基于以太網的列車骨干網性能研究*

李元軒， 高 楓， 孔 元， 趙紅衛

(中國鐵道科學研究院 機車車輛研究所， 北京 100081)

基于以太網的列車骨干網性能研究*

李元軒， 高 楓， 孔 元， 趙紅衛

(中國鐵道科學研究院 機車車輛研究所， 北京 100081)

為滿足未來列車網絡承載大數據量傳輸需求，設計基于以太網的列車骨干網網絡架構。在分析列車骨干網的特點的基礎上，完成了列車骨干網節點的軟、硬件開發，并進行了網絡性能的相關測試，測試結果表明，基于以太網的列車骨干網絡具有高數據吞吐量、高傳輸可靠性的特點，證明了基于以太網技術的列車骨干網絡方案的可行性。

列車以太骨干網; 列車以太骨干網初運行; 網絡性能

隨著高速鐵路技術的快速發展，列車網絡承載的傳輸業務也日趨多樣化，在網絡吞吐量、可靠性等方面對列車通信網絡有更高的要求。列車網絡需具有能夠滿足多種數據信息的傳輸能力，如：列車控制信息傳輸、診斷信息傳輸、視頻監視信息傳輸、旅客信息傳輸及多種多媒體信息傳輸等。信息傳輸量大大增加，網絡結構有日益復雜化的趨勢。現有諸如TCN ( WTB/MVB )[1]、LonWorks[2]、CANOpen[3]、ArcNet[4]、WordFIP[5]等列車通信網絡，因具有實時性好和確定性高的特點，在現階段被廣泛應用。但是，現有這些網絡技術所能完成的傳輸速率較低(一般不超過10 Mbs)，網絡拓撲較單一，無法滿足大吞吐量和靈活組網的需求；此外，由于承載的業務具有多樣性，在實際網絡應用中存在多種不同類型的網絡設備，會造成網絡結構復雜、相互通信存在困難、裝備質量體積無法縮小等現實使用問題。在下一代鐵路車輛車載網絡研究中，目標之一是構建統一結構、具有高可靠性、大數據吞吐量能力、能同時承載多種業務的新一代列車網絡。高速以太網技術作為現有成熟的國際網絡標準，具有高傳輸速率、結構簡單、配置靈活、架設成本低等諸多優點，因此成為未來列車網絡研究的重要方向。

國際電工技術標準化組織IEC(International Electrotechnical Commission)通過比較多種候選方案，已選定以太網技術作為未來列車通信網絡發展演進的重要技術之一。目前，在世界范圍內，列車以太網的大范圍研究剛剛興起。在2012年度德國柏林軌道交通技術展覽會上，著名鐵路裝備制造企業西門子集團展出的ICx系列動車組成功將PROFINET實時以太網技術應用于列車網絡系統控制；與此同時，龐巴迪生產的高速動車組也同樣使用了以太網技術用于診斷數據的傳輸。而傳統以太網技術并不能簡單復制應用于列車網絡，還需要針對列車網絡實際應用場景進行相關設計，對以太網進行改進滿足實時控制需求，并驗證列車以太網設備功能，最終實現列車信息吞吐量性能的大幅度提升，滿足未來列車大容量數據傳輸需求。

結合列車應用場景，設計了一種列車以太網網絡結構，研究了列車以太網網絡設置、初運行過程，并進行了相關網絡性能測試，論證了以太網技術應用于列車控制及多媒體信息傳輸的可行性，為下一代列車網絡發展提供重要適用性依據。

1 列車骨干網(Train Backbone)

列車骨干網是列車之間通信的核心網絡結構。如圖1所示，列車骨干網主要由列車骨干網絡節點(Train Backbone Node，TBN)、線纜等設備組成，分布于列車的各個車廂之中，且隨需求不同可在同一車廂內放置不等數量的骨干網絡節點。骨干網絡節點需能夠處理網絡信息碰撞，并在轉發信息時充分考慮信息傳輸可靠性。物理連接線纜采用雙線布設，且當某一TBN失去電力供應時，能夠及時切換旁路線路，不影響骨干網整體通信。當列車重新編組時，列車長度出現增減時，整個骨干網絡能及時獲知TBN數量的變化情況，并進行相應的處理，保障整體骨干網絡的通信功能。

圖1 列車骨干網節點及終端結構

2 列車初運行(Train inauguration)

列車初運行的過程是指列車網絡因拓撲結構變化而進行的網絡初始化過程。網絡節點對列車的縮短、增長及車輛插入進行響應。在列車初運行過程中主要完成兩方面工作：通過選擇起始節點，依次賦予現有網絡中列車骨干網絡節點的次序；完成車組方向定義，網絡節點能夠依據方向定義計算自身在整個網絡中的位置。

列車內的骨干網節點在執行列車初運行過程后，可獲得完整的網絡路徑信息，并建立包含網絡拓撲結構，共享網絡中連接設備的屬性信息、網絡中的應用信息等。在網絡中的所有節點可從骨干網節點中讀取網絡初運行結果，其所讀取的初運行數據格式取決于具體使用的網絡架構，如在使用以太網、WTB等網絡技術時，初運行方式應滿足各自的通信標準。

基本列車網絡結構信息應包含：標準的列車參數、車組中的網絡結構參數、車輛網絡結構參數及部分終端節點的參數等。

列車初運行的控制功能包括：允許用戶在認為需要的條件下強制進行新的初運行，以確保列車初運行功能的正確運行；為保持列車骨干網結構穩定，增強安全性，允許用戶控制禁止初運行；當列車進行初運行過程中，會暫停發送、接收用戶通過列車骨干網傳輸的數據，待初運行完成后，當所有骨干網節點擁有準確可靠網絡信息后方可恢復用戶數據傳輸；列車應用應能夠對骨干網拓撲結構進行確認，確認初運行狀態。

3 列車以太骨干網ETB(Ethernet Train Backbone)

IEC 61375-2-5標準[6]描述了列車以太網技術應用于列車骨干網通信的技術細節，規定了不同列車間需通過骨干網數據傳輸的結構。以太骨干網節點ETBN(Ethernet Train Backbone Node)具有匯聚子網數據的功能，可實現各個列車子網間互聯互通，并同時具有互操作功能。除列車以太骨干網節點外，列車以太骨干網設備還包括：中繼器、線纜、連接器等。

列車以太網絡按使用范圍可分為兩級網絡：車輛級網絡ECN(Ethernet Consist Network)和列車級網絡。

為了保證設備的IP地址不存在重復或沖突，終端設備的IP地址應采用符合IPv4規范(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)內的IP地址，二進制表示方法如下：

車輛級子網IP設置：

00001010.0ddddddd.dddddddd.dddddddd/9

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

列車級網絡IP設置：

00001010.1bbxssss.sshhhhhh.hhhhhhhh/18

其中字段[b]為骨干網ID，用于列車控制與監視用途的骨干網時，數值為0；字母[x]為保留位，設置為0；字段[s]為車輛級地址編碼，列車配置初運行后由ETBN通過TTDP(Train Topology Discovery Protocol)協議計算得出，并保留0值供ETB子網使用；字段[h]為ECN內部終端地址，最大可支持16 382個終端。在配置相應掩碼位的情況下，其中高位可被用于劃分子網。

4 列車以太骨干網初運行

列車以太骨干網的自動配置行為被稱為列車以太網初運行。列車設備上電、編組狀態的改變(加長或縮短)都將觸發列車網絡設備進行初運行。為了保持列車IP地址的穩定性，列車以太網初運行被禁止工作在降級模式下(丟失ETBN或ETBN遲緩接入)。列車IP配置由列車骨干網中所有的ETBN共同計算、更新和共享。

在列車以太網初運行過程中，由列車拓撲發現協議TTDP(Train Topology Discovery Protocol)計算出ECN的子網ID(“subnet id”)和設備所歸屬ETBN ID(“ETBN id”)，并以此為基礎建立列車網絡間的IP映射，設置列車網絡路由定義、地址轉換(NAT)規則、終端設備(ED)命名等。

為保證ETBN間實時更新和分享拓撲信息，TTDP協議使用了兩張數據表來表示拓撲信息：

物理拓撲表：可看作為ETBN連接拓撲表，根據ETBN在列車骨干網中接入的數量實時更新，用于表示ETBN物理連接順序的列表。

邏輯拓撲表，可被看作為ETBN邏輯拓撲表，內容包含“subnet id”和“ETBN id”，用于表示網絡設備的邏輯關系。

結合圖2所示的列車骨干網拓撲及方向定義，列車網絡初運行過程遵循以下規則：

(1)ETBN頂節點(top node)為具有最小的車組通用唯一標識碼(Consist Universally Unique Identifier，CstUUID)的ETBN端節點(ending node)，其中CstUUID為128bit識別碼，由IETF RFC 422定義；

(2)如果列車只包含一個車組，則可靜態指定ETBN頂節點；

(3)ETBN頂節點的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，最后被編號的ETBN成為ETBN底節點(bottom node)；

(5)ETB的參考方向總是指向ETBN頂節點的方向；

圖2 列車骨干網拓撲及方向定義

ETBN在進行以太網初運行過程完成功能如下：每一個ETBN將拓撲幀以多播的形式在網絡中傳播，形成實時更新的ETBN轉發狀態表(forwarding tables)及時發現并監視相鄰節點；ETBN把感知到的拓撲結果向列車應用通告，并以協商方式獲得拓撲授權；列車應用授權后，依據列車邏輯拓撲建立列車IP映射及更新網絡服務(如DHCP、DNS、NTP等服務)。同時ETBN將向終端設備(ED)公告列車拓撲。ETB末端口設置為阻塞狀態，并發送HELLO幀(使用管理MAC地址management MAC address)，用于實時偵測新的連接關系。

5 列車骨干網性能測試

完成的列車骨干網節點ETBN硬件，其結構如圖3所示。該節點能夠實現網絡參數的自動配置與調整。具體網絡節點性能測試依據IETF頒布的RFC2544[7]及RFC2889[8]測試方法，并使用spirent網絡設備測試儀模擬實際列車通信業務流量對研制的ETBN進行測試，以增強測試結果的應用參考價值。

圖3 列車骨干網節點實物圖

5.1 按RFC2544規范的測試結果

RFC2544是重要的網絡互連設備測試基準，主要測試網絡設備的性能參數包括：Throughput(吞吐量)，Latency(延時)，Frame Loss Rate(幀丟失率)，Back-to-Back Frames(背靠背幀數)。

RFC2544測試拓撲，如圖4所示，測試儀的流量端口連接所有的ETBN端口，測試儀輸出模擬流量進行測試。測試幀長遵循RFC2544建議測試幀長樣本，具體為 64，128，256，512，1 024，1 280和 1 518 字節，文中涉及的幀長樣本均采用此標準，不再贅述。

圖4 RFC2544測試拓撲

(1) 吞吐量：測試在沒有丟包的情況下，ETBN設備所能達到的最大數據包轉發速率。

ETBN的設計吞吐量為100 Mbs，測試速率范圍為10%帶寬到100%帶寬，使用RFC2544建議測試幀長樣本進行測試，幀長從64 Byte到1 518 Byte。測試結果為：在任意幀長下，數據都能夠滿帶寬轉發，即被測試設備在沒有丟包情況下的最大轉發速率為100 Mbs。

(2) 時延： 對于時延的測試，采用的是LIFO(Store and Forward)，后進先出(存儲轉發)測試是測量數據幀第一比特離開測試設備的時間與最后一個比特進入測試設備的時間之間的時間間隔。測試中，測試輪次為1次，每60 s按照測試儀配置增加帶寬(，使用RFC2544建議測試幀長樣本進行測試，測試幀長度覆蓋64～1 518 Byte)，測試不同流量負載下的延時和抖動。時延以μs為單位，結果為最小時延3.99 μs，最大時延4.14 μs，時延抖動不超過0.12 μs，時延及抖動滿足IEC 61375-3-4標準要求的時延性能。

(3) 幀丟失率：幀丟失率性能在RFC1242中定義，即被測試設備在穩定的情況下沒有能夠轉發的幀的比例。測試儀分別在同一幀長下打入10%，20%，50%的恒定流量，在此基礎上，打入更多額外流量，但總流量不超過最大帶寬。，使用RFC2544建議測試幀長樣本進行測試，每種幀長測試5輪，每輪分別測試10%，20%，50%的固定帶寬，每次測試100 s。測試結果顯示，在各數據幀長下，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發，未發生丟包情況。

(4) 背靠背幀數：指以最小幀間隔發送最多數據包不引起丟包時的數據包數量。該指標用于測試路由器緩存能力。測試結果在任意幀長度下，以最小幀間間隔轉發數據，滿負載100 Mbs，各幀長下都無丟包。

5.2 按RFC 2889規范的測試結果

RFC 2889則主要關注局域網(LAN)層面的設備測試，主要包括：Address Catching capacity(MAC地址緩存能力)，Address Learning Rate(MAC地址學習速率)，Broadcast Frame Forwarding(廣播幀轉發)，Broadcast Frame Latency(廣播幀轉發時延)，Errored Frame Filtering(錯誤幀過濾)。

(1) MAC地址緩存能力：在沒有廣播或丟幀的情況下，被測設備能夠存儲的MAC地址的數目。

MAC地址緩存能力測試拓撲如圖5所示，測試儀分別與ETBN的3個端口相連接，按測試功能劃分為測試端口、學習端口和監控端口。根據ETBN的設備特性，當發送的數據流量的目的MAC地址不存在與MAC地址表中，會有數據幀會從所有相同Vlan的物理端口泛洪出去。根據此原理，設計測試用例：通過測試端口向ETBN發送源MAC地址為100000000001的數據幀，使ETBN把測試端口的MAC地址添加到MAC地址表中；學習端口向目的MAC地址為100000000001發送源MAC地址為xxxxxxxxxxxx的MAC(x表示任意合法的MAC地址數值，表示變化的源MAC地址)，變化的數量在配置范圍內增加或減少；測試端口向目的MAC為xxxxxxxxxxxx的學習端口發送數據流量，如果ETBN中緩存MAC地址未達到最大MAC表容量，則監聽端口不會收到來自目的MAC為xxxxxxxxxxxx的數據流量，當ETBN緩存的MAC地址數目達到容量最大值時，流量會向監控端口泛洪，此時ETBN中MAC地址表中所含MAC地址的數量即為測試出的最大MAC地址緩存能力。測試中，最終測得設備的地址緩存能力為15 000。

圖5 MAC地址緩存能力測試拓撲

(2) MAC地址學習速率：被測設備對新地址進行學習的速率。測試拓撲與圖5中MAC地址緩存能力測試中一致，RFC 2889測試標準闡述的一般網絡設備為保證MAC地址學習成功率， MAC地址學習速率可能為50 fs甚至更低。RFC 2889測試標準的制定時間為2000年，如今隨著以太網技術的發展和鐵路通信設備的要求，ETBN設備的設計MAC地址學習速率已經能夠達到線速，即以64 Byte幀為MAC地址學習幀，學習速率能夠達到148 809 f/s，可最大限度滿足MAC地址學習速率需求。

(3) 廣播幀轉發：發送帶有廣播地址的測試幀，在所選擇的接收端口上測量轉發速率和幀丟失率，測試時間30 s。在測試中，在滿負載情況下變換不同幀長，均未出現丟包現象，因此廣播幀可以達到滿帶寬轉發。而在實際應用中，網絡中的廣播報文極少，絕大多數流量都為單播流量和組播流量，因此可以滿足設計要求。

(4) 廣播幀轉發時延：發送一個測試幀，然后在很短的時間內測量該幀到達每個接收端口的時延。廣播幀的轉發時延與單播時延一樣，幀長與負載不影響轉發時延。證明ETBN設備可以同時滿足單播和廣播轉發的轉發時延要求。

(5) 錯誤幀過濾：錯誤幀過濾測試的目的是，測定被測在錯誤幀或異常幀情形下的行為表現。測試中模擬3類錯誤幀的發送：小于64 Byte的超短幀，超過1 500 Byte的幀和帶有CRC錯誤的幀。測試時間為30 s，結果均能對錯誤幀實現準確過濾，滿足設計要求。

6 結束語

本文為改善傳統的列車網絡傳輸性能的局限性，研究了一種基于以太網技術的列車骨干網架構, 并根據列車網絡實際應用場景要求對以太骨干網節點ETBN進行了相關設計，運用網絡測試儀對ETBN節點根據RFC 2544中規定的吞吐量測試、時延測試、幀丟失率測試和背靠背幀數測試標準，進行了相關實測，并進一步根據RFC 2889測試標準對設備的MAC地址緩存能力、MAC地址學習速率、廣播幀轉發、廣播幀轉發時延、錯誤幀過濾等相關網絡性能進行了測試。試驗結果表明研制的列車骨干網節點滿足IEC 61375-2-5中ETBN的技術指標要求。該研究為以太網技術應用于列車網絡提供了相關性能依據，為今后列車以太網技術的廣泛應用提供了技術積累和儲備。

[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, 控制網絡LONWORKS技術規范 第1部分：協議規范)[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現場總線原理、開發及應用[M]. 北京：中國電力出版社, 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

*中國鐵道科學研究院 縱橫機電技術開發公司資助(1351ZH1204)“基于實時以太網的列車網絡控制系統研究和樣機研制”;中國鐵路總公司科技研究開發計劃資助(2014J011-H)“機車車輛前瞻性技術研究——下一代鐵路機車車輛車載網絡通信系統關鍵技術研究”