基于以太网的列车通信网络仿真.pdf

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1、国内图国际图C l a s s i f i e dI n d e x：T P 3 9 3 1U D C：6 5 4 1S o u t h w e s tJ i a o t o n gU n i v e r s i t yM a s t e rD e g r e eT h e s i sS I M U L A T I O NO FT R A I NC O M M U N I C A T I O NN E TW O R KB A S E DO NE T H E R N E TG r a d e：2 0 0 8C a n d i d a t e：T a n g K eA c a d e m i cD

2、 e g r e eA p p l i e df o r：M a s t e ro fS c i e n c ei nE n g i n e e r i n gS p e c i a l i t y：D e t e c t i o nT e c h n o l o g ya n dA u t o m a t i cE q u i p m e n tS u p e r v i s o r：P r o f G o uX i a n T a iJ u n e，2 0 1 1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

3、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1 保密口，在年解密后适用本授权书；2 不保密函使用本授权书。(请在以上方框内打“v”)学位论文作者签名：亨豸乜指导老师签名：日期：加7 牛鳓仁，日期：仂f 1 1 斗本人在学位论文中所做的主要工作或贡献如下：(1)分析了国内外列车通信网络的发展应用情况，介绍了现场总线和以太网的特点。分析了以太网通信协议，设计了基于以太网的双总线列车网络拓扑，来增加列车通信的可靠性，并且通过仿真证实了该模型的可行性和优点。、(

4、2)分析了O P N E T 仿真软件建立模型的方法。在O P N E T 仿真软件中建立了基于以太网的列车通信网络的网络模型，车辆的节点模型，M A C 模块以及接口模块的进程模型。设计的节点模型中，实现了数据在两条总线上中均可传输，并且在一条总线发生网络故障时可以切换到另外一条总线，不影响系统稳定性。(3)分析了时间同步协议，通过设置不同节点的帧发送时间来实现信道的分时应用，减少数据包碰撞来提高了网络帧传输的实时性，使满足实时性要求。(4)通过设置数据类型字段提高控制数据的优先级，减少控制类数据的排队时延，从而满足控制类数据实时性要求。(5)采集了列车通信网络模型的仿真数据，如以太网时延、

5、吞吐量、总线利用率、碰撞率等参数并对仿真结果进行分析。最后将改进后模型的输出结果和之前的结果进行比较，证明了该方法对实时性的改进是有效的。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：多豸惑日期：2 0 1 1 7 午西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页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。

6、随着现代列车朝着高速化、现代化的方向发展，列车通信网络系统受到越来越多的关注和重视，尤其是使用以太网的列车通信网络，是列车网络的发展方向。国；I-N 车通信网络技术已经比较成熟，并且已经广泛应用，而国内在这方面的研究开发比较少，技术比较落后，在以太网列车方面的研究更是刚刚起步。因此研究基于以太网的列车通信网络对国内列车控制产品的自主开发，打破国外技术封锁有重要意义。本文的主要目的是参考现有的列车网络模型，建立基于以太网的双总线列车通信网络模型，并在O P N E T 仿真软件中进行仿真和改进，得到的仿真结果可以对实际的列车网络的构建起到参考作用。本文首先研究了列车通信网络国内外发展情况，分析了

7、以太网协议和基于以太网的列车通信网络的优缺点，并总结了几种改进以太网实时性的方法。本中设计了基于以太网的双总线列车通信网络拓扑模型。将该模型在O P N E T 软件中实现，创建了列车通信网络模型、列车车厢和车头的节点模型，以及节点中各个模块的进程模型。通过运行仿真得到网络参数，如网络时延、吞吐量等指标，分析网络的实时性，验证模型的可行性、可靠性。针对列车通信网络实时性的要求，本文使用基于时间同步协议的分时利用信道的方法对列车网络模型进行改进，并在仿真软件中进行了仿真验证。对列车通信网络中实时性要求高的控制数据，本文采用在数据中添加高优先级字段的方法，保证控制数据的优先传送，来满足列车网络对控

8、制数据的实时性要求。最后对以上提到的改进的方法均进行了仿真并和改进前进行对比。仿真结果表明，本文建立的列车网络模型实现了在两条总线上传递数据，并且具有较好的实时性，可以满足以太网时延的要求。当一条总线故障时，系统可以切换到另外一条总线接收数据，满足列车网络的可靠性要求。本文采用的基于时间同步协议的分时利用信道的方法对网络的实时性有改进。通过提高控制数据的优先级的方法可以满足控制数据的实时性要求。关键词：列车通信网络，以太网，O P N E T，以太网实时性西南交通大学硕士研究生学位论文第1 I 页A b s t r a c tT r a i nc o m m u n i c a t i o n

9、n e t w o r ki st h ec o r eo ft h et r a i nt r a f f i c，w h i c hi sr e s p o n s i b l ef o r t h ec o n t r o l，t e s to ft h ee n t i r et r a i n，a n dt h ec o l l e c t i o n，t r a n s m i s s i o no fi n f o r m a t i o n A st h ed i r e c t i o no fm o d e mt r a i nf o l l o w si nt h ec

10、o u r s eo fh i g hs p e e da n dm o d e r n i z a t i o n，t h et r a i nc o m m u n i c a t i o nn e t w o r ks y s t e m sg e tm o r ea n dm o r ec o n c e ma n da t t e n t i o n，e s p e c i a l l yt h et r a i nc o m m u n i c a t i o nn e t w o r kb a s e do nE t h e m e t，a n di ti st h ed e v

11、 e l o p m e n td i r e c t i o no ft h et r a i nc o m m u n i c a t i o nn e t w o r k T h ef o r e i g nt e c h n o l o g yo ft r a i nc o m m u n i c a t i o nn e t w o r ki sr e l a t i v e l ym a t u r e，a n dh a sb e e nw i d e l ya p p l i e d H o w e v e r,t h ed o m e s t i cr e s e a r c

12、ha n dd e v e l o p m e n ti nt h i sa r e ai sr e l a t i v e l ys m a l l，t h et e c h n o l o g yi sr e l a t i v e l yb a c k w a r d，t h er e s e a r c ho fE t h e m e tt r a i ni sj u s tb e g i n n i n g T h e r e f o r e，t h er e s e a r c ho ft r a i nc o m m u n i c a t i o nn e t w o r kb

13、 a s e do nE t h e m e ti si m p o r t a n tt oi n d e p e n d e n td e v e l o p m e n to ft h ed o m e s t i ct r a i nc o n t r o lp r o d u c t sa n db r e a k i n gt h eb l o c k a d eo ff o r e i g nt e c h n o l o g y T h em a i np u r p o s eo ft h i sp a p e ri st oe s t a b l i s ham o d e

14、 lo fd o u b l e b u st r a i nc o m m u n i c a t i o nn e t w o r kb a s e do nE t h e m e tr e f e r e n c et oc u r r e n tt r a i nn e t w o r km o d e l，t h e ns i m u l a t ei ti nO P N E Ta n di m p r o v et h em o d e l T h es i m u l a t i o nr e s u l t sc o u l dp l a yar e f e r e n c e

15、r o l ei nt h ec o n s t r u c t i o no ft h ea c t u a ln e t w o r km o d e l T h i sp a p e rf i r s ts t u d i e st h ed e v e l o p m e n to fd o m e s t i ca n di n t e r n a t i o n a lt r a i nc o m m u n i c a t i o nn e t w o r k，a n a l y s e st h ea d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n

16、t a g eo fE t h e m e tp r o t o c o la n dt h et r a i nc o m m u n i c a t i o nn e t w o r kb a s e do nE t h e m e t，a n ds u m m a r i z e ss e v e r a lm e t h o d st oi m p r o v et h er e a l t i m ep e r f o r m a n c eo fE t h e m e t T h i sp a p e rd e s i g n e dad o u b l e-b u st r a

17、i nc o m m u n i c a t i o nn e t w o r km o d e lb a s e do nE t h e m e t T h em o d e li si m p l e m e n t e di nO P N E Ts o f t w a r e，t h e nc r e a t eat r a i nc o m m u n i c a t i o nn e t w o r km o d e l，t h en o d em o d e lo fl o c o m o t i v ea n dc a r r i a g e，p r o c e s sm o d

18、 e li ne v e r yn o d em o d e l B yr u n n i n gt h es i m u l a t i o nw ec a ng e tn e t w o r kp a r a m e t e r s，s u c ha sn e t w o r kd e l a y,t h r o u g h p u t，e t c，a n da n a l y z et h er e a l t i m ep e r f o r m a n c eo fn e t w o r k，v e r i f yt h ef e a s i b i l i t ya n dr e

19、l i a b i l i t yo ft h em o d e l I nv i e wo ft h er e a l t i m er e q u e s to ft r a i nc o m m u n i c a t i o nn e t w o r k，t h ep a p e ri m p r o v et h em o d e li nam e t h o do ft i m e-s h a r e dc h a n n e lb a s e do nt i m es y n c h r o n i z a t i o np r o t o c o l，a n d西南交通大学硕士

20、研究生学位论文第1|l 页v a l i d a t ei tb ys i m u l a t i n gi ns i m u l a t i o ns o i i w a r e T ot h ec o n t r o ld a t ew h i c hh a sah i g h e rr e q u i r e m e n to fr e a l t i m ep e r f o r m a n c e，t h i sp a p e ru s eam e t h o do fa d d i n gh i g h-p r i o r i t yf i e l di nd a t et oe

21、n s u r ep r e f e r e n t i a lt r a n s m i s s i o no fc o n t r o ld a t e，S Oa st om e e tt h er e a l t i m ep e r f o r m a n c ed e m a n do ft r a i nc o m m u n i c a t i o nn e t w o r ka b o u tc o n t r o ld a t e T h e s em e t h o d sa b o v ew e r ea l lc a r r i e do u ta n dc o m p

22、 a r e dw i t ht h er e s u l t sw i t h o u ti m p r o v i n g S i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h et r a i nn e t w o r km o d e lc a nt r a n s l a t ea n dr e c e i v ed a t ei nb o t ho ft h et w ob u s，a n dh a sab e t t e rr e a l t i m ep e r f o r m a n c e，i tc o u l dm e e t

23、t h er e q u i r e m e n to fE t h e m e td e l a y W h e no n eo ft h eb u sh a sf a u l t，t h es y s t e mc a ns w i t c ht oa n o t h e ro n et or e c e i v ed a t e，S Oi tc o u l dm e e tt h er e l i a b i l i t yr e q u i r e m e n t so ft r a i nc o m m u n i c a t i o nn e t w o r k T h i sm

24、e t h o do ft i m e-s h a r e dc h a n n e lb a s e do nt i m es y n c h r o n i z a t i o np r o t o c o li m p r o v e dt h er e a l-t i m ep e r f o r m a n c eo fn e t w o r k T h em e t h o db yp r o m o t i n gt h ep r i o r i t yo fc o n t r o ld a t ec o u l dm e e tt h ed e m a n do fr e a

25、l-t i m ep e r f o r m a n c eo fc o n t r o ld a t e k e yw o r d：t r a i nc o m m u n i c a t i o nn e t w o r k；E t h e r n e t；O P N E T；r e a l t i m ep e r f o r m a n c eo fE t h e r n e t西南交通大学硕士研究生学位论文第1V 页目录第1 章绪论l1 1 课题研究背景和意义11 2 国内外研究现状21 2 1 列车通信网络简介21 2 2 列车通信网络国内外发展现状31 2 3 几种现场总线特点5

26、1 3 本文研究的内容6第2 章以太网及其实时协议技术分析。72 1 以太网简介72 2 以太网的特点：72 2 1C S M A C D 办议72 2 2 以太网帧格式。82 2 3 工业以太网82 3 以太网实时性改进92 3 1 改进以太网实时性方法92 3 2 时间同步协议1 02 3 3 分时利用信道改进以太网实时性1 32 4 本章小结1 4第3 章列车通信网络仿真建模153 1O P N E TM o d e l e r 仿真技术153 1 1 计算机网络仿真1 53 1 2O P N E T 主要特点1 63 1 3O P N E T 通信机制173 2 列车通信网络系统信息1

27、 73 2 1 列车通信网络构造1 73 2 2 列车通信网络数据1 83 3 列车网络仿真建模2 03 4 节点模型2 13 5 进程模型2 43 5 1 创建进程模型2 43 5 2 以太网m a c 进程模块2 63 5 3 车头节点的进程模型3 03 6 仿真配置3 2结 仑：一4 2致谢4 3参考文献4 4攻读学位期间发表的论文4 8西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页1 1 课题研究背景和意义第1 章绪论随着高速列车的发展，列车通信网络中的流通的数据也越来越多，因此对列车通信的要也求越来越高。建立完备的列车通信网络，可以及时的将列车的命令指令发送到各个车厢，车厢内设备的报警、监测

28、信息等也可以快速的反馈到列车的中央控制节点。列车通信网络既要保证重要的信息及时快速可靠的在网络中发送，又要能尽可能的满足乘客的要求，如视频业务等大数据量服务，因此建立现代化的列车网络非常有必要。列车网络控制技术现在已经是高速列车、动车组的必备技术，已经引起越来越多人的重视和兴趣，成为国内外研究的热点。目前国内外的列车网络有几种：基于现场工业总线的列车网络；现场总线与以太网结合的列车网络；完全使用以太网的列车网络。工业现场总线的列车网络已经比较成熟，如A R C N E T、L o n W o r k s、C A N(C o n t r o ll e rA r e aN e t w o r k)

29、总线已经在欧美和日本广泛应用。但是这些总线标准缺乏一个统一的协议和标准，不能兼容，因此通用性差，而且随着列车网络传输数据要求越来越高，视频点播等业务需要的网络带宽更大，传统的现场总线已经不能满足要求。以太网具有传输量大，价格低廉，通用性强，容易扩展等优点，因此组建基于以太网的列车通信网络非常有意义。在这个方向，目前庞巴迪公司和西门子公司已经自发研制了由以太网组建的列车网络，并已经运用到实践中。列车通信网络系统是现代列车的核心部分，能否掌握最前沿的技术很大程度上体现了一个国家在铁路通信方面研发能力。国内在这个方面刚刚起步，研究成果还很少，技术也比较落后，主要是引进国外的成品使用。国外的厂商只提供

30、产品，不转让核心的技术，而且对技术的封锁很严，因此开发自主的列车通信网络，对打破国外技术封锁，提高国内铁路通信技术研究水平非常有意义。而基于以太网的列车通信网络是列车通信网络的发展方向，对它进行研究可以缩短跟国外列车通信技术的差距，对我国高速铁路的建设有重要意义。本文则是对基于以太网的列车通信网络进行建模和仿真，通过仿真参数研究它的可行性、可靠性及网络性能，对实物网络的建立和网络性能的评估有一定的参考性。核心通信技术，已在世界范围内得到重视和广泛的应用。列车通信网络现有的解决方案有P r o f i b u s、L o n W o r k s、B i t b u s、F I P、C A N、T

31、 o r n a d 等。但是由于各个国家发展的列车通信网络标准不一，自成系统，通用性差，或者实时性、可靠性、确定性等不能满足严格的要求，因此没有一个广泛应用的统一标准。1 9 9 9 年6 月，经过长达1 1 年的工作，由国际电工委员会(I E C)制定的列车通信网络(T C N)标准一一I E C 6 1 3 7 5 正式成为国际标准。列车通信网络相当于安装在列车上的局域网系统，负责对整列车各部分信息进行采集和传递，这些信息包括列车的控制、检测、诊断、记录，以及为乘客提供各种服务的信息。列车通信网络的性能直接决定整辆列车的总体性能。T C N 通过列车级通信网络W T B(绞线式列车总线)

32、和车辆通信网络M V B(多功能列车总线)将整列车连成整体。车辆总线将车厢内的各个固定设备连接起来；列车总线将列车的各个车厢连在一起，构成整个T C N，拓扑结构如图1-1。网络运行时，车头的管理节点通过列车总线将列车的控制信息及时传递到各个车厢，车厢则把搜集到设备的状态信息、诊断信息、旅客信息等反馈给管理节点。因此列车通信网络能有效提高信息服务的效率，提高列车运行的可靠性和安全性。图1-1 列车通信网络拓扑结构西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页1 2 2 列车通信网络国内外发展现状国外的列车通信网络于2 0 世纪8 0 年代初就已经产生，现在技术已经比较成熟，在国外高速列车中已得到广泛的

33、应用，如瑞士A D t r a n z 公司(A A B)的M I C A S S 2、M I T R A C、德国西门子公司的S I B A S，A L S T O M 公司的A G A T EL i n k 等产品，都已经在日本的新干线、I C E 和T G V 等高速列车上广泛应用心1。随着对动车组的关注度越来越高，国内对动车列车通信网络技术的研究也在升温。除了铁道部开展了列车通信网络的研究课题，很多高校和研究机构也在自发的进行技术开发和引进。如上海交大和株洲电力机车研究所合作研究了基于H D L C 和A R C N E T 列车总线的列车通信网络；上海铁路大学做了C A N 作为局部

34、连接总线的研究；西南交通大学用R S 4 8 5+协议研究摆式列车倾摆控制总线，并且对铁道部提出的以太网列车的课题进行开发；四方机车车辆研究所、西南交通大学、铁道科学研究院等也在对L o n W o r k s，M V B，W T B等就行开发和研究1。现场总线是列车通信网络的重要技术，目前流行的现场总线有C A N、H A R T、L o n W o r k s、P r o f i b u s、F F 总线以及工业以太网。几种总线性能比较如图2 口1。总线名称物理接口波特率k b p s编码协议组态标准图1-2 几种现场总线的特点和性能当今列车通信网络在国内外的应用情况：(1)W T B M

35、 V B 在欧洲得到大量应用。W T B 是列车总线，M V B 是车辆总线。M V B 既可以跟W T B 一起使用，也可以单独在固定编组列车中使用，这是专门为列车通信网络设定的标准。A d t r a n z 在瑞典完成W T B M V B 的车载网络和M V B 的车在网络分别约3 0 1 套，2 6套，在其他项目上完成W T B M V B 车载网络7 1 7 套，W T B 车载网络5 套，M V B 车载网络3 9 3；自：【6】告0在国内，M V B 己先后用于“先锋”、“澳星、“蓝箭、“熊猫”、“中原之星、“中西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页华之星 等动车组。其中“中华

36、之星”是我国自行研制的动力集中式交流传动机组，具有自主知识产权。“先锋号、“中原之星、“中华之星”动车组中较完备应用了的列车网络控制系统，标志着我国的列车通信控制系统进入了实用化的新阶段。(2)L o n W o r k s 也是一种应用很广泛的技术。美国纽约地铁1 0 8 0 节车厢；美国、加拿大、南非等国重型载物列车数千辆；美国、澳大利亚、德国、罗马尼亚等国家的轨道车辆以及美国A C E L A 高速列车等大量列车都在广泛使用L o n W o r k s 总线，国内的开始研发的列车通信网络很多也用这种总线技术，如L o n W o r k s 在国内己先后用于“新曙光、“神州、“金轮 等

37、动车组，北京高质车、2 5 G 型客车、1 9 K 型客车等1 5 0 0 多辆车口1。(3)株洲电力机车向伊朗出口的动车组，在列车首尾机车引进了A B B 公司的C A S-S 2系统，来实现机车重联。四方机车车辆厂将C A N 总线应用生产的N Y J I 型内燃机车组。铁路应用以太网技术也日趋成熟，结合发展现状，目前工业以太网技术在列车网络的应用体现在以下两个方面。一是工业以太网与现有现场总线相结合，列车网络的丰网仍是现有的现场总线网络，各子系统可以通过传统的现场总线接口(M V B，C A N 等接口)与主网连接，保证列车控制和监测系统的正常功能心1。还有以工业以太网为丰的列车网络。总

38、线技术国际电工委员会(I E C)正着手起草实施以太网(R e a l-t i m eE t h e r-N e tR T E)标准，推动以太网技术在列车控制网络领域中的全面应用。其计划于2 0 0 9 年完成I E C 6 1 3 7 5-3-4，作为铁路应用的“车辆网络一以太网标准；于2 0 1 0 年完成I E C 6 1 3 7 5-2 5，作为“列车网络一以太网 标准心1。在这方面，B O M B A R D I E R(庞巴迪公司)在荷兰和德国的区域性列车上都已经配备了车载以太网系统。这是世界上首例将以太网协议用于列车控制数据管理。相比传统的T C N(列车通信网络)，以太网设备可

39、以大大降低降低成本并提升系统的功能。在该控制系统中，由以太网管理列车车厢内所有车载设备，列车的通信任务由E T B(以太网主链路)完成，T C N 仪仅用于本地连接，该控制系统是第一个将所有车载智能设备集成到一个以太网网络的系统陋1。目前，完全依赖以太网的列车网络也已经进入研究阶段。国内在列车通信网络方面的研究和一些发达国家相比还有一定差距，对引进的M v B w T B 标准、技术的理解消化和二次开发都做的不够，自行研制的产品的可靠性和实用性还有待检验。对基于以太网的列车网络的研究也只是刚刚起步，还远远不够，这不利于制定自己的列车网络标准和研制自己的列车网络产品。因此必须加大开发力度，缩小和

40、先进国家之间的技术差距，研究自主开发的列车网络控制系统。这对打破国外技术垄断，拥有自主知识产权，具有重要意义。西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页1 2 3 几种现场总线特点以太网应用于列车通信网络是目前研究热点和发展趋势，但是通用现场总线经过几十年发展，技术比较成熟，应用很广，并且有自己独特的特点，在列车通信网络中还是具有重要的地位。以下简单介绍几种常见的总线。(1)L o n W o r k sL o n W o r k s 是由美国E C H E L O N 公司开发的一种通用现场总线技术，并逐渐形成了L O N T A L K 协议。它采用面向对象的方法，实现了O S I 参考模型的

41、7 层通讯协议，把网络通信设计简化成参数设置。目前在家庭自动化、交通运输、工业控制、楼宇自动化等行业广泛应用。L o n W o r k s 具有灵活性好、适应性强、性价比高的优点，适合用于轨道车辆。L o n W o r k s 主要用于美国地铁，在日本、美国、加拿大的货载列车以及澳大利亚、罗马尼亚、德国等国家的轨道列车上应用较为广泛，在国内，L o n W o r k s 也有一些应用，且装备了一些列车，如“新曙光、“金轮“神州 等n 1。(2)W b r I d F I PW o r l d F I P 是欧洲现场总线标准E N 5 0 1 7 0 的一部分，它的北美部分和I S P 合

42、并为了F F，但是欧洲部分依然是独立的，已经一种成熟的总线技术，在欧洲市场应用广泛，主要应用在化工、交通运输、能源等领域。W o r l d F I P 的特点是用单一的总线结构适应不同的应用领域的需求，并且不需要使用网关或网桥，通过软件的办法解决接口的衔接问题。(3)C A NC A N 总线是由德国B O S C H 公司开发出来的，最初目的是应用到汽车监控以及控制电子系统的数据通信。总线标准已经被指定成国际标准，得到I n t e l、N E C、M o t o r o l a等公司的支持。C A N 协议分物理层和数据链路层共两层，因此可以广泛使用于不同的应用。C A N 采用短帧结构

43、进行信号传输，因此传输时间短，并且能自动关闭，所以抗干扰能力强。C A N 支持多主工作方式，并采用了仲裁方式访问网络总线，通过优先级的设置来避免冲突，提高实时性，它的实时性能优于M V B 和L o n W o r k s。通讯速率可高达4 0 M b p s，网络节点数实际可达1 l O 个。C A N 总线常常应用在网络底层，在工业领域中应用广泛。在列车的应用上主要是做车厢总线。西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页1 3 本文研究的内容本文充分研究了国内外列车通信网络的发展现状，并分析比较这些实现方案各自的特点。最终采用当前最受关注以太网作为列车通信网络的实现方案，设计了基于以太网的双

44、总线型列车通信网络拓扑结构，并将其在O P N E TM o d e l e r 软件中仿真实现。通过对以太网协议的分析，在O P N E T 软件平台中建立了双总线以太网列车网络模型，车厢节点和车头节点模型，以及总线型以太网M A C 进程模型。本文建立的列车网络模型可以同时在两条总线上传递数据，当一条总线出现故障，可以切换另一条总线继续传递数据。通过搜集仿真结果中的以太网时延，吞吐量，丢包率等网络参数来分析该模型的可行性和网络性能。此外，本文研究了提高以太网实时性的方法，借鉴时间同步协议的思想，以及设置优先级字段的方法对模型改进，并在仿真中验证。文章共分为5 个章节：第1 章绪论部分讲述了

45、课题研究的背景和意义，介绍列车通信网络的概念以及在国内外的发展和应用的现状，和本文研究的丰要内容。第2 章是对以太网协议进行分析，介绍了以太网应用中的优缺点，并提出改进以太网实时性的方法。第3 章是仿真部分，首先介绍了O P N E TM o d e l e r 软件的特点和它的仿真机制。然后介绍了本文要仿真的C R H 2 车型和数据格式，对列车网络模型进行简化和抽象，并设计了双总线列车通信网络的拓扑结构，在O P N E T 中创建了整车的网络模型，车厢和车头的节点模型和进程模型，并对列车网络模型进行改进。最后设置参数并进行仿真。第4 章搜集仿真结果，分析输出的网络参数，验证系统的可行性和

46、网络性能，并比较模型改进前后的网络性能。最后一部分是文章的结论。西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页第2 章以太网及其实时协议技术分析2 1 以太网简介以太网(E t h e r n e t)指的是由X e r o x 公司创建并由X e r o x、I n t e l 和D E C 公司联合开发的基带局域网规范，是当今现有局域网采用的最通用的通信协议标准。以太网用无源电缆作为总线传输数据，并以曾经在历史上表示传播电磁波的以太命名n 们。以太网络使用C S M A C D(载波监听多路访问及冲突检测)介质访问技术。随着对通信速率要求的提高，以太网快速发展且传输速率也不断提高，包括标准的以太网

47、(1 0 M b i t s)、快速以太网(1 0 0 M b i t s)和1 0 G(1 0 G b i t s)以太网，它们都符合I E E E 8 0 2 3。以太网可以使用多种介质进行连接，如粗同轴电缆、细同轴电缆、屏蔽双绞线、非屏蔽双绞线、光纤等都可以用于以太网。以太网常用的拓扑结构有总线型、星形结构，还有环形。2 0 世纪9 0 年代以后，随着以太网的速度越来越快，价格也迅速下降，以太网的用户迅速膨胀到数以亿计，网络的价值越发无可估量。现在以太网已经在局域网市场取得垄断地位，并且几乎成了局域网的代名词。2 2 以太网的特点2 2 1C S M A C D 协议以太网采取一种特殊的

48、介质访问控制协议来协调数据的发送，即载波监听多点接入碰撞检测C S M A C D(C a r r i e rS e n s eM u l t i p l eA c c e s s C o l l i s i o nD e t e c t)。“多点接入 就是说明这是总线型网络，计算机以多点接入的方式连接在一条总线上。“载波接听”是指每一个站在发送数据之前要检测一下总线上是否有其他计算机在发送数据，如果有则暂时不发送，以免发生碰撞。“碰撞检测”是计算机边发送数据边检测信号电压大小。当几个站同时发送数据时，信号电压摆动值会增大，当摆动值超过一个门限，就认为总线上有两个站在发送数据，即产生了碰撞，也

49、就是说产生了冲突。发牛碰撞后需要等待一段时间再发送n 训。西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页一个站在总线上发送数据时的步骤如下：(1)首先要监听通信信道，判断信道上是否有信号在传输。如果有，说明信道处于繁忙状态，不能发送数据，就继续监听，直到信道状态变为空闲。(2)如果没有监听到任何信号，则向信道发送数据。(3)传输的时候需要继续监听信道，如果发现冲突就执行退避算法，在等待随机长的一段时间后，重新执行步骤l(有冲突发生时，涉及冲突的站点会重新返回到信道监听状态)。(4)如果没有发现冲突则成功发送。所有站点在下一次试图发送数据之前，必须距离上一次发送时间9 6 微秒(以l O M b p s

50、 运行)。C S M A C D 采用了二进制指数退避算法：重发时间均匀分布在0 一一T 之间，其中T=2 i 1(2 a)，a 为端到端时延，i 为重发次数。2 2 2 以太网帧格式现在M A C 帧最常用的是以太网V 2 格式帧，它比较简单，由5 个字段组成。前两个字段分别为6 个字节长的目的地址和源地址。第三个字段是2 字节的类型字段，用来标识上一层使用什么协议，以便把收到的M A C 帧的数据交给上一层这个协议。第四段是数据字段，长度为4 6-1 5 0 字节，其中最小字节数是用最小长度6 4 减去头尾的1 8 个字节得到的。最后一个字段是4 字节的C R C。帧格式如下图所示。臣弓!