基于NetFPGA的以太网列车骨干网列车拓扑发现协议研究与仿真

1、基于NetFPGA的以太网列车骨干网列车拓扑发现协议研究与仿真 密级:公开国内图书分类号:国际图书分类号:.西南交通大学研究生学位论文年 级三委二委级名姓 夏造延申请学位级别王堂亟业专槿式迟墨墨蟹篚丕统指导老师 莹左态量塾握二零一三年五月十日 :.:. :.,西南交通大学学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定,同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版,允许论文被查阅和借阅。本人授权西南交通大学可以将本论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索,可以采用影印、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位论文。本学位论文属于.保密口,在 年解密后适用

2、本授权书;.不保密。/磕用本授权书。请在以上方框内打“、”学位论文作者签名: 指导老师签名:鬲甓乜日期:.日期:.即西南交通大学硕士学位论文主要工作贡献声明本人在学位论文中所做的主要工作或贡献如下:本课题来源于国家科技支撑计划“中国高速列车关键技术研究及装备研制”基金号:中的分支?“基于工业以太网的列车通信网络及仿真平台研制”。论文中使用斯坦福大学研制的网络开发平台,运用其中的高速模块化路由器作为参考设计,并在其之上进行二次开发,添加双线负载功能以提高了冗余线路的使用效率,实现了满足以太网列车骨干网通信需求的半实物仿真硬件系统。在对国际电工委员会年所制定的.:电子铁路设备一列车通信网络一.分册

3、:以太网列车骨干网中的核心内容?列车拓扑发现协议进行分析梳理后,在平台上通过操作系统下语言编程完成以太网列车骨干网节点模型的搭建,包括应用程序的设计与网络协议栈的实现,在半实物仿真系统中完成了以太网列车骨干网相邻节点和内部节点的探测,建立了连通性列表和列车网络目录分别标识列车通信网络中的物理拓扑和逻辑拓扑,并增添报文定时,冗余循环校验等模块以保证基于以太网的列车网络通信的实时性与可靠性。本人郑重声明:所呈交的学位论文,是在导师指导下独立进行研究工作所得的成果。除文中已经注明引用的内容外,本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体,均已在文中作了明

4、确说明。本人完全了解违反上述声明所引起的一切法律责任将由本人承担。学位论文作者签名:嫩期:.、.第页西南交通大学硕士研究生学位论文摘 要由于列车运行速度的大幅提高,列车通信网络结构的逐渐复杂化,新型大容量业务的不断增加,现有列车网络应用的现场总线已趋于无法满足列车通信网络对于带宽,实时性、可靠性等重要性能的需求。而随着工业以太网技术的飞速发展和在工业控制领域的广泛应用,基于工业以太网的列车通信网络因其组网拓扑结构灵活,传输速度高等优点,己成为国际电工委员会和许多发达国家对于列车通信网络的新的发展方向。论文研究内容来自于国家科技支撑计划“中国高速列车关键技术研究及装备研制”中的分支课题?“基于工

5、业以太网的列车通信网络及仿真平台研制”。本文通过对.:电子铁路设备一列车通信网络一.分册:以太网列车骨干网核心内容?列车拓扑发现协议的语义、语法和时序进行分析与梳理,给出了利用冗余线路分担数据传输,实现双线负载均衡以提高链路利用率,扩大传输带宽的优化方案。本文采用斯坦福大学所研发的作为以太网列车网络仿真验证的网络开发环境,并采用该平台所包含的“模块化高速路由器”项目作为半实物仿真系统的参考设计。根据参考设计的硬件结构,数据通道与相关应用程序进行了二次开发,实现了收发数据的接口复用,即双线路负载均衡功能,并且给出了关键代码与测试用例,为列车拓扑发现协议网络协议栈与各应用模块提供了硬件平台。本文根

6、据.标准的相关标准,设计了以太网列车通信网络在初运行过程中实行的对相邻节点和内部节点的探测算法。并且在硬件环境之上设计了以太网列车骨干网半实物仿真节点模型,包含了线路帧收发单元、链路收发控制单元、协议运维单元、报文定时单元,循环冗余检查单元等功能模块。其中循环冗余检查单元与协议内部校验机制共同满足了数据传输的可靠性,报文定时单元与链路收发单元则用于满足列车网络对实时性的需求。设计实现后,将多个节点模型在物理层链接,实现了列车网络系统的半实物仿真平台,并在其之上实现了节点探测算法,通过对数据结构?连通性列表与列车网络目录的维护,建立了以太网列车骨干网的拓扑管理结构。论文最后给出了半实物仿真平台的

7、测试用例,给出了满足.标准规定的测试结果,验证了系统功能以及设计算法的正确性。本设计为以太网列车网络仿真模型提供了框架,为我国该领域的自主研究与创新进行了一定的探索。关键词:列车拓扑发现:;半实物仿真;节点模型第页西南交通大学硕士研究生学位论文 ,?,. , , . ”?” ”. . .:?抓.:? 一 ,” ”, . . ,?.? , , . ,. ., ?. , , , 西南交通大学硕士研究生学位论文 第页 ., , ., . , ., ? . .,. :;:?西南交通大学硕士研究生学位论文 第页目 录第章绪论?.课题研究的主要目标、内容与方法一.课题需解决的关键问题?一.论文的组织安排第

8、章列车拓扑发现协议的分析与优化?.列车拓扑发现协议的目标及设想?.列车拓扑发现协议的语义?.列车拓扑发现协议所定义的常规行为?.以太网列车骨干网节点初运行状态转换?一.以太网列车骨干网节点探测一.列车拓扑发现协议的语法?.列车拓扑发现协议报文定义.列车拓扑发现协议报文传输与地址.列车拓扑发现协议报文定义?.列车拓扑发现协议报文定义.列车拓扑发现协议报文定义?.列车拓扑发现协议拓扑结构定义?.列车拓扑发现协议的时序.列车拓扑发现协议帧时序?.列车拓扑发现协议运行时序.列车拓扑发现协议的优化:双线负载均衡?一.本章小结?一第章模块化路由器参考设计实现与开发?.开发平台概述?一.开发环境搭建?.模块

9、化路由器参考设计.模块化路由器硬件设计结构.模块化路由器参考管道?. 模块化路由器应用程序?西南交通大学硕士研究生学位论文 第页.模块化路由器双线负载均衡?.本章小结?一第章列车拓扑发现协议半实物仿真系统设计.协议半实物仿真验证原理?.线路帧接收单元设计.循环冗余检查单元设计.报文定时单元设计?.板卡驱动架构.底层管理单元设计?.链路收发控制单元设计.运维单元设计. .本章小结?.第章列车拓扑发现协议半实物仿真系统功能测试?.半实物仿真系统双线负载均衡功能测试.半实物仿真系统拓扑结构建立功能测试一.本章小结?一结 论.致谢.参考文献攻读硕士学位期间发表的学术论文西南交通大学硕士研究生学位论文

10、第页第章绪论.课题的研究背景及意义本课题来源于国家科技支撑计划“中国高速列车关键技术研究及装备研制”基金号:中的分支?“基于工业以太网的列车通信网络及仿真平台研制”。近年来随着现场总线技术的成熟和发展,列车网络系统已成为城市轨道交通车辆和铁道车辆的关键系统。随着最终用户对列车网络系统性能要求的提高,如旅客信息传输、在线视频监控和远程数据服务等功能【 。需要列车网络系统具有较高的实时性和较好的可维护性,并能将列车实时数据传送到远程控制中心进行监控和维护,现有列车网络应用的现场总线无法满足上述要求,而工业以太网技术克服了现有列车网络总线传输速度低、组网拓扑结构单一等缺点【,是未来列车通信网络发展的

11、大势所趋。列车拓扑发现协议 ,是列车通信网络协议正.:电子铁路设备一列车通信网络一.分册:以太网列车骨干网的核心内容,设定它的目的在于通过建立连通性列表和列车网络目录,来获取以太网列车骨干网 的物理拓扑和逻辑拓扑,从而使得健壮的列车口网络结构被持续计算,并同步在所有的骨干网节点中【。它为稳定的以太网骨干网络提供支持,因此对于拓扑发间协议的研究和仿真就显得尤为重要。的模块化设计理念以及强大的硬件支持,允许网络研究者在其平台上设计实现千兆级别的高性能网络系统【。不但满足了工业以太网的网络带宽,同时还允许将庞大复杂的网络处理器设计化整为零,自行设计或者调用已存在的硬件模块来自行组合,可以让开发者方便

12、的实现高性能路由器的加速效果,双线路接入负载均衡等功能,完全符合将其作列车以太网通信系统仿真平台的需求。因此,建立工业以太网列车通信系统半实物仿真平台可为我国的列车网络通信系统的工业以太网关键技术研究、基于工业以太网的列车网络通信系统中网络接口技术和通信机制的研究提供重要的参考依据。对于我国自主掌握高速列车网络的控制系统,适应高速铁路未来发展要求和控制生产运用成本具有显著的意义。.以太网列车通信网络国内外研究现状对于以工业以太网为主的列车骨干网络,总线技术国际电工委员会已完成了相关协议的标准,用以推动工业以太网技术在列车通信网络领域中的全面应用【】,目前已于年完成了.:电子铁路设备一列车通信网

13、络一.分册:以太网列车组成网,作为以太网列车通信网络第页西南交通大学硕士研究生学位论文的车辆网络标准;于年完成了.:电子铁路设备一列车通信网络分册:以太网列车骨干网,作为以太网列车通信网络列车网络的标准【。目前国外的项目中,新开发的以太网通路和原有的列车通信网络系统仍同时存在。如川在德国和荷兰的区域性列车上配备了车载以太网系统中以太网网络可确定列车的组成如列车由何种车厢组成,车厢的结合次序如何及它们以何种方向运行可打开正确的车门组等,而仍保持用于列车范围的通信功能。来自于瑞士的开发的一套基于以太网的列车控制和检测系统中,将仅用于本地连接功能,而列车范围内的通信任务将由以太网列车主干网完成一。国

14、内也有学校和公司合作研制出类似的列车通信系统方案,如北京交通大学采用底层通信网络采用总线的通信方式,连接车厢内主要的电气控制设备。上层网络是通过工业以太网来连接远程的监控主机,/网关连接现场控制网络和以太网监控网络,完成总线与工业以太网的协议转换;以太网则将通信数据传输给监控中心进行实时监控 。西南交通大学则采用总线作为列车的主控网络,用以太网控制器和单片机调节列车的主要控制单元的运作,工业以太网主要进行一些辅助控制功能,并在模拟的车辆实验设备中进行了初步验证【。但总体来说,我国的以太网列车通信网络尚停留在实验室仿真阶段,还没得到具体的实际应用。结合目前国内外列车网络应用的技术和现状,工业以太

15、网技术在列车网络的应用主要体现在两个方面,即工业以太网与现有现场总线相结合以及以工业以太网为主的列车总线技术 ,但根据以太网的特点以及列车通信网络的需求而在未来的两三年内,以太网将完全取代其他总线技术。.课题的主要研究工作.课题研究的主要目标、内容与方法该课题是以.:电子铁路设备一列车通信网络.分册:以太网列车骨干网为标准,着重研究其中的列车拓扑发现协议,建立连通性列表和列车网络目录,将其写入路由器。搭建符合该协议的网络通信纯软件及半实物仿真平台,对协议进行仿真与验证。对工业以太网在列车网络中应用的实时性、可靠性进行仿真和验证,并研究改善网络实时性性能的方法,研究网络通信的可靠性技术,使其满足

16、高速列车网络通信系统的需要。主要包括下面几方面的内容:.研究和优化基于工业以太网的列车通信网络的通信协议对于列车拓扑发现协议进行分析,提炼出以太网列车骨干网的节点设置以及节点西南交通大学硕士研究生学位论文 第页初运行的状态流程,并且总结归纳出列车拓扑发现协议的三要素:语义,传输列车信息的内容,需要作出的动作及响应;语法:列车数据与控制信息的格式,数据编码以及数据结构;时序:列车事件的先后顺序和速度匹配。确保纯软件仿真及半实物平台的仿真拥有充分理论依据。.实现和改进模块化高速路由器的参考设计协议的半实物仿真在斯坦福路模块化高速路由器的参考设计框架下进行开发,这一统一的基本框架也是本文模拟以太网列

17、车骨干网的设计基础。因此首先要在代码进行修改加开发平台上将其实现,并且通过对参考设计中入双线路负载均衡的功能模块,提供拓扑发现协议的移植环境。.研制.中列车通信网络的半实物仿真平台在硬件平台上研制面向高速列车的列车网络控制系统检测和调试的环境,搭建以太网列车列车骨干网通信系统的框架。设计适用于列车拓扑发现协议网络协议栈的网络节点模型,包含线路帧收发、报文定时、冗余检验、状态管理等各个系统模块的建立。.设计以太网列车骨干网的拓扑发现算法并在半实物仿真平台之上实现实现以太网列车骨干网节点间的偶合机制,建立物理拓扑和逻辑拓扑的连通性列表和列车网络目录,通过两种拓扑得出以太网列车骨干网节点和子网等标示

18、符,将这些标示符将用于建立列车映图,列车路由定义,网络地址转换名。值,终端设备.课题需解决的关键问题.基于以太网的列车通信网络半实物仿真与联合调试的试平台体系结构如何设计研制基于的网络系统接口卡与交换机设备,将工业以太网的协议的进行设计,使用 通过二次开发搭建工业以太网实验平台。以协议模型为参考,根据高性能路由器相关原理和算法,在硬件平台和系统环境语言和语言编程实现拓扑结构探测,信息帧的发送接收、帧发中通过送确认和网络重构等功能。.太网列车骨干网中相邻节点和内部节点如何探测通过分析.:电子铁路设备一列车通信网络一.分册:以太网列车骨干网对拓扑发现协议的描述,要构建出 和数据报文,并按特定的时序

19、与机制实现以上两种报文的收发和维护,在此过程中得出节点相邻的节点信息以及该节点在列车网络中的位置。.列车骨干网络拓扑管理如何建模第页西南交通大学硕士研究生学位论文顺序和建立物理拓扑的以太网列车骨干网节点导向列表。物理拓扑总是随着链接的数目的改变而更新。所有的都需要被探测主节点或备份节点。建立逻辑拓扑的列车子网顺序和导向列表。逻辑拓扑包含了“子网”和“ ”,它们将被记录,以使得一些丢失的或组合网的标示符被所保留。将其用于不同的之间的子网数据交换。.论文的组织安排第章.绪论。介绍课题一“基于的以太网列车骨干网列车拓扑发现协议研究与仿真”的选题背景及意义及其国内外研究现状,并阐述了课题的研究目标、内

20、容、方法及需解决的关键问题。第章.列车拓扑发现协议的分析与优化。给出以太网列车骨干网拓扑发现协议的语义、语法和同步机制,并分析仿真系统各个模块的功能需求,同时增加数据链路层的双线负载均衡功能,扩充了接口的带宽。第章.模块化路由器参考设计实现与开发。实现斯坦福模块化高速路由器的参考设计,并描述实现过程与原理,并在其之上进行二次开发,实现双线负载均衡功能,为协议移植提供硬件平台。第章.列车拓扑发现协议半实物仿真系统设计。设计列车网络中节点探测算法,通过系统下的语言编程,实现列车拓扑发现协议在硬件平台上的运行,建立以太网列车骨干网络的物理拓扑和逻辑拓扑。第章.列车拓扑发现协议半实物仿真系统功能测试。

21、对前四章所设计的半实物仿真平台上对双线负载均衡以及拓扑建立功能进行验证。给出了测试用例以及检测结果。西南交通大学硕士研究生学位论文 第页它将被记录在在一个新逻辑拓扑中而不意味着一个新的初运行。列车应用程序将决定是否需要一个新的初运行一个新的口映图。关于拓扑自身最重要的设想是:骨干网节点在线型拓扑中接受处理。因此,该协议旨在发现一个顺序定向的列表【。它并不能正常的在环型或树型拓扑中运行,因此会做一些路由协议。由于采用线型拓扑,每一个节点拥有,或者个相邻节点。因此,他们将有“方向”的概念,并且他们必须能够独立的链路聚合到每一边的每个端口上来发送和接收明确的帧。如图.所示,两个之间的每一条线路都用一

22、个字母来标识。因为最多有四条线被聚合,故采用字母“”到“来进行标识,由于“”和“”是可选的,以下只显示出“”和“”线路。线路 左 右 线路以太网列车骨干网节点方 方线路 向 向线路接接 固口 口列车交换机图.以太网列车骨干网节点定位能力设定连接到方向的交换机以太网端口被命名为“左方向接口”,连接到方向的为“右方向接口”。对于链接到方向或者方向的端口配置可以自选。交换机端口之间的变量如标识号,方向以及线路都将在报文中被推断。.列车拓扑发现协议的语义网络中有多个网络节点构成,节点之间要有条不紊的交换数据就要最后协议中规定的通信规约。协议实质上是网络通信时使用的一种共同语言,一般有各组成部分语义、语

23、法和时序【】。其中语义定义了要做什么,即解释了协议信息每个部分的意义,需要发出何种信息以及完成的动作以及做出什么样的响应。.列车拓扑发现协议所定义的常规行为初运行过程应当在所有以太网列车骨干网节点之上运行:?发现和监控列车以太网骨干网运行状态。发现拓扑过程需要一直保持激活,拓扑消息报文被从每一个多路转发到其他节点,所以交换机转发列表要随着每一次传输不断更新。?与列车应用程序通告并协商拓扑结构。没有应用程序的承认就不能追加任何行为。?在应用程序承认之后,列车逻辑拓扑被用来参考以建立列车口映图并且更新网第页西南交通大学硕士研究生学位论文络服务,?。终端设备将被通告最新被认可的拓扑。列车不需要的端口

24、被设为阻塞状态并且之有初始消息玎巳报文被发送使用管理地址以发现最后的耦合。拓扑的稳定性基于的计算。当所有的本地的或者从别的获取的一致的时候,所有的分享相同的值。结果是纯粹的拓扑信息:在此描述的协议目的在于在最短的时间内决定拓扑变化以及/或者稳定性。完整的一致性信息交换以及共享将在另一份协议中得到实现。由于列车组装/拆卸或者事件丢失所需的更改之间的区别同样被进行了处理用来避免同时出现多个初运行过程川。.以太网列车骨干网节点初运行状态转换以太网列车骨干网节点初运行过程如图.所示:否否图. 初运行流程.行为描述组态成型初始化。交换机端口被设为学习状态。转发功能被禁止,没有配置,交换机转发表清空。激活

25、链路聚合左侧交换机端口被配置为静态聚合,独立于右侧端口。第页西南交通大学硕士研究生学位论文建立物理与逻辑拓扑物理拓扑与建?后台程序发送帧并且建立连通性列表立列车网络目录逻辑拓扑。启动后台程序启动拓扑发现协议的应用程序。管理链路状态需要通过使用以下管理相邻节点链路的状态:?帧?以太网物理端口状态设置拓扑计算记录列车网络目录的作为最新的拓扑计算器初运行标识符。设置映图以及服务初始化映图所有的参数:口地址,网络掩码,名称解析,路由使用”和“结果“ ”。重新开启服务,清空列表。激活路由功能和之间的转发功能被激活。之间可以通信。通告列车应用程序新的初运行被通告到内的列车应用程序。根据的技术,需要输出列车

26、拓扑。发送在状态初运行 中,每一个或者中其他的特殊需要发送一次或者按需要发送多次报文。禁用路由与之间的转发被禁止。之间不准许通信。.判断条件描述物理拓扑一致通过布尔值标识, 当物理拓扑共享到所有的所有具有相同的连通性列表为真。逻辑拓扑一致当逻辑拓扑共享到所有的所有具有通过布尔值标识,相同列车网络目录为真。初运行抑制第页西南交通大学硕士研究生学位论文通过布尔值标识,当列车应用程序需要避免新的初运行时为真比如说列车正在运作模式中移动,当类车应用程序启动初运行来修改所有口设置时为假。这个标记是使用报文中“抑制”作用域以及本地参数所产生的结果。启动初运行时所有的都要激活它。.以太网列车骨干网节点探测.

27、骨干网内部节点探测在任意时刻,每一个需要探测同一个以太骨干网内部的其他节点。为实现探测,每一个需要周期性对其他节点发送一个广播报文,它的名称叫,链路聚合组两个方向被用来发送这个报文。接收到该报文,一个需要在自身的路由表查找报文中的地址是否在它的左端或者右端相邻。当一个在中没有相邻节点时从未收到报文,稳定性在一个延时后被自动声明。在一个时延内没没收到特说的所发出的 报文被用来判定已丢失。两类标识将用于建立连通性列表:?“连通性矢量”字段?“矢量”字段具体使用哪个字段作为输入可自由选择,但填充这些字段被定义为是强制的。为了安全考虑协议建议同时两个字段来建立建立连通性列表物理拓扑。.相邻节点探测一旦

28、物理拓扑被列车应用做确立,两段节点的以太网接口将设为封闭模式。只有管理报文可以在其中传输。左右之间的节点将周期性的交换一类报文,该报文的名称为“ ”。该报文占用很小的字节,他们在两个节点之间相互传输,来确定对方时候能给与一个快速的反应。在一个时延内是否收到 报文将用于探测相邻节点是否还在链接状态。.列车拓扑发现协议的语法协议三要素中的语法表示要怎么做,它将若干个协议元素和数据组合在一起,表达一个完整的内容所遵循的格式,定义了用户数据与协议信息的数据结构、编码、电平,数据出现的顺序等。第页西南交通大学硕士研究生学位论文.列车拓扑发现协议报文定义该副条款定义了之间为初运行而交换的数据包的格式。以下

29、有三种数据包被定义:帧,用于发现直接与其相连的节点并且检测与这些相邻节点的物理通信连接。帧,用于对所有其他的发送该节点的节点相邻节点的信息。帧,用于为其他提供节点所连接的基本信息。.列车拓扑发现协议报文传输与地址列车拓扑发现协议定义了两类以太网协议帧和一类用户数据包协议帧:帧:基于链路层发现协议 ,除了所必须带有的三元组 ,还拥有协议所定义的特殊。帧,特殊的以太网广播帧。帧,拥有以太网.所规定的最大容量的特殊的数据报文,以避免口层的分裂。以下地址可用于以太网协议帧的发送,如表.所示。表以太网数据帧目的地址数据报文 目的地址 目标节点 定义根据 .与定义。. 相邻节点准许节点交换底盘和端口信息根

30、据 .定义。将广播. 全节点地址用于所有节点传递拓扑信息。以下/协议的相关参数将被用于 帧定义,如表所示。表.基于的协议报文目的广播地址数据报文 广播地址 端口 目标节点 定义列车组合网 根据 ,采用./. 中所有的终 为网络地址域,其中.端设备 作为组合网信息组播地址西南交通大学硕士研究生学位论文 第 页.列车拓扑发现协议报文定义列车拓扑发现协议报文是根据链路层发现协议数据单元,来定义的,详情请见 .中定义强制和原始特殊的内容,报文结构如图.所示。端以太罔助底层 生存时间报文结束以太网?中规定需强制包含类型 长度 组织唯一标示符 子类型 包含信息图 报文的结构描述对于协议,它使用虚拟局域网

31、字段作为自身的参数根据.所定义。如果存在,优先级的数值将被设为。列车拓扑发现协议报文的具体定义如表.所示。表. 报文字段名 描述 类型 赋值长度.目的地址 地址. 】源地址 发送方地址】以太网类型 以太网类型标识】类型 底层强制包含】长度以计算的长度底层子类型 底层子类型:地址 底层底层发送方的地址】类型 端口强制包含长度 以计算的长度端口子类型 代理线路 端口 ,输出物理端口 类型 有效时间强制包含长度以计算的长度有效时间 的有效时间原始特殊类型特殊】长度以计算的长度组织唯一标示符,?子类型版本 版本左侧标识 数据包的序号实时更新第页西南交通大学硕士研究生学位论文提供方的具体信息,内容为提供

32、者 已终止符为结束的字符串,】 ”必要时填充空字符。评估链路状态,如果从邻居节点收到报文并且链路可信端口处于激活状态,则该链.接认为是可信的。如果相应 .链路不可信链路一的端口处于抑制状态或者 .未激活.在长时间没收到报 .无效值.文则认为链路是不可信的。接收超时管理的目的在于.慢模式在任何情况下加快故障检测。此信息控制相邻报文之超时管理间传输的时间。如果在慢模 .快模式式下收到帧回复,则告知相邻节点进入快模式。的源地址 ? 源对于信息诊断,源出口的物理端口号, 输出线路 最近发送此帧的线路名称.方向输出方向 该条输出线路的方向.方向相邻 已知相邻节点的地址组合网通用唯一,为所在详见 网络中的

33、所共享设置列车初运行批准的列 .初运行抑止初运行抑制标识 车应用程序状态为不可用, 一初运行允许直到建立第一个拓扑结构 .不可用预留字段 预留字段,以后使用 全部设为.帧检测序列根据帧检测序列 以及特殊的 来 删 计算,并且在此被插入。类型 结束强制包含】长度以计算的长度以太网 丸愀 组合网唯一标示符用于识别唯一的组合网标识而不需要一个向主站注册的过程。为一个 的标示符,它根据被定义,所有的以太网列车骨干网在同一个组合网中必须拥有同一组合网唯一标示符。.列车拓扑发现协议报文定义该报文被用于建立物理和逻辑拓扑,它使用虚拟局域网第页西南交通大学硕士研究生学位论文字段作为自身的参数根据 .所定义。如

34、果存在,优先级的数值将被设为,报文结构如图.所示。图 报文的结构描述列车拓扑发现协议报文的具体定义如表所示。表 报文长度类型 赋值字段名 描述地址. 一.目的地址 】?【 源地址 发送方地址【 以太网类型 以太网类型标识 】以太网列车骨干网类型用于建立“连通性列表”】长度以计算的长度一个纯文本字符串,用于监 协议标识控工具过滤以太网协议协议版本 初运行协议的版本左侧标识 数据包的序号实时更新.还未初运行初运行状态机的状初运行状态 .初运行态,只为提供信息准备初运行.线路正常. .线路不正常方向链路总 方向所有链路状态,可以一未激活状态 用于过滤线路. .无效值.无效值不会被使用线路方向相连线

35、线路方向相连线路名,路标识 称,可以用于过滤线路线路方向相连线 线路方向相连线路名。,路标识 称,可以用于过滤线路线路方向相连线 线路方向相连线路名,路标识 称,可以用于过滤线路线路方向相连线 线路方向相连线路名,路标识 称,可以用于过滤线路.线路正常方向链路总 方向所有链路状态,可以. .线路不正常状态 用于过滤线路一 一未激活西南交通大学硕士研究生学位论文 第页.一无效值.一无效值不会被使用线路方向相连线 线路方向相连线路名,路标识 称,可以用于过滤线路线路方向相连线 线路方向相连线路名,路标识 称,可以用于过滤线路线路方向相连线 线路方向相连线路名,路标识 称,可以用于过滤线路线路方向相

36、连线 线路方向相连线路名,路标识 称,可以用于过滤线路.未定义主节点节点角色 额定的角色分配.备用.未降级的一抑止从本节点发出的抑止请求,抑止为本地信息 .开启表示远程聚合在延伸的情 一抑止路由抑止 况下,是否允许以创立 .开启.直连定向 在组网中的方向.逆向连通性列表 内部连通性列表的校验和?方向地址 方向相连节点地址自身地址 ? ? 方向地址 方向相连节点地址 方向节点数方向所相连节点数 方向节点数 方向所相连节点数?一【方向所相连宰方向节点数组 节点数组未排序,以?地址描述?方向所相连方向节点数组 节点数组未排序,以 ?地址描述.帧检测序列根据【 帧检测序列 以及该段来计算,并且在此被插

37、入。以太网列车组合网类型用于建立“列车网络目录”】长度以计算的长度组合网通用唯一,为所在详见 】网络中的所共享 组合网内节点数 在组合网中拥有多少删 拓扑计数器 列车网络目录内部校验和拓延标识 表明列车车厢数量经过一 .列车拓延第页西南交通大学硕士研究生学位论文.列车非拓延个初运行机制获得拓延出现一个新的。使用 报文探测,如果发现一个新的节点进行置位。当节点消失或者新列车网络目录建立则重置。表明列车车厢两端之一丢失至少一个节点。使用报文探测,如 一车缩减缩减标识 根据列车网络目录发现终 .列车非缩减端节点丢失或者新列车网络目录建立则重置。一个列车组的组合网数,作组合网数量为列车组的静态标识。从

38、组合网撑到组合网州.该字段标识以太网列车组 .未使用组合网类型.合网类型.以太网一个列车组的数,作列车组数为列车组的静态标识。从到下链接的组 下链接组合网列 未连接合网数目 表,每一代表一组合网 .已连接下链接的组 下链接组合网列 未连接合网数目 表,每一代表一组合网 已连接.帧检测序列根据帧检测序列 以及该段来计算,并且 在此被插入。以太网.列车拓扑发现协议报文定义在完成初运行之后所有的节点都需要交换 报文。 报文中应该包含以下信息:?列车组标识?列车组性能?列车组提供的性能?列车组中车厢的数目及各车厢的标识?列车组中车厢方向第页西南交通大学硕士研究生学位论文?各车厢性能?各车厢终端设备个数

39、可选?各车厢终端设备性能可选报文字段根据“服务质量 ”定义,同时该报文 被分类为检查数据,报文的差分服务代码点字段应该被设置为,报文结构如图所示。字段 以太网 字段; 三 :、昧、铲?五?;。:?。;.,多么长度 协议版本类型、.长度协议标示符 协议版本 包含信息 类型 协议标示符图 报文的结构描述列车拓扑发现协议报文的具体定义如表.所示。表. 报文字段名 描述 类型 赋值长度目的地址 目的地址.】一 源地址 发送方地址】以太网类型 以太网类型标识 删 】:根据 定义的头部结构 .:源头部结构?:.根据 定义的头部结构 目的端口:】头部结构 类型长度长度一个纯文本字符串,用于协议标示符 。 】

40、监控工具过滤以太网协议协议版本 协议的版本 组合网通用唯一,为所详见】在网络中的所共享发送方的标识,如不是直接从发送则标识为列车网络目录内部校验拓扑计数器和,标识初运行列车组信息负载负载定义字段的版本版本格式:.禁用.列车组信息负载 读取负载的信息:二进制 .二进制形式格式 形式,是否被压缩,? 格式 重置:.压缩:.未压缩西南交通大学硕士研究生学位论文 第页重置 .已压缩.压缩列车组信息负载待讨论组合网信息负载的字节数大小列车组描述信息未被初运行所使用用于列车应列车组信息负载用的相关信息描述。在.中定义类型长度 长度一个纯文本字符串,用于 协议标示符】监控工具过滤以太网协议协议版本协议的版本

41、帧检测序列根据帧检测序列 .以及该段来计算,并且在此被插入。数据报文只需要被授权的通信设备所发送,这些设备是:. .一个列车组中自定义的设备在一个列车组中至少有一个被授权的通信设备需要发送数据报文。如果对于来说其他的通信设备被定义来发送数据报文,那么列车组中的将不能发送数据报文。如果需要发送数据报文。那么列车组中所有的都需要发送数据报文。数据报文需要被广播到一个定义好的多路广播组中。该多路广播组的成员被授权接收和处理数据报文。.列车拓扑发现协议拓扑结构定义.连通性矢量连通性矢量给与了直接相邻节点的信息。连通性矢量是 帧的一部分。每一个都需要通过帧或者? 帧建立一个自己的连通性矢量,矢量定义及字

42、段描述如表及表所示。表连通性失量 地址方向地址自身地址方向西南交通大学硕士研究生学位论文 第页表.连通性失量字段值条目 描述?地址 方向和方向相邻节点的地址或者自身的地址。如?没有相邻节点或者一个之前的相邻节点不在链接则设为。.矢量矢量给与了某个同一方向的所有相邻节点的信息左或右。检测列表并没有被指定,两个矢量被包含在 帧中。每一个都可以通过多路广播 帧建立起两个矢量双向。当接受到帧,一个简单的转发表给与了引入的端口号,因此发送者的方向可以被清楚的检测出。矢量定义及字段描述如表.及表所示。表 失量地址 地址地址表连通性失量字段条目描述 值地址 ?一【某一个方向相邻节点的地址.连通性列表连通性列

43、表包含了骨干网上的列表:“物理拓扑”。该列表由帧计算而得出。第一项属于最底层的火车终端的地址。这个被用为定向基准。当每一个收到一个新的帧,连通性列表被重新计算。在每一次的初始化之后,最小的连通性列表只包含自身一个节点。列表结构定表.连通性列表方向地址节点之间最底层的地址地址 方向./.地址方向表.连通性列表字段条目 描述 值类型上所有检测到的的?地址地址第页西南交通大学硕士研究生学位论文一根据连通表的第一个节点得出的 .直连的与第一个非等价的方向 在一个固定方向上的节点信息。 方向相同字段第一个节点设置为“” .逆向的.未定义.连通性列表连通性列表校验和根据 .来进行计算,初始值为。连通性列表

44、在 报文中进行传输,当所有发送相同的时所有的分享同一个连通性列表,从另一个角度来说,所有的可以找到另外所有的节点,物理拓扑完成。.列车网络目录列车网络目录包含了列车关于组合网的描述:“逻辑拓扑”。最初的入口在列车的终端组合网拥有最低级的组合网通用唯一。该组合网作为定向基准,列车网络目录通过所有的在每一个周期内收到的帧来计算得出。列表表.列车网络目录”终端节点 一个列车组要子网 组合网方向额最低级 包含一个以上组合网子网 组合网方向?,子网 组合网方向表.连通性列表字段条目 描述类型 值“ .? ?.组合网通用唯一 】”作为私有字段来静态定义,用于 非等价的标识列车组中组合网。 字段非等价的子网

45、 用于标识中的组合网子网字段非等价的用于标识中的字段非等价的 . .直连的方向 列车组组合网的参考方向字段 .逆向的.未定义第页西南交通大学硕士研究生学位论文.列车网络目录:“拓扑计数器”列车网络目录校验和根据 .来进行计算,初始值为。列车网络目录在报文中进行传输,当所有发送相同的时所有的分享同一个列车网络目录,从另一个角度来说,所有的可以找到所有的组合网描述,可以获取子网和 ,他们可以发起初运行。一个稳定的列车网络目录标识了一个列车结构,该值同样被用为名命名为“拓扑计数器”。.列车拓扑发现协议的时序协议三要素中的时序也成为同步规则或者交换规则,它表示协议中所进行操作的顺序,是对事件发生顺序的

46、详细说明,明确报文发送的顺序、速率配置及双方相互应答的次序等。.列车拓扑发现协议帧时序. 报文时序报文需要在所有的交换机端口无条件的发送,独立于链路聚合之外。该报文的预算法则类似于链路汇聚控制协议,在报文中定义了两种周期发送方式:?在正常模式,关联到一个较长的接收超时以尽可能的慢速发送来减轻的压力。慢模式下设置周期为。?在快模式下,联到一个较短的接收超时来增加链接错误检测性能,快模式下设置周期为。在该模式下,应当修改其适当的模式来应答回答每个收到的帧。相应的周期和超时时间如表.所示。表. 时序定义慢模式周期慢模式超时时间 .幸慢模式周期快模式周期快模式超时时间 奉快模式周期检测时间 慢模式超时

47、时间快模式超时时间检测时间链路聚合重新配置时间恢复时间西南交通大学硕士研究生学位论文 第页. 报文时序报文需要通过在链路聚合时在被所有的周期性的发送。该报文的发送周期应设置为。. 报文时序数据报文需要被每一个授权的通信设备在一个新的广播启动后.内发送。.列车拓扑发现协议运行时序.运行时序图.描述了三组运行时的状态。它可以被认为是,拓扑时机取决于列车组最后运行的的运行时间而不是取决于总数的不同。习竺日竺日:发送 .一?叫掸响应拿 :? 、.一?叫发送 耳皂孬 响应,譬?丌发送 .一?叫再姜行响应训算完成图. 运行时序图.失效备援失效备援为系统备援能力的一种,当系统中其中一项设备失效而无法运作时,

48、另一项设备即可自动接手原失效系统所执行的工作【】。图.描述了在拓扑发现过程中失效备援的机制。列车应用程序通告的失效备援,担心的初运行应该避免抑制第页西南交通大学硕士研究生学位论文应用标记。数量和口地址映图不应该更改。撑:。?二盯酬触目曰发送响应链路发现链路发现 链路发现硎路发现链路发现 链路发现超时时间抖?: 一发送响应 珍影钐钐獭。链路发现超时时间:。匿缓缓缓缓霪瑗荔荔荔荔荔缓毳毳毳毳荔荔黝。抽发送响应链路发现 链路发现超时时间链路发现超时时间加 链路发现超时时间 链路发现超时时间发现失效图.失效备援图.耦合时序图描述了报文发送时序。再确认了列车应用耦合机制完成之后,两端端口打开并且开始广播

49、 报文。撑?帅 发送响应乙 一 撑卜一叫 发送响应 一节 组网簿接 应用确认搏合完成. .图 耦合时序图西南交通大学硕士研究生学位论文 第页.列车拓扑发现协议的优化:双线负载均衡以太网列车骨干网的节点接口如图.所示,为满足链接容错的要求需建立冗余结构数据传输模型,将传输模式定为双线结构 。一个旁路在物理层被建立,以防止主线路传输过程中出现故障或断开。和绞线式列车总线 的冗余结构相似,其中线缆是成双的,而节点不是,一个节点总是同时在两条线缆上发送数据?。每个节点从一条线缆中接收数据,但是监督另一条线缆是否可用,在非冗余设计中,节点只使用收发线路和可以理解为和共同构成了全双工以太网使用的两对电缆线,负责两个方向数据的收发。线路线路向线路线路幽以太网歹车骨干网的节点接口不意图以上的冗余结构满足了列车通信网络中对数据传输的可靠性要求并提供了失效备援的机制。但在信息传输时,虽然只有