魏俊超，张新有

(西南交通大学信息科学与技术学院，成都 610031)

1 概述

目前应用比较广泛的2种类型的列车通信网络:基于WTB和MVB的TCN(T型)列车数据通信网络和Echelon公司推出LonWorks(L型)列车控制网络技术，它们具有抗干扰能力强、数据传输可靠性高、响应实时性强、数据传输安全等特点。此外，ARCNET协议、工业以太网等通用网络技术也在列车通信网络中有一定的应用［1～2］。

ARCNET(Attached Resource Computer Network)是一种基于令牌传递(Token Passing)协议、优化过的令牌总线网络，该总线具有确定性、快速性、可扩展性、错误自检测和支持长距离传输等特点［3－4］，非常适合工业过程实时控制，近年来在各种自动化领域广泛应用，是一种理想的现场总线技术。

ARCNET网络除了具有一般列车数据网络的优点之外，还具有以下几个显著特点。

(1)帧传输确定性。由于ARCNET网络采用优化了的令牌传递技术，只有持有令牌的节点才能有权发送消息，因此任何节点都不能独自占有网络，网络上的节点都公平地享有对总线的使用权，不存在竞争，使得网络在时间性能上具有确定性和可预测性。与使用冲突检测机制的CAN总线网络和工业以太网有显著不同［5～6］的是，ARCNET 网络能够计算出在最坏情况下节点之间传递信息所需的时间。ARCNET网络即使在网络流量大、负载很重的情况下，也不会给网络造成拥塞。

(2)网络配置自动化。ARCNET协议的另一个优点是可以适应网络的变化。不管何时网络中删除或加入一个节点，ARCNET网络将自动重新配置。当有节点要加入到网络中时，通过发送一个阻塞信息从而造成网络的重构，完成节点的加入。而节点退出网络时，通过不响应逻辑邻居节点的消息，造成超时，直到后继节点响应为止，节点退网完成。由于节点退网时不需要整个网络的重构，所以不会造成整个网络的瘫痪，网络故障的恢复时间是比较快的。

(3)节点间可发送广播报文。ARCNET网络还支持对所有节点发广播报文。与同一消息依次传送到网络中所有节点不同的是，广播报文会一次性传送到所有的节点。允许接收广播报文的节点会收到一个目的地址为0的消息，同时接收到广播报文的节点不需要返回NAK帧或ACK帧。

(4)支持多种布线方式。ARCNET网络可支持星型、总线型以及分布式星型等拓扑结构。常用的传输介质有同轴电缆、双绞线、光纤等，同时3种介质在网络中也可以交叉使用。ARCNET网络布线方案，可根据节点间的距离、传输的数据类型、数据通信量、网络的覆盖范围、网络相关设备的性价比等灵活地选择合适的传输介质和网络拓扑结构。事实上，CRH2型高速动车组的数据传输网络就是使用双重环网的ARCNET网络。

以上的这些特点使得ARCNET网络能够适用于列车数据网络，特别是对于可变编组的列车数据网络。文章利用OPNET仿真软件对ARCNET列车数据网络进行动态仿真，通过仿真对该ARCNET网络的链路吞吐量和实时性进行分析，得出影响网络端到端时延的主要因素和保证ARCNET列车数据网络正常运行的最大误码率，对ARCNET协议在列车数据网络当中的应用具有一定的借鉴价值。

2 ARCNET网络拓扑结构建模

列车通信网络是针对铁路环境恶劣、列车流动性大、实时性强、数据可靠性要求高等特点的控制网络，所以列车中的ARCNET网络和普通的ARCNET网络有所区别，应具有特殊性［7～8］:(1)网络中的活动节点保存有逻辑邻居的节点地址，从而可构成活动节点地址表;(2)设置空闲区查询帧，避免目的节点没有足够的空闲缓冲区而引起的数据丢失，减少了不必要的消息重传。

由于列车数据网络长期在恶劣的环境下工作，受电磁干扰强烈，而且对通信网络的实时性要求高，所以本模型中的ARCNET列车数据网络使用光纤作为传输介质，数据传输速率设定为2.5 Mb/s［9］。

列车数据网络中传送的数据大致分为2种:(1)监视和检测信息，如列车检测和自我诊断信息等。监视信息优先级别低，对实时性要求相对较低，可以根据需要选择性发送;(2)控制指令信息，如牵引、制动，以及对辅助电源和设备的控制指令等，控制指令优先级别高，对实时性要求较高，周期性发送。ARCNET列车数据网络中规定发送控制指令的周期为10 ms［10］，所以令牌在网络当中的循环时间就不能超过10 ms。

为进一步提高ARCNET网络的安全性、实时性和可靠性，在列车数据网络中使用双重环网结构。对于列车控制指令采用双向传输;当要传输列车监视信息时，采用单向传输，当原方向链路传输失败时再向反方向传输。

在该ARCNET列车数据网络的拓扑结构模型［11］中(图1)，列车模型由8节车厢组成，列车编组为4M4T，由2个动力单元组成。每个动力单元由2个动车和2个拖车(T－M－M－T)组成。T1c(包括节点1、2)、T2c(包括节点 6、7)为车头，T1k、T2 为拖车车体，M1s、M2、M1为动车车体。拓扑模型中一共有10个数据处理节点，节点1和节点6作为中央处理节点，其他节点为终端处理节点，中央处理节点主要负责控制指令的发出，网络维护以及处理终端节点的信息等。

图1 ARCNET列车数据网络拓扑模型

车厢T1c和T2c中节点之间的距离设定为20 m，其余每个终端节点之间的距离设定为50 m。

正常运行的情况下，在该双重环网拓扑结构模型中，其中一个作为主环，另一个作为热备及起辅助作用的备用环。当主环出现故障情况下，可由备用环接替主环的工作，从而避开故障部位。

3 基于OPNET的ARCNET网络节点建模

在ARCNET列车数据网络节点模型中，由于网络为双重环网结构，所以节点模型中需要2对收发器。xmt_1、rcv_1对应网络中的主环以及xmt_2、rcv_2对应网络中备用环。App_In_Out模块主要完成网络中对应的应用层协议的功能，Proc处理模块主要完成ARCNET网络的链路层协议的功能，是整个节点仿真模块的核心功能部分。如图2所示。

3.1 基于OPNET的应用层建模

节点模型中的App_In_Out作为应用层模块主要完成接收从链路层到来的数据包和负责节点数据包的产生的功能。

仿真模型首先进入数据初始化状态，依次读入节点地址、节点的类型等参数，并转到等待数据接收状态。当RCV_ARRVL条件成立时，表示有数据从链路层到来，即转到节点数据接收状态;当XMT_ARRVL条件成立时，表示应用层有数据要发送，即转到节点数据发送状态，等到应用层数据发送或接收完成后转到等待状态。

3.2 基于OPNET的链路层建模

节点模型中的Proc处理模块作为链路层进程模型，主要完成数据的组帧，数据格式的分析和错误检测，网络故障处理，网络通讯管理等功能。

图3为节点链路层进程状态转换模型。模型首先进入初始化状态，依次对每个节点的统计量和中断等参数进行设置，并转到等待数据接收状态。在等待状态下，若有数据传输到物理层，则进入lo_frame低层数据处理状态;若有数据传输到应用层，进入up_frame高层数据处理状态。在up_frame高层数据处理状态下，若当前节点为终端数据节点并且持有令牌，那么该节点首先向中央节点发送请求帧，在收到应答帧之后，向中央处理节点发送消息数据。在发送消息数据完毕后，将令牌传递到逻辑邻居节点，然后转入等待状态。若当前节点为中央处理节点并且持有令牌，则从节点两端同时向终端数据节点发送消息数据;若终端数据节点没有持有令牌，则将到来的数据进行排队，等待令牌的到来。在lo_frame低层数据处理状态下，主要是对到达物理层的消息数据进行处理，对非当前节点的数据，则转发到逻辑邻居节点，等消息处理完毕之后，转入等待状态。

图3 节点链路层进程状态模型

4 网络仿真

文章在对列车数据网络需求以及ARCNET网络协议进行思考、分析的基础上，通过建立ARCNET网络拓扑模型，主要对节点间链路吞吐量和网络的实时性进行仿真分析。

4.1 ARCNET网络实时性仿真

网络实时性的仿真主要是对令牌的循环时间和端到端(ETE)时延进行仿真。ARCNET列车数据网络要求控制指令的循环时间不能超过10 ms，否则，控制指令信息将不能按时传输到各个终端数据节点，会对列车的安全运行造成严重影响。

首先网络场景初始化，网络范围的大小设置为125 m×125 m;网络拓扑类型为Ring双环类型，节点模型为图2自定义的节点类型，数量为8个;链路模型为自定义的链路类型，其数据传输率默认值为2.5 Mbps，数据传送方式为半双工;根据实际应用，设置网络的中心坐标为(60，60)，工作半径为45 m。同时为了仿真网络的实时性和链路的吞吐量，需要收集网络中每个节点的Load统计量以及网络令牌的Delay统计量。运行仿真，采用DES仿真，仿真时间设置为500 s，在数据为2.5 Mb/s传输速率下，分别进行2次仿真试验。仿真试验1，误码率为0，仿真结果分别如图4、图6所示;仿真试验2，误码率为1×10－7情况，仿真结果分别如图5、图7和图8所示。

对应用层端到端(ETE)时延的仿真结果如图4所示，由仿真结果可以看出ARCNET网络端到端的平均时延在0.5 ms以下。由于ARCNET协议是基于令牌传递技术的，因此网络中端到端平均时延相对稳定。

图4 误码率为0时端到端时延仿真

图5为数据传输的误码率为l×10－7时的令牌循环时间。此时由于数据误码率超出了系统的承受范围，数据在传输过程中发生了频繁的重传，造成了令牌循环时间增大，严重影响了数据传输的效率。

图5 误码率为1×10－7时令牌循环时间

4.2 网络链路吞吐量仿真

图6是在数据传输误码率为0时，各节点间链路吞吐量的仿真结果。由于ARCNET令牌环是单向传输，导致各节点间的链路吞吐量不尽相同。

图6 节点间链路吞吐量仿真

图7 主链路环吞吐量的仿真

图7与图8分别是在误码率为1×10－7时，主链路环以及备用环的链路吞吐量仿真结果。可以看出当主链路环意外发生故障时，备用环接替主环继续工作，造成备用环的链路吞吐量突然增大，与此同时主环的链路吞吐量减小，同时也保证了系统能够继续正常工作。

图8 备用链路环吞吐量的仿真

5 仿真结果分析

式中，Ts为端到端时延;Tf为节点发送时延;Tb为介质传播时延;Tc为节点处理时延。

由公式(1)可知，源节点数据发送处理时延、链路传输时延和目的节点数据处理时延是造成数据传输时延的主要因素。其中，影响链路传输时延主要因素为数据传输速率和介质的传输距离。在ARCNET列车数据网络中采用光纤作为传输介质，以及节点之间的距离较小，因此链路传输消耗的时延非常小，基本上可忽略掉。依据仿真结果可以得出，源节点的数据发送时延是影响端到端时延主要因素。

同时在仿真的过程中，通过设置不同的误码率发现，在数据传输的误码率高于1×10－7时，令牌循环时间将会超过10 ms，同时网络中数据传输质量也会严重下降，满足不了系统的要求。所以在数据传输的误码率不超过1×10－7的情况下才能保证ARCNET列车数据网络的安全运行。

由图6的链路吞吐量仿真结果可以看出，由于ARCNET列车数据网络是单向传输，导致网络中各个节点间的链路吞吐量并不尽相同。因此在主环正常工作的情况下，如果4号终端节点要向1号中央节点发送消息数据，则要通过其后继终端节点5号、6号…传输，而10号终端节点则要向中央节点转发前面所有节点传输的消息。仿真结果表明，节点之间链路负载量将会随着节点地址的增加而增大。

6 结语

ARCNET网络的端到端时延以及令牌的平均循环时间反映了网络的性能，从整体上描述了系统的时延;各个节点的链路吞吐量描述了网络拥塞的情况。仿真结果表明:当数据传输误码率超过1×10－7时，网络中数据传输质量严重下降，网络拥塞情况严重，令牌循环时间超过10 ms，满足不了高速列车数据网络系统的要求。

通过网络建模和仿真，对ARCNET列车数据网络进行链路吞吐量和网络实时性仿真，得到不同误码率环境下的网络整体性能情况。结果表明，影响端到端时延的主要因素是源节点的数据发送时延，建议使用高性能的节点处理器以减少端到端时延。

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