ETB在列車網絡控制系統中的應用研究

朱紅崗　張哲瑞

摘要：針對列車網絡控制系統中以太列車骨干網絡的傳輸及網絡協議特性，文章給出了ETB構成及編組拓撲，從底層初始化、列車拓撲發現協議初始化、協議管理和軟件初始化4個方面介紹，模擬了ETB網絡的具體流程，實現了ETB網絡節點的自動編組。

關鍵詞：以太列車骨干網絡；列車拓撲發現協議；自動編組

以太列車骨干網絡是將工業以太網的帶寬高、速率快、實時性好等特點引入了列車網絡中，以適應未來列車網絡系統發展的方向。以太列車骨干網絡（Ethernet Train Backbone，ETB）與工業以太網的不同之處在于網絡拓撲結構、禁止使用生成樹、快速生成樹協議和網絡初始化協議。株洲時代電氣針對ETB的初始化協議提出了一種分布式比較算法，使用了鏈路層的LLDP協議來建立所有節點的信息，最后形成一個連接向量表。本文研究了ETB的編組形式及協議組成，模擬了ETB網絡的數據流，實現了列車ETB網絡節點自動編組。

1.ETB網絡拓撲

ETB網絡拓撲結構采用線性結構，每個ETBN有兩個參考方向，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，這樣保證了多個節點情況下，每個節點的方向1應是相同的，列車通信方向也一致。列車的首節點地址是01，其余節點按總線方向2從02開始按遞增順序依次編號，最后命名的節點為尾節點。列車上的終端設備，可以直接連接到以太列車骨干網節點（ETB Node，ETBN）上。以太列車骨干網拓撲結構如圖1所示。

以太列車骨干網主要包括4個部分：底層初始化、運行TTDP協議、協議管理、軟件初始化。底層初始化使得底層能夠順利實現收發數據的工作，運行TTDP協議完成ETB網絡的編組和通信，在編組成功后分配IP地址，協議管理和軟件初始化完成對應用層數據的傳輸控制，實現列車網絡的順暢運行。

2.底層初始化

底層初始化軟件主要完成4個方面的功能。

2.1線程的初始化

負責程序所有底層線程的初始化，接口API函數對各種數據結構進行填充，如port：端口號，interface：ETB網口的標識號等。

線程初始化包括：實現線程的鏈表結構的初始化；開啟所有線程；初始化路由表；初始化客戶端；取得相應的端口的IP等信息；連接vns server。

線程初始化組件的數據結構包括：路由器ID號、區域ID號、更新頻率、OSPF協議的hello幀的間隔時、路由更新時間、ARP ttl時間、nat超時時間、線程指針函數、路由表、ARP協議地址映射、ARP隊列、客戶端命令、路由更新協議、nat協議表結構、nat保持線程、nat表喚醒條件、ARP線程、OSPF協議的hello線程、OSPF協議的更新線程、OSPF超時處理線程、迪克斯加算法處理線程、路由更新廣播線程、路由廣播更新協議喚醒條件、路由器狀態線程、上次路由器狀態保持結構、本地ip過濾列表、日志文件等。

2.2內存的初始化

內存初始化接口函數為mem init（），主要完成內存初始化。

2.3內存棧的管理的初始化

內存棧初始化接口函數為mems init（），主要實現內存棧初始化。

2.4對數據包進行管理

數據包管理完成所有的數據包函數的初始化。

3.TTDP協議初始化

TTDP協議完成對ETB的網絡節點進行編組。TTDP協議包含HELLO幀和TOPOLOGY幀。每個ETB節點會不停地檢測ETB上的其他節點，在方向1和方向2上通過多播方式周期性發送這兩個數據幀。HELLO幀用于檢測相鄰ETBN的情況，根據幀的源MAC地址來查找自己的轉發表，確定ETBN的左右節點并記錄，更新左右節點表，即連接向量域（Connectivity Vector），如果ETB上只有一個ETBN，則一段時間后自動宣布進入穩態。TOPOLOGY幀用于檢測網絡上所有可能出現的節點的編號情況，根據拓撲對總表進行一次更新，即ETBN向量域（ETBN Vector），對整個列車進行編組。

列車網絡的安全性能和級別較高，考慮到冗余控制策略，實現帶冗余的TTDP協議包發送流程，主要分為以下3個線程：

線程1：發送TTDP HELLO幀，構建相鄰節點廣播包，并且將該包通過mac層發送至相鄰節點，測試節點之間的物理連接，并且建立ETBN向量表，用來描述方向1或方向2上所有節點的連接關系。

線程2：接收和發送TTDP TOPOLOGY幀，接收全局廣播包，判斷是否本節點發出，若是，則丟棄該數據包；若否，更新本節點mac表，同時將相鄰節點廣播包發送至全局網絡，向其他ETBN通告本節點的拓撲發現信息，同時建立連接表Connectivity Table，并更新自己的連接表。

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

4.協議管理

協議管理，完成編組車輛間的網絡通信協議管理，分為5部分：

（1）端口初始化：獲取網13IP地址，對IP地址和MAC地址進行定位。

（2）ARP數據處理：打包并發送ARP格式的hello幀，管3～ARP的隊列。

（3）OSPF hello數據處理：基于OSPF協議而開發的Hello包并定時發出，用于發現相鄰ETBN、建立連接關系、選舉DR和BDR、確保雙向通信。

（4）OSPF lsa數據處理：打包并發送OSPF～lsa幀格式數據并定時發出。OSPF lsa數據主要類型有：路由鏈路信息：鏈路Router-id，接口地址，接口網絡，接口類型。網絡鏈路信息DR通告。匯總鏈路ABR通告。（d）通告外部路由。

（5）OSPF lsa timeout數據處理：打包并發送OSPF的lsa timeout幀格式并定時發出，用于探測lsa數據幀是否超時。

5.軟件初始化

軟件初始化，完成編組車輛間的數據交互。在端口正常狀態下，判斷網絡協議類型：

（1）是否是ARP數據包，判斷為ARP應答，則更新隊列，返回目的地址不可達。判斷為ARP請求，請求IP與網口地址一致則進行ARP應答，不一致則丟棄該報文。

（2）判斷是否是IP數據包，若是則進入IP數據處理線程；若以上兩種數據包都不是，則丟棄該報文。

其中，IP數據處理線程分為以下3部分：

（1）是否為OSPF廣播包，若目的地址與網口地址匹配，進行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，進行校驗和，發送數據包，若不存在下一跳，返回目的地址不可達。

（2）是否為TCP或者UDP報文，若為TCP包，進行TCP數據處理；若為UDP包，返回目的地址不可達。

（3）是否為ICMP報文，若為ICMP包，執行應答請求，創建應答數據，否則，返回目的地址不可達。

6.結語

本文介紹了列車網絡控制系統中以太列車骨干網絡ETB的構成和編組拓撲，從底層初始化、列車拓撲發現協議TTDP初始化、協議管理和軟件初始化4個方面詳細說明了模擬ETB網絡的具體流程，實現了ETB網絡中列車節點的自動編組，后續工作將研究列車網絡控制系統中的以太編組網絡。