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摘要：列车通信网络是列车通信的核心部分，它负责对整辆列车进行控制、检测，以及各种信息的采集和传送。通过对子网拓扑结构，从网络时延、网络负载以及吞吐量、链路使用率方面进行分析。研究表明，增加冗余可以满足列车以太网通信低时延、高实时性的需求，改善了吞吐量和链路使用率。
关键词：以太网；拓扑；列车
随着客运专线和高速铁路的不断发展，列车通信网络的应用需求不断提高，以太网作为一种应用最普遍的标准网络技术，具有高的通信速率，可以满足对带宽的更高要求，同时还具有价格低廉、容易扩展、通用性强等优点。因此组建采用以太网的列车通信网络非常有实际价值。但是，由于列车本身运行环境的复杂性和以太网自身不确定性的缺点阻碍了以太网在列车通信网络中的应用。本文通过构建以太网子网网络拓扑的不同模型进行仿真，分析不同的网络拓扑结构的网络时延、网络负载以及吞吐量、链路使用率。
一、列车通信网络构造
列车通信网络骨干系统主要部件包括列车信息中央装置、列车信息终端装置、列车信息显示器、车内信息显示控制装置、卡架、列车引导信息显示器等。列车从车头到车尾，各个车厢编号如表一按照从左到右的顺序，也是整个列车通信网络的控制中心，头车中设置有由控制部分和监视器部分构成的中央装置，具有列车编组整体信息管理功能和向司机台信息显示器传送数据的功能。各车厢分别设置有台终端装置，实现各车厢车载设备的控制功能和信息传送。列车通信网络装置具有三大功能控制指令传送功能动车组牵引、制动、辅助电源等设备分散布置于列车各车辆，司机操作台布置在头车，控制指令通过信息网络，实现整列车集中控制。监视器功能将列车信息显示在司机台的显示器上，使乘务员了解列车运行状态。车载检测功能使列车检测自动化，实时检测记录列车设备状态，及时切除故障设备，避免故障扩大，记录的状态数据还可作为维修依据，减轻维护保养工作。
二、基于以太网子网网络拓扑结构的列车通信
1、TCP/IP协议列车通信网络采用TCP/IP协议[1]，该协议使用四层网络，其中底层的网络访问层包括物理层和数据链路层，而数据链路层又包括了逻辑链路控制子层以及介质访问控制子层。应用层：为lnternet操作、文件传输、网络排错以及远程控制提供了所需的应用程序，同时还支持应用编程接口，使得网络能够被某一操作系统编写的程序所访问。
传输层：提供流量控制、确认服务和错误控制，充当网络应用程序的接口。
网际层：提供独立于硬件的逻辑寻址，从而让数据能够在具有不同物理结构的子网之间传递。提供路由功能降低流量，支持网间的数据传递。实现物理地址与逻辑地址的转换。
网络访问层：提供与物理网络连接的接口。针对传输介质设置数据的格式，根据硬件的物理地址实现数据的寻址，对数据物理网络中的传递提供错误控制。
2、子网网络结构拓扑图，基于以太网的交换技术组网，交换机成为通信网络的中间桥梁，交换机与所有终端设备直接连接[1]，由于终端设备过多或交换机过多，利用子网将路由器以及各个终端设备放在不同的子网中进行信息传输。当以太网的交换技术以子网的形式在列车通信网络中应用时，为了比较不同数量的冗余，将所用到的子网网络拓扑结构分为直线形拓扑结构、环形拓扑结构以及双冗余环形拓扑结构三种，子网内部主要采用了三层结构：网络模型、节点模型、进程模型，在子网中采用了四个子网结合的三种拓扑结构图，分别创建了三种不同的网络场景，采用带宽10M以太网传输。
三、网络传输性能仿真结果
仿真实验中，首先验证所构建的子网网络拓扑结构仿真模型是否具有可行性，即是否能够查看网络时延、网络负载、数据吞吐量等，以及是否能够完成总体数据的发送和接收等相关的基础研究。仿真中三种不同的子网网络结构按照要求，一共设置了三个仿真场景，其中仿真时间设定为1h。以太网网络时延、网络负载和点对点吞吐量、链路使用率仿真结果其中，浅色代表直线形拓扑结构，略深色代表环形拓扑结构，深色代表双冗余环形拓扑结构。
列车通信网络的网络时延性能分析：在三种不同的子网网络拓扑结构进行仿真时，直线形拓扑结构的以太网网络延时最小，只有0.0275s左右；双冗余环形拓扑结构的以太网网络延时适中，在0.0325s左右；环形拓扑结构的以太网网络延时在三者之中达到最大，在0.0375s左右，这三种以太网子网网络拓扑结构在网络实时性方面都能满足列车的实时性要求，即延时小于0.04s。
列车通信网络的网络负载性能分析：在使用这三种不同的冗余拓扑结构的以太网时，网络负载都较为相似，其大小在4000bit/s左右。相比之下直线形拓扑结构负载更大一些，而双冗余环形拓扑结构负载更小一些。
列车通信网络的点对点吞吐量性能分析：在三种不同的子网网络拓扑结构进行仿真时，双冗余环形拓扑结构的以太网点对点吞吐量最小，只有7000bit/s左右；直线形拓扑结构的以太网点对点吞吐量适中，在10000bit/s左右；环形拓扑结构的以太网点对点吞吐量最大，达到11000bit/s左右。
列车通信网络的链路使用率性能分析：在三种不同的子網网络拓扑结构进行仿真时，双冗余环形拓扑结构的以太网链路使用率最小，只有0.075s左右；直线形拓扑结构的以太网链路使用率适中，在0.1s左右；环形拓扑结构的以太网链路使用率最大，达到0.125s左右，如图。
从图可以分析出：这三种不同的网络拓扑结构中链路使用率大大低于25%的标准；此时，通信网络几乎不会发生数据报文的碰撞，能够保证网络中各种数据可靠、实时地传输[2]。
通过分析三组仿真可以发现，三种以太网子网网络拓扑结构虽然都能进行数据的发送和接收，而以太网子网直线形拓扑结构虽然时延较低，但负载较高，而列车以太网的通信网络需要低负载，显而易见，子网直线形拓扑结构是不能满足列车以太网通信网络性能要求的。以太网子网双冗余环形拓扑结构时延适中，相较于其他拓扑结构而言负载更小，而列车以太网中的通信需要低时延、低负载以及低网络利用率，可见子网双冗余环形拓扑结构能够满足列车以太网通信网络性能要求。
参考文献：
[1]丁超义，苗剑，贺德强.基于网络的双向S7通信仿真[M].广西大学学报出版社，2014.
[2]苗剑，贺德强，丁超义. 基于工业以太网的列车通信网络及其仿真[J]. 计算机测量与控制，2012，（ 18 ） 20.
[3]王周海，金谋平，范娟. 复杂大网络的仿真与优化设计[J]. 现代电子， 2012，（ 1） 17.
（作者单位：中车唐山机车车辆有限公司产品研发中心）
关键词：以太网；拓扑；列车
随着客运专线和高速铁路的不断发展，列车通信网络的应用需求不断提高，以太网作为一种应用最普遍的标准网络技术，具有高的通信速率，可以满足对带宽的更高要求，同时还具有价格低廉、容易扩展、通用性强等优点。因此组建采用以太网的列车通信网络非常有实际价值。但是，由于列车本身运行环境的复杂性和以太网自身不确定性的缺点阻碍了以太网在列车通信网络中的应用。本文通过构建以太网子网网络拓扑的不同模型进行仿真，分析不同的网络拓扑结构的网络时延、网络负载以及吞吐量、链路使用率。
一、列车通信网络构造
列车通信网络骨干系统主要部件包括列车信息中央装置、列车信息终端装置、列车信息显示器、车内信息显示控制装置、卡架、列车引导信息显示器等。列车从车头到车尾，各个车厢编号如表一按照从左到右的顺序，也是整个列车通信网络的控制中心，头车中设置有由控制部分和监视器部分构成的中央装置，具有列车编组整体信息管理功能和向司机台信息显示器传送数据的功能。各车厢分别设置有台终端装置，实现各车厢车载设备的控制功能和信息传送。列车通信网络装置具有三大功能控制指令传送功能动车组牵引、制动、辅助电源等设备分散布置于列车各车辆，司机操作台布置在头车，控制指令通过信息网络，实现整列车集中控制。监视器功能将列车信息显示在司机台的显示器上，使乘务员了解列车运行状态。车载检测功能使列车检测自动化，实时检测记录列车设备状态，及时切除故障设备，避免故障扩大，记录的状态数据还可作为维修依据，减轻维护保养工作。
二、基于以太网子网网络拓扑结构的列车通信
1、TCP/IP协议列车通信网络采用TCP/IP协议[1]，该协议使用四层网络，其中底层的网络访问层包括物理层和数据链路层，而数据链路层又包括了逻辑链路控制子层以及介质访问控制子层。应用层：为lnternet操作、文件传输、网络排错以及远程控制提供了所需的应用程序，同时还支持应用编程接口，使得网络能够被某一操作系统编写的程序所访问。
传输层：提供流量控制、确认服务和错误控制，充当网络应用程序的接口。
网际层：提供独立于硬件的逻辑寻址，从而让数据能够在具有不同物理结构的子网之间传递。提供路由功能降低流量，支持网间的数据传递。实现物理地址与逻辑地址的转换。
网络访问层：提供与物理网络连接的接口。针对传输介质设置数据的格式，根据硬件的物理地址实现数据的寻址，对数据物理网络中的传递提供错误控制。
2、子网网络结构拓扑图，基于以太网的交换技术组网，交换机成为通信网络的中间桥梁，交换机与所有终端设备直接连接[1]，由于终端设备过多或交换机过多，利用子网将路由器以及各个终端设备放在不同的子网中进行信息传输。当以太网的交换技术以子网的形式在列车通信网络中应用时，为了比较不同数量的冗余，将所用到的子网网络拓扑结构分为直线形拓扑结构、环形拓扑结构以及双冗余环形拓扑结构三种，子网内部主要采用了三层结构：网络模型、节点模型、进程模型，在子网中采用了四个子网结合的三种拓扑结构图，分别创建了三种不同的网络场景，采用带宽10M以太网传输。
三、网络传输性能仿真结果
仿真实验中，首先验证所构建的子网网络拓扑结构仿真模型是否具有可行性，即是否能够查看网络时延、网络负载、数据吞吐量等，以及是否能够完成总体数据的发送和接收等相关的基础研究。仿真中三种不同的子网网络结构按照要求，一共设置了三个仿真场景，其中仿真时间设定为1h。以太网网络时延、网络负载和点对点吞吐量、链路使用率仿真结果其中，浅色代表直线形拓扑结构，略深色代表环形拓扑结构，深色代表双冗余环形拓扑结构。
列车通信网络的网络时延性能分析：在三种不同的子网网络拓扑结构进行仿真时，直线形拓扑结构的以太网网络延时最小，只有0.0275s左右；双冗余环形拓扑结构的以太网网络延时适中，在0.0325s左右；环形拓扑结构的以太网网络延时在三者之中达到最大，在0.0375s左右，这三种以太网子网网络拓扑结构在网络实时性方面都能满足列车的实时性要求，即延时小于0.04s。
列车通信网络的网络负载性能分析：在使用这三种不同的冗余拓扑结构的以太网时，网络负载都较为相似，其大小在4000bit/s左右。相比之下直线形拓扑结构负载更大一些，而双冗余环形拓扑结构负载更小一些。
列车通信网络的点对点吞吐量性能分析：在三种不同的子网网络拓扑结构进行仿真时，双冗余环形拓扑结构的以太网点对点吞吐量最小，只有7000bit/s左右；直线形拓扑结构的以太网点对点吞吐量适中，在10000bit/s左右；环形拓扑结构的以太网点对点吞吐量最大，达到11000bit/s左右。
列车通信网络的链路使用率性能分析：在三种不同的子網网络拓扑结构进行仿真时，双冗余环形拓扑结构的以太网链路使用率最小，只有0.075s左右；直线形拓扑结构的以太网链路使用率适中，在0.1s左右；环形拓扑结构的以太网链路使用率最大，达到0.125s左右，如图。
从图可以分析出：这三种不同的网络拓扑结构中链路使用率大大低于25%的标准；此时，通信网络几乎不会发生数据报文的碰撞，能够保证网络中各种数据可靠、实时地传输[2]。
通过分析三组仿真可以发现，三种以太网子网网络拓扑结构虽然都能进行数据的发送和接收，而以太网子网直线形拓扑结构虽然时延较低，但负载较高，而列车以太网的通信网络需要低负载，显而易见，子网直线形拓扑结构是不能满足列车以太网通信网络性能要求的。以太网子网双冗余环形拓扑结构时延适中，相较于其他拓扑结构而言负载更小，而列车以太网中的通信需要低时延、低负载以及低网络利用率，可见子网双冗余环形拓扑结构能够满足列车以太网通信网络性能要求。
参考文献：
[1]丁超义，苗剑，贺德强.基于网络的双向S7通信仿真[M].广西大学学报出版社，2014.
[2]苗剑，贺德强，丁超义. 基于工业以太网的列车通信网络及其仿真[J]. 计算机测量与控制，2012，（ 18 ） 20.
[3]王周海，金谋平，范娟. 复杂大网络的仿真与优化设计[J]. 现代电子， 2012，（ 1） 17.
（作者单位：中车唐山机车车辆有限公司产品研发中心）