ETB在列车网络控制系统中的应用研究

    朱红岗　张哲瑞

    

    摘要：针对列车网络控制系统中以太列车骨干网络的传输及网络协议特性，文章给出了ETB构成及编组拓扑，从底层初始化、列车拓扑发现协议初始化、协议管理和软件初始化4个方面介绍，模拟了ETB网络的具体流程，实现了ETB网络节点的自动编组。

    关键词：以太列车骨干网络；列车拓扑发现协议；自动编组

    以太列车骨干网络是将工业以太网的带宽高、速率快、实时性好等特点引入了列车网络中，以适应未来列车网络系统发展的方向。以太列车骨干网络（Ethernet Train Backbone，ETB）与工业以太网的不同之处在于网络拓扑结构、禁止使用生成树、快速生成树协议和网络初始化协议。株洲时代电气针对ETB的初始化协议提出了一种分布式比较算法，使用了链路层的LLDP协议来建立所有节点的信息，最后形成一个连接向量表。本文研究了ETB的编组形式及协议组成，模拟了ETB网络的数据流，实现了列车ETB网络节点自动编组。

    1.ETB网络拓扑

    ETB网络拓扑结构采用线性结构，每个ETBN有两个参考方向，从Tc2车指向Tc1车为方向1，从Tc1车指向Tc2车为方向2。车辆的物理连线使ETBN的方向1与车辆的方向1相同，这样保证了多个节点情况下，每个节点的方向1应是相同的，列车通信方向也一致。列车的首节点地址是01，其余节点按总线方向2从02开始按递增顺序依次编号，最后命名的节点为尾节点。列车上的终端设备，可以直接连接到以太列车骨干网节点（ETB Node，ETBN）上。以太列车骨干网拓扑结构如图1所示。

    以太列车骨干网主要包括4个部分：底层初始化、运行TTDP协议、协议管理、软件初始化。底层初始化使得底层能够顺利实现收发数据的工作，运行TTDP协议完成ETB网络的编组和通信，在编组成功后分配IP地址，协议管理和软件初始化完成对应用层数据的传输控制，实现列车网络的顺畅运行。

    2.底层初始化

    底层初始化软件主要完成4个方面的功能。

    2.1线程的初始化

    负责程序所有底层线程的初始化，接口API函数对各种数据结构进行填充，如port：端口号，interface：ETB网口的标识号等。

    线程初始化包括：实现线程的链表结构的初始化；开启所有线程；初始化路由表；初始化客户端；取得相应的端口的IP等信息；连接vns server。

    线程初始化组件的数据结构包括：路由器ID号、区域ID号、更新频率、OSPF协议的hello帧的间隔时、路由更新时间、ARP ttl时间、nat超时时间、线程指针函数、路由表、ARP协议地址映射、ARP队列、客户端命令、路由更新协议、nat协议表结构、nat保持线程、nat表唤醒条件、ARP线程、OSPF协议的hello线程、OSPF协议的更新线程、OSPF超时处理线程、迪克斯加算法处理线程、路由更新广播线程、路由广播更新协议唤醒条件、路由器状态线程、上次路由器状态保持结构、本地ip过滤列表、日志文件等。

    2.2内存的初始化

    内存初始化接口函数为mem init（），主要完成内存初始化。

    2.3内存栈的管理的初始化

    内存栈初始化接口函数为mems init（），主要实现内存栈初始化。

    2.4对数据包进行管理

    数据包管理完成所有的数据包函数的初始化。

    3.TTDP协议初始化

    TTDP协议完成对ETB的网络节点进行编组。TTDP协议包含HELLO帧和TOPOLOGY帧。每个ETB节点会不停地检测ETB上的其他节点，在方向1和方向2上通过多播方式周期性发送这两个数据帧。HELLO帧用于检测相邻ETBN的情况，根据帧的源MAC地址来查找自己的转发表，确定ETBN的左右节点并记录，更新左右节点表，即连接向量域（Connectivity Vector），如果ETB上只有一个ETBN，则一段时间后自动宣布进入稳态。TOPOLOGY帧用于检测网络上所有可能出现的节点的编号情况，根据拓扑对总表进行一次更新，即ETBN向量域（ETBN Vector），对整个列车进行编组。

    列车网络的安全性能和级别较高，考虑到冗余控制策略，实现带冗余的TTDP协议包发送流程，主要分为以下3个线程：

    线程1：发送TTDP HELLO帧，构建相邻节点广播包，并且将该包通过mac层发送至相邻节点，测试节点之间的物理连接，并且建立ETBN向量表，用来描述方向1或方向2上所有节点的连接关系。

    线程2：接收和发送TTDP TOPOLOGY帧，接收全局广播包，判断是否本節点发出，若是，则丢弃该数据包；若否，更新本节点mac表，同时将相邻节点广播包发送至全局网络，向其他ETBN通告本节点的拓扑发现信息，同时建立连接表Connectivity Table，并更新自己的连接表。

    线程3：发送冗余判别广播包，热备端ETBN不断地发送心跳包到其余ETBN，若收到其余ETBN心跳包应答信息，热备端保持；若未收到应答信息，则执行冗余切换，由备份ETBN接管热备端的所有运行工作。

    4.协议管理

    协议管理，完成编组车辆间的网络通信协议管理，分为5部分：

    （1）端口初始化：获取网13IP地址，对IP地址和MAC地址进行定位。

    （2）ARP数据处理：打包并发送ARP格式的hello帧，管3～ARP的队列。

    （3）OSPF hello数据处理：基于OSPF协议而开发的Hello包并定时发出，用于发现相邻ETBN、建立连接关系、选举DR和BDR、确保双向通信。

    （4）OSPF lsa数据处理：打包并发送OSPF～lsa帧格式数据并定时发出。OSPF lsa数据主要类型有：路由链路信息：链路Router-id，接口地址，接口网络，接口类型。网络链路信息DR通告。汇总链路ABR通告。（d）通告外部路由。

    （5）OSPF lsa timeout数据处理：打包并发送OSPF的lsa timeout帧格式并定时发出，用于探测lsa数据帧是否超时。

    5.软件初始化

    软件初始化，完成编组车辆间的数据交互。在端口正常状态下，判断网络协议类型：

    （1）是否是ARP数据包，判断为ARP应答，则更新队列，返回目的地址不可达。判断为ARP请求，请求IP与网口地址一致则进行ARP应答，不一致则丢弃该报文。

    （2）判断是否是IP数据包，若是则进入IP数据处理线程；若以上两种数据包都不是，则丢弃该报文。

    其中，IP数据处理线程分为以下3部分：

    （1）是否为OSPF广播包，若目的地址与网口地址匹配，进行OSPF迪克斯加算法处理；若不匹配，查看路由下一跳是否存在，若存在下一跳，TTL减1，进行校验和，发送数据包，若不存在下一跳，返回目的地址不可达。

    （2）是否为TCP或者UDP报文，若为TCP包，进行TCP数据处理；若为UDP包，返回目的地址不可达。

    （3）是否为ICMP报文，若为ICMP包，执行应答请求，创建应答数据，否则，返回目的地址不可达。

    6.结语

    本文介绍了列车网络控制系统中以太列车骨干网络ETB的构成和编组拓扑，从底层初始化、列车拓扑发现协议TTDP初始化、协议管理和软件初始化4个方面详细说明了模拟ETB网络的具体流程，实现了ETB网络中列车节点的自动编组，后续工作将研究列车网络控制系统中的以太编组网络。