車地無線局域網承載TCP/IP實時可靠通信問題的分析

趙麟杰

車地無線局域網承載TCP/IP實時可靠通信問題的分析

趙麟杰

中國鐵路通信信號上海工程局集團有限公司，上海 200436

軌道交通車地無線局域網作為車地可靠通信的主要承載技術，具有通信帶寬大、延時小，能支持多種業務系統的特點。但其技術體制存在天然的傳輸丟包、延遲中斷等問題，會對傳輸車載關鍵實時信息造成較大影響。因此，分析了TCP/IP傳輸層協議應用于車地無線局域網時存在的不足之處，提出了對多連接TCP通信協議的優化建議，以實現應用系統的實時性、準確性和可靠性目標。

車地無線局域網；丟包；時延；可靠性；TCP；多連接

引言

基于通信的列車控制系統（CBTC）、乘客信息系統（PIS）、車地列車安防系統都已經承載在無線局域網（WLAN）技術這種新型的數據通信系統之上。車地無線局域網具有通信帶寬大、延時小，支持車載業務類型多的優勢，為控制中心實現對列車各種車載信息的監控提供了基本能力。本文討論和分析了上述車載信息業務系統在車地無線局域網中傳輸所需要關注的問題，并提出了優化建議。

1 車地無線局域網的服務質量承載能力

參考RFC2544網絡基準測試標準，車地無線局域網主要服務質量指標包括吞吐量、轉發延遲及丟包率。

1.1 吞吐量

吞吐量體現了網絡節點之間的數據傳輸能力，即每秒能夠傳輸的最大數據量，用“Mbps”表示。測試點分別選擇地面端和車載端之間。某城市地鐵線路隧道內車地無線局域網吞吐量測試結果如圖1所示。

圖1 數據傳輸吞吐量測試結果

測試線路為三站兩區間，無線信號覆蓋較佳區域，吞吐量一般穩定在18?Mbps。即便是覆蓋不佳區域，帶寬平均也有14?Mbps。由于實時通信系統數據傳遞包的帶寬利用率較低，所占用的帶寬不超過500?kbps。車地無線局域網傳輸通道帶寬遠大于系統業務帶寬，實現較大的傳輸占空比，非常有利于傳輸的可靠性。

1.2 轉發延遲

轉發延遲主要體現數據發送從網絡某一節點至另一節點接收所需要時間，單位用“s”來表示。由于無法具備測試單向通道時延的條件，因此采用響應時間指標，即數據雙向時延+響應端數據處理時間。同一地鐵區間內響應時間測試結果如圖2所示。

圖2 數據轉發延遲測試結果

1.3 丟包率

丟包率體現了網絡某一節點至另一節點數據包的丟失情況，即丟失包與發送數據包數量的比值，一般用%表示。圖2中可以看到漫游切換時，當通信設備緩存能力足夠應付時可能不會發生丟包現象；但當數據流量超出緩存能力時，還是會發生數據包丟失。丟包代表著數據完整性的殘缺，而在車地無線局域網中不可能完全避免丟包問題，那就需要應用系統通過有效的處理手段來彌補。

2 影響TCP/IP實時可靠通信的關鍵系數

2.1 UDP通信的不可靠因素

UDP是一種無連接的傳輸層協議，只能提供面向事務的簡單不可靠信息傳送服務。UDP傳送數據前不與對方建立連接；不對收到的數據進行排序；對接收到的數據報不發送確認信號，發送端不知道數據是否被正確接收，也不會重發數據。由于缺乏擁塞控制機制，需要基于網絡的機制來減小因失控和高速UDP流量負荷而導致的擁塞崩潰效應。當網絡中的丟包、延遲現象較為嚴重時，應用系統將必然發生數據殘缺。因此，面對對實時性可靠性非常高的應用系統，不建議在車地無線環境下采用UDP通信方式。

2.2 TCP通信的關鍵因素

TCP一種面向連接的通信技術。TCP通信連接建立，首先采用三次握手的方式，保證了通信的有效性，如圖3所示：

2.2.1 三次握手（Three-way handshake）

圖3 TCP通信三次握手示意圖

三次握手機制的主要過程包括：請求端（通常稱為客戶）發送一個SYN報文指明客戶連接的服務器的端口，以及初始序號；服務器發回包含服務器初始序號的SYN報文應答，同時將確認序號設置為客戶的ISN加1進行確認。請求端必須將確認序號設置為服務器的ISN加1進行確認（報文段3），這樣實現了客戶端和服務器初始連接認證。

2.2.2 TCP通信報文確認機制

當TCP發出一個報文后，啟動一個定時器，等待目的端確認收到這個報文。若不能及時收到一個確認，將重發這個報文。當TCP收到發自TCP連接另一端的數據，它判斷數據無錯誤，則發送一個確認。

基于TCP通信的三次握手機制和報文確認機制，就可以實現數據報文的重發能力。當無線網絡發生瞬斷時，尤其是AP漫游切換過程階段所產生的數據包丟失，可以有效實現數據恢復能力，因此TCP通信技術至少可以勝任少量丟包情況時的可靠通信能力。但是較長時間的通信中斷或者通信頻繁中斷，TCP通信的客戶端和服務器端是如何確保數據有效重傳或則中斷后重新連接的，則又是要重點考慮的問題。

2.2.3 TCP通信窗口輪訓偵聽機制

由于網絡丟包中斷情況是隨機產生并頻繁發生的，會在通信過程中產生無效連接，即服務器端無法識別TCP是否依然保持連接而繼續保持連接狀態，而客戶端實際已近放棄連接而又向服務器端申請建立連接，因此造成服務器端連接數量成幾何級增長，導致內存溢出現象的發生。所以，如何處理這些無效連接也是實際面臨的重要問題之一。

3 TCP/IP通信協議的優化

3.1 Modbus/TCP通信協議的優化

一般車地無線應用系統多采用Modbus/TCP協議，在此標準協議之上可進行二次優化，如圖4所示，額外增加了“請求—響應”機制（圖中1、2階段），以強化通信的可靠性和穩定性。

圖4 優化后的Modbus/TCP協議通信機制

車載端作為客戶端，向服務器（控制中心子系統）發出通信請求，服務器接到請求后返回其響應；當客戶端接收到后，將所要傳輸的數據依次傳輸至服務器端，完成通信。當通信中斷時，客戶端可將數據暫時放入緩存，待通信重新建立后，重新發送至控制中心服務器。增加多一次認證握手步驟，進一步強化TCP通信可靠性。

3.2 多連接TCP通信的優化算法

車地無線局域網的不穩定性，可能造成某個連接短時間內的斷開。當客戶端重新請求建立連接，服務器端為其建立新的連接后，此時還需要將同一客戶端發起的上一個“無效連接”從連接隊列中刪除，從而提高通信效率。“刪除無效連接”既可以實時、準確地進行多對一通信，又可以有效地刪除由于網絡或車載客戶端故障而導致的無效連接，避免“無效鏈接”不斷膨脹，造成服務器端響應能力驟降。

4 結束語

通過對應用系統側的TCP/IP通信協議的優化，有效改善了業務系統的實時可靠通信的能力，在多次仿真實驗和現場應用中效果良好。因此，在部署車地無線局域網時一定要重視其自身固有的一系列傳輸問題和特性，除了通過優化無線網絡提升網絡服務質量外，更重要的是業務系統開發時重視TCP/IP通信交互的可靠性措施，尤其是傳輸層協議的優化，確保數據包的安全傳輸，從而實現整個應用系統的實時性和可靠性目標。

[1]趙麟杰，王志麟，鄭國莘.車地無線局域網可靠通信的研究[J].城市軌道交通研究，2012，15（1）：45-48.

[2]王金廉，謝劍英，賈青.基于TCP/IP的多線程通信及其在遠程監控系統中的應用[J].電子技術應用，2000，26（1）：47-49.

[3]趙麟杰，張培松，朱峰浩.車輛實時監測系統及方法：ZL200910198104.7[P].2011-09-28.

Analysis of Real-Time and Reliable Communication Problems in Train-Ground Wireless LAN Carrying TCP/IP

Zhao Linjie

China Railway Signals & Communication Shanghai Engineering Bureau Group Co., Ltd., Shanghai 200436

The rail transit vehicle and local area wireless LAN is used as the main bearing technology for the reliable communication of vehicles. It has the characteristics of large communication bandwidth, small delay, and ability to support multiple service systems. However, its technical system has problems such as natural transmission loss and delay interruption, which will have a great impact on the transmission of key real-time information on board. Therefore, the insufficiency of the TCP/IP transport layer protocol applied in the vehicle-to-ground wireless local area network is analyzed. The optimization proposal of the multi-connection TCP communication protocol is proposed to realize the real-time, accuracy and reliability objectives of the application system.

train-ground wireless local area network; packet loss; delay; reliability; TCP; multiple connections

TN925+.93

A

趙麟杰（1980—），男，高級工程師，研究方向為通信工程。