基于以太列车骨干网的高速列车网络应用研究

摘要

我国现有的CRH3高速列车网络采用的是TCN协议。而当前以太网在各个领域有广泛的应用，如何把工业以太网应用到高速列车的控制网络中成为了国内外技术人员研究的热点。国际电工委员会IEC在2010年底颁布的以太列车骨干网(IEC61375-2-5)，为以太网技术在列车网络上的应用提供了一个新的标准。
　　 本文使用带PCI总线的工控机作为网络节点，模拟高速列车车辆间的数据通信，采用NetFPGA板卡的4个千兆以太网口构建了8节列车车辆编组的网络通信模型，同时编程实现了以太列车骨干网的网络通信模型和以太列车骨干网的冗余网络。软件设计主要工作包括:(1)列车初运行协议，即对八台列车节点进行编组。实现的方法是先根据列车初运行协议定义的HEELLO帧运行所得结果来记录当前节点的邻节点的mac地址，然后发送拓扑帧来更新整个网络的mac地址表，最后对整个列车网络进行编组，实现列车车辆之间的通信;(2)冗余切换，备份节点不断的发出广播包探测运行节点的运行状态，当某节点出现故障时，能自动的进行故障单元和备份的节点之间的切换。(3)数据的优化调度，即优先处理列车的过程通信数据、消息数据，对流数据、多媒体、尽力而为的数据优先级排后。
　　 通过对该平台的测试，以太列车骨干网络协议无论在可靠性、延迟时间、吞吐量、带宽利用率或者包损失率都有着较好的表现，对比TCN网络中的WTB网络的1M/s的传输速率，以太列车骨干网络协议无疑具有更好的网络连通性和负载能力。在保证列车网络正常运行，指令响应的实时性前提下，可以为多媒体，上网等功能预留更大的带宽，是新型列车网络发展的趋势。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 引言

1．2 列车网络的国内外发展现状

1．2．1 CAN总线

1．2．2 ARCNET标准

1．2．3 TCN标准

1．2．4 WorldFIB标准

1．2．5 LonWorks标准

1．2．6 以太列车骨干网

1．3 列车网络仿真的研究现状

1．4 论文组织结构和章节内容介绍

第2章 以太列车骨干网络协议

2．1 列车网络基础

2．1．1 网络OSI模型

2．1．2 列车网络

2．2 以太列车骨干网61375-2-5协议

2．2．1 ETB物理层

2．2．2 ETB数据链路层

2．2．3 ETB网络层

2．2．4 ETB列车初运行协议

2．5 本章小结

第3章 基于IEC61375 2-5的列车网络总体方案研究

3．1 需求分析

3．2 系统的总体方案设计

3．3 以太列车骨干网络协议的硬件平台

3．3．1 NetPGA板卡设计

3．3．2 61375-2-5协议的硬件设计

3．4 以太列车骨干网络协议的软件平台

3．4．1 Fedora操作系统

3．4．2 下载驱动和工具

3．5 本章小结

第4章 以太列车骨干网络协议的软件实现

4．1 以太列车骨干网络仿真软件包介绍

4．2 路由器底层管理组件

4．2．1 线程初始化模块

4．2．2 内存初始化模块

4．2．3 内存栈初始化模块

4．3 路由器协议管理组件

4．4 路由器仿真平台初始化管理组件

4．4．1 路由器初始化模块

4．4．2 路由器数据处理管理模块

4．5 列车初运行协议管理组件

4．6 以太列车骨干网络仿真软件包流程图

4．6．1 底层包转发软件流程图

4．6．2 TTDP协议包转发软件流程图

4．7 本章小结

第5章 基于IEC61375 2-5的列车网络仿真平台性能实验

5．1 性能仿真测试

5．2 列车骨干节点收发功能

5．2 节点响应时间测试

5．3 网络带宽、吞吐量测试

5．4 网络速率测试

5．5 包损失，包损失率测试

5．6 延时抖动测试

5．7 本章小结

结论

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及科研成果

附录