TCSN業(yè)務(wù)流量及傳輸特性分析*

侯世武，譚獻(xiàn)海

(西南交通大學(xué) 信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院， 四川 成都 611700)

TCSN業(yè)務(wù)流量及傳輸特性分析*

侯世武，譚獻(xiàn)海

(西南交通大學(xué) 信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院， 四川 成都 611700)

TCSN(Train Control and Service Network)的目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)列車控制與服務(wù)信息的一體化傳輸。流量的自相似特性對(duì)網(wǎng)絡(luò)性能具有一定的影響，文章對(duì)列車控制信息和旅客服務(wù)業(yè)務(wù)的流量特性進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)列車控制類流量不具有自相似特性，旅客服務(wù)類流量具有較強(qiáng)的自相似特性，列車控制業(yè)務(wù)流量和旅客服務(wù)業(yè)務(wù)流量聚合之后，聚合流量具有自相似特性。通過OPNET仿真，發(fā)現(xiàn)在列車傳輸網(wǎng)中加入旅客服務(wù)流量后，由于旅客服務(wù)流量具有較強(qiáng)的自相似特性，造成網(wǎng)絡(luò)時(shí)延大幅增加。只有當(dāng)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)速率大幅提高后，才可以使網(wǎng)絡(luò)的時(shí)延與沒有加入旅客服務(wù)之前的時(shí)延相當(dāng)。該研究結(jié)果對(duì)TCSN的建設(shè)具有一定的參考意義。

列車控制與服務(wù)網(wǎng)絡(luò)；流量特性；自相似；時(shí)延特性

0 引言

列車控制與信息服務(wù)網(wǎng)絡(luò)(TCSN)是我國的國家科技支撐項(xiàng)目，目的是實(shí)現(xiàn)列車控制網(wǎng)絡(luò)與信息服務(wù)網(wǎng)絡(luò)融合，全面提升我國的交通移動(dòng)裝備安全和服務(wù)水平。網(wǎng)絡(luò)流量特性是網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)和性能分析時(shí)所必須考慮的一個(gè)關(guān)鍵因素，Hurst系數(shù)是流量特性的一個(gè)重要參數(shù)，體現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)流量是否具有自相似特性以及自相似特性的強(qiáng)弱，對(duì)網(wǎng)絡(luò)性能具有很大的影響。列車運(yùn)行時(shí)會(huì)生成大量的設(shè)備控制信息和旅客服務(wù)信息[1]。列車中的控制類信息大都是周期性的，突發(fā)性較弱，而旅客服務(wù)信息具有較強(qiáng)的突發(fā)性，因此它們的流量特性可能存在巨大差異?？刂菩畔⒑吐每头?wù)信息聚合后，網(wǎng)絡(luò)的流量特性也可能發(fā)生變化，對(duì)列車網(wǎng)絡(luò)性能造成一定影響。文獻(xiàn)[2]對(duì)TCSN網(wǎng)絡(luò)調(diào)度算法進(jìn)行了深入的研究，對(duì)不同業(yè)務(wù)在不同算法下的網(wǎng)絡(luò)性能進(jìn)行了總結(jié)和比較。文獻(xiàn)[3]通過對(duì)用戶行為進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，得到了基于用戶行為的網(wǎng)絡(luò)流量模型，發(fā)現(xiàn)用戶行為具有較強(qiáng)的自相似特性。本文主要分析TCSN中控制信息、旅客服務(wù)信息以及控制類業(yè)務(wù)和旅客服務(wù)業(yè)務(wù)融合之后的流量特性。通過OPNET仿真，分析列車傳輸網(wǎng)絡(luò)中控制類業(yè)務(wù)和旅客服務(wù)業(yè)務(wù)占有不同比例時(shí)的時(shí)延特性，對(duì)TCSN網(wǎng)絡(luò)研究具有一定的參考意義。

1 TCSN業(yè)務(wù)分析與分類

列車網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)是軌道交通的“大腦”，承擔(dān)著列車全部的控制信息和故障信息的傳輸、處理[4]。隨著用戶對(duì)控制網(wǎng)絡(luò)的開放性要求的提高，以及基于網(wǎng)絡(luò)的遠(yuǎn)程診斷和維護(hù)、旅客信息與舒適性等新需求的提出，控制網(wǎng)與旅客服務(wù)網(wǎng)融合是必然的選擇。

TCSN中傳輸?shù)臉I(yè)務(wù)有控制業(yè)務(wù)和旅客服務(wù)業(yè)務(wù)兩種。控制信息大都是周期性數(shù)據(jù)，按照各自的周期傳送，它的實(shí)時(shí)性、有效性和服務(wù)質(zhì)量對(duì)列車的運(yùn)行安全具有重要的意義。旅客服務(wù)業(yè)務(wù)包括用戶與列車員通信、用戶上網(wǎng)服務(wù)等，其中上網(wǎng)服務(wù)是最常使用的，如即時(shí)通信和視頻音頻業(yè)務(wù)等。

2 TCSN控制業(yè)務(wù)流量特性研究

列車控制的設(shè)備主要有：牽引變流器、制動(dòng)控制、側(cè)面目的地顯示器、輔助電源裝置和空調(diào)顯示設(shè)定器，主要實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控和故障排除等。本文通過國家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目“列車控制與信息服務(wù)網(wǎng)絡(luò)(TCSN)關(guān)鍵技術(shù)及系統(tǒng)研制”中給出的控制類業(yè)務(wù)模型進(jìn)行仿真，分析在10 ms時(shí)間尺度上控制類信息的流量特性。

由圖1可知，列車控制類業(yè)務(wù)流量突發(fā)性較小，因?yàn)榱熊嚳刂菩畔⒋蟛糠质侵芷谛园l(fā)送，只有當(dāng)列車遇到緊急情況時(shí)，才會(huì)有突發(fā)性的控制信息產(chǎn)生，所以控制業(yè)務(wù)流量的突發(fā)性較小。通過VT分析方法得到圖2，由圖可知控制信息在10 ms時(shí)間尺度上的Hurst參數(shù)值為0.017 761<0.5，因此不具有自相似特性。

圖1 TCSN控制信息10 ms時(shí)間流量

圖2 TCSN控制信息10 ms時(shí)間Hurst值

3 TSCN旅客服務(wù)流量特性分析

WIRESHARK可用于網(wǎng)絡(luò)故障分析和診斷、網(wǎng)絡(luò)測試、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議開發(fā)等領(lǐng)域[5]。本文旅客服務(wù)數(shù)據(jù)來源于WIRESHARK采集的數(shù)據(jù)包，由瀏覽網(wǎng)頁、聊天軟件、視頻和郵件等業(yè)務(wù)共同產(chǎn)生。采集時(shí)間為2017年3月21日晚上7點(diǎn)到8點(diǎn)一個(gè)小時(shí)，共采集35.676 7萬個(gè)數(shù)據(jù)包，運(yùn)行時(shí)間3 600 s，平均每秒產(chǎn)生數(shù)據(jù)包99個(gè)。

由圖3可知，旅客服務(wù)信息流量具有很強(qiáng)的突發(fā)特性。突發(fā)性是導(dǎo)致流量具有自相似特性的一個(gè)重要原因[6]，可以推測旅客服務(wù)流量具有較強(qiáng)的自相似特性。對(duì)流量進(jìn)行Hurst參數(shù)估計(jì)得到圖4，由圖可知流量的Hurst參數(shù)值為0.893 75>0.5，因此旅客服務(wù)流量具有很強(qiáng)的自相似特性，證實(shí)了前面的猜測。

圖3 旅客服務(wù)流量數(shù)據(jù)

圖4 旅客服務(wù)流量Hurst值

4 TCSN聚合流量特性分析

具有不同性質(zhì)的流量聚合以后，流量特性會(huì)發(fā)生較大的變化。列車控制信息和旅客服務(wù)信息具有不同的流量特性，其中控制信息沒有自相似特性，旅客服務(wù)信息具有很強(qiáng)的自相似特性。當(dāng)列車網(wǎng)絡(luò)中加入旅客服務(wù)業(yè)務(wù)后，流量是由控制業(yè)務(wù)和旅客服務(wù)業(yè)務(wù)產(chǎn)生的流量聚合而成的。隨著旅客的增加，網(wǎng)絡(luò)中旅客服務(wù)產(chǎn)生的流量在總流量中的比例不斷增加，具有自相似特性的流量在總流量中的比例越來越大，因此流量特性將會(huì)發(fā)生重大的變化。在此分析兩種業(yè)務(wù)流量在不同比例時(shí)的流量特性。

由圖5可知，即使在傳輸控制網(wǎng)絡(luò)中加入少量的旅客服務(wù)信息，聚合流量也會(huì)有很強(qiáng)的自相似特性。這是因?yàn)槁每头?wù)流量的自相似較強(qiáng)，并且旅客服務(wù)業(yè)務(wù)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于控制類業(yè)務(wù)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量。但是隨著人的參與程度越來越高，聚合流量的自相似參數(shù)的值沒有發(fā)生明顯變化，這是因?yàn)榱髁康淖韵嗨铺匦砸呀?jīng)很大，隨著人參與程度越來越高，網(wǎng)絡(luò)的自相似特性會(huì)趨于平穩(wěn)，最終與現(xiàn)有的互聯(lián)網(wǎng)流量特性類似。

圖5 控制旅客服務(wù)不同比例Hurst值

5 TCSN流量特性對(duì)網(wǎng)絡(luò)性能的影響分析

OPNET采用三層建模機(jī)制：進(jìn)程層、節(jié)點(diǎn)層和網(wǎng)絡(luò)層[7]。使用OPNET生成流量時(shí)，有兩種不同的方式，第一種是使用OPNET自帶的函數(shù)生成流量數(shù)據(jù)。OPNET自身提供了兩類生成自相似流量的模型，第一類是RPG模型，文獻(xiàn)[8]研究了一種RPG改進(jìn)的模型，但比較復(fù)雜，另一類是使用Pareto分布的ON/OFF源。第二種是導(dǎo)入數(shù)據(jù)流量，先建立一個(gè)節(jié)點(diǎn)模型，由數(shù)據(jù)源source、隊(duì)列queue和接收源sink組成。如圖6所示。這樣建模不考慮網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備和具體的業(yè)務(wù)，其研究結(jié)果有普遍的意義。

圖6 節(jié)點(diǎn)模型

其中queue的排隊(duì)模型是acp_fifo，其中a(active)表示隊(duì)列是主動(dòng)形式， 即源模塊發(fā)送數(shù)據(jù)，c(concentrating)是指多個(gè)客戶到來的數(shù)據(jù)排列在一起集中處理，p(packet)是以包為單位處理，fifo(first in first out)指先入先出隊(duì)列。Sink是simple_sink進(jìn)程模型，simple_sink將所有隊(duì)列queue發(fā)送的數(shù)據(jù)包銷毀。Source在本文中是將列車控制類業(yè)務(wù)模型產(chǎn)生的控制類流量和采集到的真實(shí)的互聯(lián)網(wǎng)流量作為流量源來驅(qū)動(dòng)OPNET仿真。

首先分析列車網(wǎng)絡(luò)中只傳輸控制類業(yè)務(wù)時(shí)的網(wǎng)絡(luò)時(shí)延特性。根據(jù)列車控制類業(yè)務(wù)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)OPNET仿真，網(wǎng)絡(luò)參數(shù)設(shè)置如圖7所示。由于流量包到達(dá)速率為632 package/s，因此網(wǎng)絡(luò)利用率為632/744=0.85。

由圖8可知，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)趨于穩(wěn)定后，在未加入旅客服務(wù)業(yè)務(wù)之前，網(wǎng)絡(luò)的平均時(shí)延在0.005 77 s附近，并且由于數(shù)據(jù)包是周期性發(fā)送，當(dāng)服務(wù)速率一定時(shí)，時(shí)延波動(dòng)很小。

圖7 網(wǎng)絡(luò)參數(shù)設(shè)置

圖8 未加入旅客服務(wù)信息之前時(shí)延特性

接下來分析當(dāng)列車傳輸網(wǎng)絡(luò)中加入旅客服務(wù)信息之后網(wǎng)絡(luò)的時(shí)延特性。首先分析當(dāng)網(wǎng)絡(luò)參數(shù)都不變時(shí)網(wǎng)絡(luò)的時(shí)延特性。

由圖9可知，傳輸網(wǎng)絡(luò)在不同時(shí)刻的時(shí)延具有很大的波動(dòng)。這是由于加入旅客服務(wù)信息后，不同時(shí)刻網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包到達(dá)率相差太大導(dǎo)致的。對(duì)網(wǎng)絡(luò)時(shí)延求平均值可知隊(duì)列平均時(shí)延為0.222 478 s。雖然數(shù)據(jù)包平均到達(dá)率僅增加了15.66%，但時(shí)延卻是原來的38.558倍?？梢娫趥鬏斁W(wǎng)絡(luò)中加入旅客服務(wù)信息會(huì)導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)時(shí)延大幅增加。

圖9 網(wǎng)絡(luò)參數(shù)不變加入旅客服務(wù)信息后時(shí)延特性

接下來提高網(wǎng)絡(luò)服務(wù)速率，分析在網(wǎng)絡(luò)利用率相同時(shí)的時(shí)延特性。加入旅客服務(wù)信息之后，網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包到達(dá)均值為731 packets/s，為了使網(wǎng)絡(luò)利用率相同，設(shè)置網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)速率為860 packets/s，此時(shí)的網(wǎng)絡(luò)利用率為0.85，與沒有加入旅客服務(wù)信息之前的網(wǎng)絡(luò)利用率相同。

由圖10可知，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)利用率相同時(shí)，在旅客服務(wù)流量突發(fā)性比較強(qiáng)的時(shí)間點(diǎn)上，網(wǎng)絡(luò)的時(shí)延還是比較大。對(duì)網(wǎng)絡(luò)時(shí)延求均值得到隊(duì)列的平均時(shí)延是0.068 003 s，雖然網(wǎng)絡(luò)的利用率相同，但網(wǎng)絡(luò)時(shí)延依然是未加入旅客服務(wù)前的11.78倍，時(shí)延較大。

圖10 網(wǎng)絡(luò)利用率相同時(shí)時(shí)延特性

由于控制類信息對(duì)時(shí)延要求較高，為了列車的安全，控制類業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的傳輸時(shí)間不應(yīng)該高于未加入旅客服務(wù)之前的傳輸時(shí)間，在此分析服務(wù)速率提高到多少時(shí)，才能到達(dá)原來的時(shí)延值。

由圖11可知，在列車控制網(wǎng)絡(luò)中加入旅客服務(wù)業(yè)務(wù)之后，網(wǎng)絡(luò)的時(shí)延大幅增加。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)速率為1 300 packets/s時(shí)，網(wǎng)絡(luò)的時(shí)延特性與沒有加入旅客服務(wù)之前的時(shí)延特性相當(dāng)。此時(shí)的服務(wù)速率是原來服務(wù)速率的1.74倍，網(wǎng)絡(luò)的利用率為0.56，可見只有大幅提高傳輸網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)速率，才能保證網(wǎng)絡(luò)的時(shí)延性能。

6 結(jié)論

TCSN網(wǎng)絡(luò)控制類業(yè)務(wù)流量沒有自相似特性，當(dāng)在列

圖11 服務(wù)速率和時(shí)延關(guān)系圖

車傳輸網(wǎng)絡(luò)中加入旅客服務(wù)業(yè)務(wù)后，網(wǎng)絡(luò)流量的自相似特性增加。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)利用率相同時(shí)，加入旅客服務(wù)業(yè)務(wù)之后的列車傳輸網(wǎng)絡(luò)時(shí)延要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于僅傳輸控制信息時(shí)的時(shí)延。為了保證控制信息的實(shí)時(shí)性，加入旅客服務(wù)業(yè)務(wù)后需要更高的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)速率。

[1] 巴全龍. 基于OPNET的ARCNET列車通信控制網(wǎng)絡(luò)的建模與仿真[D].成都：西南交通大學(xué),2012.

[2] 鐘廷. 基于業(yè)務(wù)的TCSN網(wǎng)絡(luò)調(diào)度算法應(yīng)用研究[D].成都：西南交通大學(xué),2016.

[3] 田暢,王海,鄭少仁. 基于用戶行為的網(wǎng)絡(luò)流量模型及自相似性分析[J]. 通信學(xué)報(bào),2000,21(9):19-25.

[4] 新華社.我國標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)車組裝載自主開發(fā)高智能“中國腦”[J]. 軍民兩用技術(shù)與產(chǎn)品,2016,(7):21.

[5] 龍艷軍,楊漢恩. WIRESHARK在虛擬網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用研究[J]. 計(jì)算機(jī)光盤軟件與應(yīng)用,2012(10):27-28.

[6] 林青家,陳滌,劉允才. 網(wǎng)絡(luò)流量的小尺度特性分析[J]. 電子測量與儀器學(xué)報(bào), 2007,21(3):92-97.

[7] 伍俊洪,楊洋,李惠杰,等. 網(wǎng)絡(luò)仿真方法和OPNET仿真技術(shù)[J]. 計(jì)算機(jī)工程,2004,30(5):106-108.

[8] 沈宇,徐啟建,鐘靜月.自相似業(yè)務(wù)流建模及其合成性能分析[J]. 通信學(xué)報(bào),2004,25(4):99-106.

Research on flow and transport characteristics of TCSN

Hou Shiwu, Tan Xianhai

(School of Information Science and Technology, Southwest Jiaotong University, Chengdu 611700, China)

The goal of the TCSN (Train Control and Service Network) is to realize the integrated transmission of train control and passenger service information. The self-similarity characteristic of network flow has certain influence on the network performance. In this paper, the flow characteristics of the train control information and passenger service information are analyzed, and the result shows that the train control flow has no self-similar characteristic, and passenger service flow has strong self-similarity characteristic, when the train control flow and passenger service flow are aggregated, the aggregated traffic has strong self-similar characteristics. Through OPNET simulation, it is found that after the passenger service is added to the train transmission network, the network delay increased because of the passenger service flow has high self-similarity. Only the network service rate increased significantly can make the network delay as before input the passenger service into the network. The analysis of this paper has certain reference value to the construction of TCSN.

train control and service network; flow characteristic; self-similarity; delay characteristic

國家科技支撐計(jì)劃(2015BAG14B01)

TP393

：A

10.19358/j.issn.1674- 7720.2017.17.018

侯世武，譚獻(xiàn)海.TCSN業(yè)務(wù)流量及傳輸特性分析[J].微型機(jī)與應(yīng)用，2017,36(17)：62-64,67.

2017-04-12)

侯世武(1991-)，男，碩士研究生，主要研究方向：網(wǎng)絡(luò)通信。譚獻(xiàn)海(1963-)，男，博士，副教授，主要研究方向：網(wǎng)絡(luò)通信、網(wǎng)絡(luò)安全、列車通信(控制)網(wǎng)絡(luò)。