wǎng)絡(luò)的傳輸及網(wǎng)絡(luò)協(xié)議特性，文章給出了ETB構(gòu)成及編組拓?fù)?，從底層初始化、列車拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)協(xié)議初始化、協(xié)議管理和軟件初始化4個(gè)方面介紹，模擬了ETB網(wǎng)絡(luò)的具體流程，實(shí)現(xiàn)了ETB網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的自動(dòng)編組。

關(guān)鍵詞：以太列車骨干網(wǎng)絡(luò)；列車拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)協(xié)議；自動(dòng)編組

以太列車骨干網(wǎng)絡(luò)是將工業(yè)以太網(wǎng)的帶寬高、速率快、實(shí)時(shí)性好等特點(diǎn)引入了列車網(wǎng)絡(luò)中，以適應(yīng)未來列車網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)發(fā)展的方向。以太列車骨干網(wǎng)絡(luò)（Ethernet Train Backbone，ETB）與工業(yè)以太網(wǎng)的不同之處在于網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、禁止使用生成樹、快速生成樹協(xié)議和網(wǎng)絡(luò)初始化協(xié)議。株洲時(shí)代電氣針對(duì)ETB的初始化協(xié)議提出了一種分布式比較算法，使用了鏈路層的LLDP協(xié)議來建立所有節(jié)點(diǎn)的信息，最后形成一個(gè)連接向量表。本文研究了ETB的編組形式及協(xié)議組成，模擬了ETB網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)流，實(shí)現(xiàn)了列車ETB網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)自動(dòng)編組。

1.ETB網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/p>

ETB網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)采用線性結(jié)構(gòu)，每個(gè)ETBN有兩個(gè)參考方向，從Tc2車指向Tc1車為方向1，從Tc1車指向Tc2車為方向2。車輛的物理連線使ETBN的方向1與車輛的方向1相同，這樣保證了多個(gè)節(jié)點(diǎn)情況下，每個(gè)節(jié)點(diǎn)的方向1應(yīng)是相同的，列車通信方向也一致。列車的首節(jié)點(diǎn)地址是01，其余節(jié)點(diǎn)按總線方向2從02開始按遞增順序依次編號(hào)，最后命名的節(jié)點(diǎn)為尾節(jié)點(diǎn)。列車上的終端設(shè)備，可以直接連接到以太列車骨干網(wǎng)節(jié)點(diǎn)（ETB Node，ETBN）上。以太列車骨干網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。

以太列車骨干網(wǎng)主要包括4個(gè)部分：底層初始化、運(yùn)行TTDP協(xié)議、協(xié)議管理、軟件初始化。底層初始化使得底層能夠順利實(shí)現(xiàn)收發(fā)數(shù)據(jù)的工作，運(yùn)行TTDP協(xié)議完成ETB網(wǎng)絡(luò)的編組和通信，在編組成功后分配IP地址，協(xié)議管理和軟件初始化完成對(duì)應(yīng)用層數(shù)據(jù)的傳輸控制，實(shí)現(xiàn)列車網(wǎng)絡(luò)的順暢運(yùn)行。

2.底層初始化

底層初始化軟件主要完成4個(gè)方面的功能。

2.1線程的初始化

負(fù)責(zé)程序所有底層線程的初始化，接口API函數(shù)對(duì)各種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行填充，如port：端口號(hào)，interface：ETB網(wǎng)口的標(biāo)識(shí)號(hào)等。

線程初始化包括：實(shí)現(xiàn)線程的鏈表結(jié)構(gòu)的初始化；開啟所有線程；初始化路由表；初始化客戶端；取得相應(yīng)的端口的IP等信息；連接vns server。

線程初始化組件的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)包括：路由器ID號(hào)、區(qū)域ID號(hào)、更新頻率、OSPF協(xié)議的hello幀的間隔時(shí)、路由更新時(shí)間、ARP ttl時(shí)間、nat超時(shí)時(shí)間、線程指針函數(shù)、路由表、ARP協(xié)議地址映射、ARP隊(duì)列、客戶端命令、路由更新協(xié)議、nat協(xié)議表結(jié)構(gòu)、nat保持線程、nat表喚醒條件、ARP線程、OSPF協(xié)議的hello線程、OSPF協(xié)議的更新線程、OSPF超時(shí)處理線程、迪克斯加算法處理線程、路由更新廣播線程、路由廣播更新協(xié)議喚醒條件、路由器狀態(tài)線程、上次路由器狀態(tài)保持結(jié)構(gòu)、本地ip過濾列表、日志文件等。

2.2內(nèi)存的初始化

內(nèi)存初始化接口函數(shù)為mem init（），主要完成內(nèi)存初始化。

2.3內(nèi)存棧的管理的初始化

內(nèi)存棧初始化接口函數(shù)為mems init（），主要實(shí)現(xiàn)內(nèi)存棧初始化。

2.4對(duì)數(shù)據(jù)包進(jìn)行管理

數(shù)據(jù)包管理完成所有的數(shù)據(jù)包函數(shù)的初始化。

3.TTDP協(xié)議初始化

TTDP協(xié)議完成對(duì)ETB的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行編組。TTDP協(xié)議包含HELLO幀和TOPOLOGY幀。每個(gè)ETB節(jié)點(diǎn)會(huì)不停地檢測(cè)ETB上的其他節(jié)點(diǎn)，在方向1和方向2上通過多播方式周期性發(fā)送這兩個(gè)數(shù)據(jù)幀。HELLO幀用于檢測(cè)相鄰ETBN的情況，根據(jù)幀的源MAC地址來查找自己的轉(zhuǎn)發(fā)表，確定ETBN的左右節(jié)點(diǎn)并記錄，更新左右節(jié)點(diǎn)表，即連接向量域（Connectivity Vector），如果ETB上只有一個(gè)ETBN，則一段時(shí)間后自動(dòng)宣布進(jìn)入穩(wěn)態(tài)。TOPOLOGY幀用于檢測(cè)網(wǎng)絡(luò)上所有可能出現(xiàn)的節(jié)點(diǎn)的編號(hào)情況，根據(jù)拓?fù)鋵?duì)總表進(jìn)行一次更新，即ETBN向量域（ETBN Vector），對(duì)整個(gè)列車進(jìn)行編組。

列車網(wǎng)絡(luò)的安全性能和級(jí)別較高，考慮到冗余控制策略，實(shí)現(xiàn)帶冗余的TTDP協(xié)議包發(fā)送流程，主要分為以下3個(gè)線程：

線程1：發(fā)送TTDP HELLO幀，構(gòu)建相鄰節(jié)點(diǎn)廣播包，并且將該包通過mac層發(fā)送至相鄰節(jié)點(diǎn)，測(cè)試節(jié)點(diǎn)之間的物理連接，并且建立ETBN向量表，用來描述方向1或方向2上所有節(jié)點(diǎn)的連接關(guān)系。

線程2：接收和發(fā)送TTDP TOPOLOGY幀，接收全局廣播包，判斷是否本節(jié)點(diǎn)發(fā)出，若是，則丟棄該數(shù)據(jù)包；若否，更新本節(jié)點(diǎn)mac表，同時(shí)將相鄰節(jié)點(diǎn)廣播包發(fā)送至全局網(wǎng)絡(luò)，向其他ETBN通告本節(jié)點(diǎn)的拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)信息，同時(shí)建立連接表Connectivity Table，并更新自己的連接表。

線程3：發(fā)送冗余判別廣播包，熱備端ETBN不斷地發(fā)送心跳包到其余ETBN，若收到其余ETBN心跳包應(yīng)答信息，熱備端保持；若未收到應(yīng)答信息，則執(zhí)行冗余切換，由備份ETBN接管熱備端的所有運(yùn)行工作。

4.協(xié)議管理

協(xié)議管理，完成編組車輛間的網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議管理，分為5部分：

（1）端口初始化：獲取網(wǎng)13IP地址，對(duì)IP地址和MAC地址進(jìn)行定位。

（2）ARP數(shù)據(jù)處理：打包并發(fā)送ARP格式的hello幀，管3～ARP的隊(duì)列。

（3）OSPF hello數(shù)據(jù)處理：基于OSPF協(xié)議而開發(fā)的Hello包并定時(shí)發(fā)出，用于發(fā)現(xiàn)相鄰ETBN、建立連接關(guān)系、選舉DR和BDR、確保雙向通信。

（4）OSPF lsa數(shù)據(jù)處理：打包并發(fā)送OSPF～lsa幀格式數(shù)據(jù)并定時(shí)發(fā)出。OSPF lsa數(shù)據(jù)主要類型有：路由鏈路信息：鏈路Router-id，接口地址，接口網(wǎng)絡(luò)，接口類型。網(wǎng)絡(luò)鏈路信息DR通告。匯總鏈路ABR通告。（d）通告外部路由。

（5）OSPF lsa timeout數(shù)據(jù)處理：打包并發(fā)送OSPF的lsa timeout幀格式并定時(shí)發(fā)出，用于探測(cè)lsa數(shù)據(jù)幀是否超時(shí)。

5.軟件初始化

軟件初始化，完成編組車輛間的數(shù)據(jù)交互。在端口正常狀態(tài)下，判斷網(wǎng)絡(luò)協(xié)議類型：

（1）是否是ARP數(shù)據(jù)包，判斷為ARP應(yīng)答，則更新隊(duì)列，返回目的地址不可達(dá)。判斷為ARP請(qǐng)求，請(qǐng)求IP與網(wǎng)口地址一致則進(jìn)行ARP應(yīng)答，不一致則丟棄該報(bào)文。

（2）判斷是否是IP數(shù)據(jù)包，若是則進(jìn)入IP數(shù)據(jù)處理線程；若以上兩種數(shù)據(jù)包都不是，則丟棄該報(bào)文。

其中，IP數(shù)據(jù)處理線程分為以下3部分：

（1）是否為OSPF廣播包，若目的地址與網(wǎng)口地址匹配，進(jìn)行OSPF迪克斯加算法處理；若不匹配，查看路由下一跳是否存在，若存在下一跳，TTL減1，進(jìn)行校驗(yàn)和，發(fā)送數(shù)據(jù)包，若不存在下一跳，返回目的地址不可達(dá)。

（2）是否為TCP或者UDP報(bào)文，若為TCP包，進(jìn)行TCP數(shù)據(jù)處理；若為UDP包，返回目的地址不可達(dá)。

（3）是否為ICMP報(bào)文，若為ICMP包，執(zhí)行應(yīng)答請(qǐng)求，創(chuàng)建應(yīng)答數(shù)據(jù)，否則，返回目的地址不可達(dá)。

6.結(jié)語(yǔ)

本文介紹了列車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)中以太列車骨干網(wǎng)絡(luò)ETB的構(gòu)成和編組拓?fù)?，從底層初始化、列車拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)協(xié)議TTDP初始化、協(xié)議管理和軟件初始化4個(gè)方面詳細(xì)說明了模擬ETB網(wǎng)絡(luò)的具體流程，實(shí)現(xiàn)了ETB網(wǎng)絡(luò)中列車節(jié)點(diǎn)的自動(dòng)編組，后續(xù)工作將研究列車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)中的以太編組網(wǎng)絡(luò)。