（通信與信息系統專業(yè)論文）crh2列車通信網絡仿真平臺監(jiān)控系統的研究與實現.pdf

西南交通大學碩士研究生學位論文第1 頁 摘要 隨著我國客運專線和高速鐵路的迅猛發(fā)展 列車通信網絡的自主研發(fā)與設計成為 近年國內的研究熱點 作為列車內部控制指令和信息數據的傳輸通道 列車通信網絡 在列車控制系統中起著極其重要的作用 其工作狀態(tài)直接關系到列車運行的可靠性和 安全性 因此 對列車通信網絡進行監(jiān)控可以及時地了解網絡的工作狀況 發(fā)現網絡 傳輸中的錯誤信息 保障列車安全可靠地行駛 本文以國家科技支撐計劃項目一 高速列車 i i 型車 牽引傳動和列車網絡系統 一網絡系統虛擬仿真 為背景 以項目中所開發(fā)的c r h 2 型列車通信網絡仿真平臺作為 運行環(huán)境 設計并實現了一個基于以太網的c r h 2 列車通信網絡仿真平臺監(jiān)控系統 該系統可以監(jiān)控網絡仿真平臺的報文傳輸 令牌循環(huán)和網絡性能 對列車通信網絡進 行測試 并完成列車內部控制邏輯的運算 本監(jiān)控系統對了解列車通信網絡的工作原 理和研究a r c n e t 協議的模擬傳輸有一定的參考價值 本文首先分析了c r h 2 列車通信網絡仿真平臺的組成結構以及a r c n e t 協議的工作 原理 根據仿真平臺的特點對監(jiān)控系統進行需求分析和總體設計 然后對系統的各功 能模塊進行了詳細設計 說明其實現流程 針對c r h 2 列車通信網絡仿真平臺中可能出 現的多令牌問題 在監(jiān)控系統告警模塊的詳細設計中 對令牌異常進行了研究 從報 文時序 令牌周期和網絡吞吐量3 個參數的變化定位多令牌異常 并采用通知工作站 丟棄令牌的方法解決該問題 最后對監(jiān)控系統進行了測試 測試結果表明本文設計的 監(jiān)控系統可以正確有效地監(jiān)控c r h 2 列車通信網絡仿真平臺的運行狀態(tài) 及時發(fā)現并解 除異常 該系統在大吞吐量的網絡環(huán)境下運行穩(wěn)定 達到了項目要求 關鍵詞 c r h 2 列車通信網絡 網絡仿真 網絡監(jiān)控 a r c n e t 西南交通大學碩士研究生學位論文第1 i 頁 a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p e m e n to fp a s s e n g e rd e d i c a t e dl i n ea n dh i g hs p e e d r a i l w a yi no u r c o u n t r y t h er e s e a r c ha n dd e s i g no ft r a i nc o m m u n i c a t i o nn e t w o r kh a sb e c o m ear e s e a r c h f o c u si nr e c e n ty e a r s a sat r a n m i s s i o np a t ho fc o n t r o lc o m m a n da n di n f o r m a t i o nd a t a t r a i n c o m m u n i c a t i o nn e t w o r kp l a y sa ne x t r e m e l yi m p o r t a n tr o l ei nt r a i nc o n t r o ls y s t e m i t s w o r k i n gp e r f o r m a n c ei sd i r e c t l yr e l a t e dt ot h er e l i a b i l i t ya n ds e c u r i t yo ft r a i nr u n n i n g t h e r e f o r e t r a i nc o m m u n i c a t i o nn e t w o r km o n i t o r i n gc a nh e l pk n o wt h ew o r k i n gs t a t u so f t r a i nc o m m u n i c a t i o nn e t w o r k f i n dt h ee r r o ri n f o r m a t i o ni nn e t w o r kt r a n s m i s s i o na n d g u a r a n t e et h es a f e t ya n dr e l i a b i l i t yo ft r a i n t h eb a c k g r o u n do ft h et h e s i si sn a t i o n a ls c i e n c ea n dt e c h n o l o g ys u p p o r t i n gp r o j e c t h i g hs p e e dt r a i n c r h 2 t r a c t i o nd r i v ea n dt r a i nn e t w o r ks y s t e m n e t w o r ks y s t e m s i m u l a t i o n r u n n i n go nt h ec r h 2e m uc o m m u n i c a t i o nn e t w r o ks i m u l a t i o np l a t f o r m d e v e l o p e di n t h ep r o j e c t at r a i nc o m m u n i t a i o nn e t w o r ks i m u l a t i o np l a t f o 吼m o n i t o r i n g s y s t e mb a s e do ne t h e m e ti sd e s i g n e da n di m p l e m e n t e d t h i sm o n i t o r i n gs y s t e mc a nm o n i t o r p a c k e tt r a n s m i s s i o n t o k e nc y c l ea n dn e t w o r kp e r f o r m a n c e t e s tt h et r a i nc o m m u n i c a t i o n n e t w o r k a n dp e r f o r mt h ec o n t r o ll o g i co ft r a i n i tc a np r o v i d er e f e r e n c ef o rt h er e s e a r c ho f t r a i nc o m m u n i c a i t o nn e t w o r ka n da r c n e tt r a n s m i s s i o n i nt h i st h e s i st h es t r u c t u r eo fc r h 2e m uc o m m u n i c a t i o nn e t w o r ks i m u l a t i o np l a t f o r m a n dw o r k i n gp r i n c i p l eo fa r c n e ti sa n a l y s e d r e q u i r e m e n ta n a l y s i sa n dg e n e r a ld e s i g ni s p r o p o s e da c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h es i m u l a t i o np l a t f o r m a f t e rt h a tt h ed e t a i l e d d e s i g no fe a c hm o d u l ei sp r e s e n t e da n dr e a l i z a t i o np r o c e s si si n t r o d u c e d t h ep o s s i b l y p r o b l e mo fe x t r at o k e ni ss t u d i e da n ds o l v e da c c o r d i n gt ot h ev a r i a t i o no fp a c k e to r d e r c y c l e p e r i o da n dt h r o u g h p u t w h e ne x t r at o k e no c c u r i n g an o t i c ei ss e n tt ot h ew o r k s t a t i o ns oa s t od r o pt h ee x t r at o k e n f i n a l l yt h em o n i t o r i n gs y s t e mi st e s t e d t h et e s tr e s u l ts h o w st h a ti t c a nm o n i t o rt h er u n n i n gs t a t u so fn e t w o r ks i m u l a t i o np l a t f o r mc o r r e c t l ya n de f f e c t i v e l y a n d f i n df a u l ta n dr e c o v e ri ti nt i m e t h em o n i t o r i n gs y s t e mr u n ss t a b l ei nh i g ht h r o u g h p u t n e t w o r ke n v i r e m e n ta n di sf i tt ot h ep r o je c ts t a n d a r d k e yw o r d s c r h 2 t r a i nc o m m u n i c a t i o nn e t w o r k n e t w o r ks i m u l a t i o n n e t w o r k m o n i t o r i n g a r c n e t 西南交通大學碩士研究生學位論文 第1 頁 第1 章緒論 1 1 課題的背景與意義 隨著我國列車運行速度的不斷提升 中國鐵路進入跨越式發(fā)展階段 列車通信網 絡作為支持高速列車和動車組高效運行的重要技術 其自主研發(fā) 控制邏輯 運行監(jiān) 控和故障診斷等方面的研究已成為國內的研究熱點 我國在列車通信網絡方向的研究 起步較晚 技術相對較落后 目前雖然引進了國外的車載設備產品 但是對方并沒有 轉讓核心技術 因此開發(fā)具有自主知識產權的列車網絡控制系統 縮短與發(fā)達國家列 車通信技術的差距 對我國高速鐵路建設具有重大意義 在列車中掛載的設備分散在不同編組的機車車輛中 要使分布于列車中各車輛的 設備協調工作 就必須借助于一個分布式計算機網絡系統 即列車通信網絡來實現心1 列車通信網絡針對列車可靠性要求高 實時性強等特點 對車載設備進行集散式監(jiān)視 控制和管理 即將列車車輛上的可編制設備通過車廂總線和列車總線互連起來 經過 總線進行各設備間的數據傳輸 實現列車運行過程中牽引 制動等控制信息的傳遞 車輛運行信息的反饋等功能 完成車輛的控制 狀態(tài)檢測和診斷功能 實現列車控制 系統的智能化 網絡化和信息化 4 i 理想的列車通信網絡應是可靠傳輸 實時響應并 能做出快速故障恢復的 其網絡狀況直接關系到列車的整體性能和安全性 因此 對 列車通信網絡的網絡性能 運行狀態(tài)進行監(jiān)控可以及時的發(fā)現和糾正網絡傳輸中的錯 誤信息 保障列車安全可靠地行駛 本課題來自國家級科技支撐計劃項目 高速列車 i i 型車 牽引傳送和列車 網絡系統一通信網絡虛擬仿真 該項目通過運用當前先進的軟件仿真技術 根據c r h 2 型車的網絡結構模型在以太網環(huán)境下進行純軟件仿真 模擬列車網絡信息的產生 傳 輸和控制過程 從而全面掌握c r h 2 型車的網絡系統控制邏輯 為我國自主研制高速列 車網絡控制系統提供網絡性能及功能仿真支持 本文所實現的監(jiān)控系統作為整個仿真 平臺的一部分 是在該仿真平臺的基礎上 監(jiān)控列車網絡信息的傳輸情況和整個平臺 的運行狀態(tài) 通過監(jiān)控數據和故障信息來協助仿真平臺的構建及調試 同時 通過協 議分析可以直觀的展示網絡中傳輸的報文情況 從底層研究網絡協議的分層結構 對 了解a r c n e t 協議的模擬傳輸有一定的參考價值 1 2 列車通信網絡發(fā)展現狀分析 世界各國鐵道機車車輛生產企業(yè)在各自發(fā)展過程中使用了不同的列車通信網絡技 西南交通大學碩士研究生學位論文 第2 頁 術隨6 目前廣泛使用的列車通信網絡有t c n 網絡 i e c 6 1 3 7 5 口 93 符合i e e e 標準的 列車通信網絡 i e e e l 4 7 3 包括t c n 網絡和l o n w o r k s 網絡 阻 以及其他工業(yè)網絡 如 應用于t g v 高速列車a r g a t 控制系統的w o r l d f i p 網絡n 應用于日本新干線高速列車 的a r c n e t a u x i1i a r yr e s o u r c ec o m p u t e rn e t w o r k 網絡等n2 3 以上各種標準協議 各有其特點和優(yōu)勢 14 在現代鐵路運行中發(fā)揮重要作用 本文中所監(jiān)控的仿真平臺采用a r c n e t 協議進行通信 a r c n e t 是一種基于令牌傳遞 t o k e np a s s i n g 協議的現場總線 其最初是美國d a t a p o i n t 公司在2 0 世紀7 0 年代末 作為辦公自動化網絡發(fā)展起來的n 1 9 9 9 年成為美國國家標準a n s i a t a 一8 7 8 1 該系 統具有快速性 確定性 可擴展性和支持長距離傳輸等特點 非常適合過程實時控制 近年來被廣泛應用在各種自動化領域 是一種理想的現場總線技術 a r c n e t 的可靠 高速及穩(wěn)定的性能已被許多工業(yè)領域應用 成為工業(yè)自動化的重要組成部分n6 日本 的高速列車所使用的列車通信網絡主要采用a r c n e t 網絡 我國c r h 2 型動車組也使用 了a r c n e t 網絡技術 目前我國列車使用的列車通信和控制網絡并沒有完全的自主知識產權技術 國內 還沒有成熟產品n7 1 8 1 大部分列車通信網絡由國外廠家從產品提供到系統集成完全控 制 這對系統后期的調試和維護存在相當大的影響 在c r h 2 列車通信網絡研究方面 目前國內對列車通信網絡的軟件仿真方向研究較少 研究范圍局限于a r c n e t 網絡的 硬件設計 以及對c r h 2 列車網絡進行基于o p n e t 等仿真工具的仿真研究等方面n9 1 這種利用仿真軟件對a r c n e t 網絡模型的仿真并沒有涉及到網絡通信系統核心技術 因此需要構建列車通信網絡仿真平臺來深入研究列車網絡的傳輸特性 在列車網絡監(jiān)控方面 目前國內對a r c n e t 通信協議和數據傳輸方面的監(jiān)控涉及 較少 隨著工業(yè)以太網技術在列車領域的應用 多媒體信息服務如視頻監(jiān)控 v o d 點 播等服務將陸續(xù)推出 對列車網絡的監(jiān)控將不僅限于設備狀態(tài)和環(huán)路通斷 還需要對 網絡性能方面的監(jiān)控進行完善 因此 構建c r h 2 列車通信網絡純軟件仿真平臺 模擬列車信息的傳輸與監(jiān)控 對研究列車網絡的數據產生與傳輸機制具有重要的理論意義與現實意義 1 3 課題的主要研究內容與論文組織結構 本文從列車通信網絡監(jiān)控系統的功能需求出發(fā) 結合a r c n e t 協議的傳輸原理 采 用以太網環(huán)境下數據包截獲與分析作為技術路線 設計并實現一個c r h 2 型動車通信網 絡監(jiān)控系統 該系統以已開發(fā)的基于以太網的c r i t 2 型車通信網絡仿真平臺作為運行環(huán) 境 可以監(jiān)控仿真平臺的報文傳輸情況和各節(jié)點的運行狀態(tài) 通過監(jiān)控數據和故障信 西南交通大學碩士研究生學位論文第3 頁 息來協助仿真平臺的構建及調試 第一章介紹了本論文課題的來源 背景以及研究意義 以及目前國內外列車通信網 絡的發(fā)展現狀 概述本文的研究內容 第二章首先介紹監(jiān)控系統的運行環(huán)境 列車網絡通信仿真平臺 分析其整體結構 和工作原理 然后根據仿真平臺的特點和要求對監(jiān)控系統作需求分析 按照功能需求 進行模塊劃分 最后對監(jiān)控系統作總體設計 第三章是監(jiān)控系統的詳細設計 分別介紹每個模塊的設計原理和實現流程 第四章對監(jiān)控系統的運行結果進行分析和測試 最后總結了本文完成的工作 并提出了下一步的研究方向 西南交通大學碩士研究生學位論文 第4 頁 第2 章監(jiān)控系統需求分析與總體設計 2 1c r h 2 列車通信網絡虛擬仿真平臺 2 1 1c r h 2 列車通信網絡基本結構 c r h 2 型動車組的列車編組為4 m 4 t m 為動車 t 為拖車 由2 個動力單元組成 每個動力單元由2 個動車和2 個拖車 t m m t 組成 其編組如圖2 1 所示比0 籩函匱 匱墮更匿匿 圖2 1c h r 2 列車編組 c r h 2 動車組共8 節(jié)車廂 其中2 3 6 7 號車廂為動車 安裝有牽引裝置 其他 車廂為拖車 車廂所掛載的裝置分為中央裝置和終端裝置 通過貫穿列車的光纖雙環(huán) 網絡來傳送信息 列車的每節(jié)車廂均裝載有一臺信息控制終端裝置 車廂內的顯示器 讀卡器等車載設備通過終端裝置實現車載設備信息的控制與傳輸功能 兩端頭車 1 8 號車 裝載有由控制傳送部和監(jiān)視器所構成的車輛信息控制中央裝置 擁有管理全列車 整體信息和向司控臺顯示器部發(fā)送數據的功能 c r h 2 動車通信網絡由列車級網絡和車輛級網絡組成 列車級網絡為連接各車輛的 通信網絡 以列車運行控制為目的 采用光纖雙環(huán)網連接各中央裝置和終端裝置 車 輛級網絡為單節(jié)車輛內部各設備的通信網絡 是車輛中的中央裝置 終端裝置與其掛載 的車載設備之間信息交換的通道口1 i 1 列車總線 圖2 2 列車網絡總線結構 列車總線傳送線路包括兩種類型 即光纖雙環(huán)網和自我診斷信息傳輸線f 雙絞屏蔽 線 光纖雙環(huán)網以環(huán)形拓撲結構連接各車廂的中央設備 終端設備 采用a r c n e t 作 為通信協議 以令牌傳遞方式進行數據發(fā)送 令牌傳送周期以1 0 m s 為標準 傳輸速率 為2 5 m b i t s 在光纖環(huán)網中若向一個方向發(fā)送信息后沒有檢測到應答 可以向另一個 方向發(fā)送信息進行環(huán)繞傳送 以此避開故障部位 自我診斷傳輸線以總線拓撲結構連 接全車的中央裝置和終端裝置 采用h d l c 作為通信協議 作為光纖環(huán)網傳輸的冗余 備份 西南交通大學碩士研究生學位論文第5 頁 構成列車總線的設備有中央裝置 終端裝置 顯示器 顯示控制裝置 i c 卡架以 及車內信息顯示器構成 各裝置在列車內的配置情況如下 表2 1 信息控制系統設備配置 車輛編號 t 1 c 1m 2 2m 1 3t 2 4t l k 5 m 2 6m 1 s 7t c 2 8 中央裝置 1 1 終端裝置 1 i c l1 i c l11 木11 i c l1 i c l1 1 術1 顯示器 2 1 2 顯示控制裝置 2 1 2 卡架 22 車內信息顯示器 22222222 術1 有模擬輸入 a i n 卡 2 車輛總線 列車總線 o p t i o n 一 d i r e c t o r i e s 在i n c l u d ef i l e s 中添力口 w p d p a c k i n c l u d e 目錄 為步驟3 中自定義的目錄 在l i b r a r yf i l e s 中添加 w p d p a c k l i b 目錄 5 點擊 p r o j e c t 一 s e t t i n g s 一 l i n k 在o b j e c t 1 i b r a r ym o d u l e s 中添加 w p c a p 1 i b 此外 通過以上配置之后 在編寫報文捕獲程序時需要在程序中加入包含頭文件語 句 i n c l u d e p c a p h 來調用w i n p c a p 函數 3 1 3 報文分析原理 在執(zhí)行報文捕獲的p c a p n e x t e x o 函數后 系統讀取下一個可用報文并將獲得的報 文信息保存在h e a d e r 指針和數據指針p k t d a t a 中n 1 其中h e a d e r 是p c a p p k t h d r 結構體指針 其數據結構定義如下 s t r u c tp c a p p k t h d r s t r u c tt i m e v a lt s 飛t i m e s t a m p 毒 b p t u i n t 3 2c a p l e n 木l e n g t ho fp o r t i o np r e s e n t 木 b p fui n t 3 2l e n 木l e n g t ht h i sp a c k e t o f fw i r e 木 t s 是捕獲時間戳 表示報文到達緩沖區(qū)的時間 時間戳由秒數t vs e c 和微秒數 t vu s e c 組成 t i m e v a l 的數據結構定義如下 s t r u c tt i m e v a l l o n gt v s e c 聿s e c o n d s 卑 l o n g詆旦s e c a n dm i c r o s e c o n d s 鼻 c a p l e n 表示數據包在捕獲時的長度 l e n 表示數據包在發(fā)送端發(fā)出時的長度 在這 里我們使用1 e n 變量 因為它更真實的描述了數據包的實際長度 p k td a t a 是c o n s tuc h a r 類型指針 指向捕獲包的數據部分首地址 根據以太網的幀結構 從p k td a t a 指向的 首位地址作不同的偏移可以得到相應位置的數據 因此 在作報文分析時 可以解析 出該報文的源地址 目的地址和協議類型 從緩沖區(qū)讀取報文成功之后調用g e t s o u r n u m b e r 冪 1g e t d e s t n u m b e r 0 函數來將報 文中的源m a c 地址和目的m a c 地址解析為邏輯地址 同時由于p c a p p k t h d r 結構體 指針中存放了時間戳 長度等信息 因此可以直接解析并顯示 在顯示數據時 由于 數據量過大 報文條目很多 因此需要不斷的對顯示結果進行刷新 而且為了方便用 戶對報文內容的查看 需要保存報文的內容指針 這樣在用戶點擊某行報文時可以即 西南交通大學碩士研究生學位論文 第2 2 頁 刻顯示 在本軟件中設置每顯示1 0 萬條報文信息后進行刷新并釋放內存 仿真平臺的報文類型共1 8 種 表3 1 列出了幀類型和其幀結構中類型字段的對應 關系 表3 1 報文類型與以太幀類型字段對應關系 報文類型以太幀類型字段 報文類型以太幀類型字段 令牌 i t t o x o l 0 0 r e c o n 重構幀 o x 6 1 0 0 應答確認 a c k 0 x 0 3 0 0性能參數請求幀 o x o a 0 0 應答否認 n a k 0 x 0 4 0 0性能參數應答幀 o x o b 0 0 緩沖區(qū)查詢 f b e 0 x 0 2 0 0 測試請求幀 o x l 6 0 0 數據幀 p a c o x 5 y 0 0測試應答幀0 x 1 7 0 0 銷毀令牌報文0 x 2 3 0 0 令牌重構幀 c o n s l t t o x o e 0 0 令牌重構應答幀 m a c 地址請求幀0 x 0 9 0 0o x o f 0 0 c o n s i t t a c k m a c 地址應答幀0 x 1 0 0 0d io x l c o o 對時幀0 x 1 4 0 0d oo x l d 0 0 對數據包的以太幀頭部類型字段按照上表進行比較 可以得到報文類型 下列出了 幾種主要報文結構定義 1 令牌報文 生 旦壘皇壘l 蘭 i里壘 壘i 曼 i 1 a r c n e t it t 幀巨正丑正 圖3 3 仿真平臺令牌 i t t 結構定義 圖3 3 為仿真平臺使用的令牌報文 其以太幀類型字段t y p e o x 0 1 0 0 該報文主 要是仿真a r c n e t 標準令牌報文的功能 為了在實際仿真過程中明確區(qū)分發(fā)送令牌的 工作站和令牌傳遞的下一工作站 修改了a r c n e t 標準令牌幀的第一個d i d 字段為 s i d 字段存儲發(fā)送令牌工作站的邏輯地址 2 f b e 報文 b y t e 66244 里壘皇壘 蘭 里壘 壘i 竺璺里 1111 r t t a r c n e t f b e 幀f l 竺j 竺i 竺 圖3 4 仿真平臺緩沖區(qū)查詢報文 f b e 結構定義 圖3 4 為以太網環(huán)境下的緩沖查詢幀 f b e 的幀格式 其中以太幀類型t y p e 7 0 x 0 2 0 0 該報文主要是仿真了a r c n e t 標準報文的緩沖查詢幀的功能 向目的工作站 西南交通大學碩士研究生學位論文 第2 3 頁 查詢是否有足夠的內存空間 為了在實際仿真過程中明確發(fā)送f b e 包問的來源 修改 了a r c n e t 標準f b e 幀的第一個d i d 字段為s i d 字段以存儲發(fā)送f b e 幀工作站的邏 輯地址 3 a c k 報文 b y t e6 6244 j111 a r c n e t a c k 幀i s da c k s i d 卜d 圖3 5 仿真平臺應答確認報文 a c k 結構定義 圖3 5 為以太網環(huán)境下的a c k 確認報文幀的幀格式 以太幀類型字段t y p e 0 x 0 3 0 0 該報文仿真了a r c n e t 標準報文的確認幀的功能 在a r c n e t 標準的a c k 報文幀結構的基礎上添加了源工作站的地址字段s i d 以及目的工作站的地址字段 d i d 4 n a k 報文 b y t e 6624 4 i i l a r c n e t n a k 幀is d n a k s i dd i d 圖3 6 仿真平臺應答否認報文o n a k 結構定義 圖3 6 為以太網環(huán)境下的n a k 否定報文幀的幀格式 以太幀類型字段為 t y p e o x 0 4 0 0 該報文仿真了標準a r c n e t 否定幀的功能 在a r c n e t 標準的n a k 報文的幀結構的基礎上添加了源工作站的站地址字段s i d 以及目的工作站的站地址字 段 d i d 5 a r c n e t 數據報文 p a c b y t e 662 5 1 64 圖3 7 仿真平臺數據報文 p a c 結構定義 圖3 7 為仿真環(huán)境下的數據幀的定義 類型為t y p e 0 x 5 y 0 0 根據y 的值標識網絡 傳送的各種數據報文 報文仿真的標準的a r c n e t 數據幀格式 各類型的報文的定義 遵循標準的車載設備報文規(guī)范 西南交通大學碩士研究生學位論文第2 4 頁 3 1 4 實現流程 圖3 8 數據包捕獲及分析流程 圖3 8 為數據包捕獲及分析線程流程圖 首先由用戶選擇捕獲所用的網卡 并在 過濾器配置界面中選擇所需要捕獲的報文類型 如果過濾器不進行設置將使用默認值 并捕獲所有報文 在設置完畢可用網卡和過濾規(guī)則后 調用w i n p c a p 函數 p c a p n e x t e x 來捕獲數據包 如果捕獲成功程序將執(zhí)行3 個主要的操作 1 保存數據包 該操作是為了方便以后對歷史記錄進行分析 2 記錄每個節(jié)點的最后發(fā)送數據包的時間l a s t p a c k e t t i m e 和最后發(fā)送令牌 報文的時間l a s t l t t t i m e 這兩個數組是捕獲模塊與節(jié)點狀態(tài)監(jiān)控模塊之間的接口 節(jié) 點狀態(tài)的評估以其作為參考 3 解析報文基本信息 包括報文類型 源地址 目的地址 報文長度 時間 戳等 西南交通大學碩士研究生學位論文第2 5 頁 報文解析 編號 類型 捱地址l 目的地址 時問8 長度洋節(jié) 以太幀內容 黛 2 2 竺鰉堅t t t 800 0 5 1 2 66 00 0 2 3 a e 9 d f 5 0 b 1 3 7 2 8 1 3 c 1 90 1 0 0f c 0 4 0 7 0 8 0 00 0 i 2 3 霉簦確認c c x 8 t00 0 5 4 8 4 8 00 0 1 3 7 2 8 1 3 c 1 90 0 2 3 a e 9 d r 5 8 b0 3 f c 0 6 0 8 0 7 0 00 0 2 4 竺鬯 i t t 8i00 0 5 8 1 5 8 00 0 2 3 e 9 e o o d 0 2 3 t 9 d f 5 8 b0 l f c 0 4 0 8 0 1 0 00 0 2 5 摩查確認c c x 1 800 0 6 1 8 06 0 0 0 2 3 a t 9 d f 5 8 b 2 3 1 9 0 0 0 3 0 0f c 0 1 0 20 0 2 6 全喳f f t t i200 0 6 5 1 5 6 00 0 2 3 e 9 8 c a f0 0 2 3 a e g e k i d o0 1 0 0f e 0 4 0 1 0 2 0 20 0 2 7 堡答確認c c x 2100 0 6 8 6 98 0 0 0 2 3 t e 9 e 0 0 0 0 2 3 t e 鉑c a d f0 3 0 0 f c 暖0 2 0 1 0 20 0 i i i i 髓l 霸l m m 2 9 掣 簟研i 認 c 耵 3 200 0 7 2 8 76 0 0 0 2 3 e 9 8 c 杠0 0 1 8 8 6 1 2 2 5 e 30 3 0 0f c 0 6 0 3 0 2 0 20 0 3 0 全鰉 i t t 3400 0 7 3 6 26 0 0 0 2 3 t e 9 d e c f t 3 0 1 8 8 b 1 2 2 5 e 30 1 0 0f c 0 4 0 3 0 4 0 20 0 3 1 摩簧確認c c x 4 3 00 0 7 7 1 66 00 0 1 鼬b 1 2 2 5 e 3 2 3 e g d c f t0 3 0 0f e 0 6 0 4 0 3 0 50 0 3 2 全睦f f t t 4 700 0 8 0 6 0 6 00 0 1 3 7 2 8 1 3 c 1 90 0 2 3 a g d c f t 0 1 0 0f c 0 4 0 4 0 t 0 50 0 3 3 霉簧確認o c k t 400 0 8 1 3 36 0 0 0 2 3 9 d c f t0 0 1 3 7 2 8 1 3 c 1 口0 3 0 0f c 0 6 0 7 0 4 0 00 0 3 4 全鬯堡 7800 0 8 2 0 76 0 0 0 2 3 e 9 d t 5 8 b0 0 1 3 7 2 8 1 3 e 1 90 1 f c 0 4 0 t 0 8 0 00 0 3 5 霉簽確認o c k 8 700 0 8 5 8 2 6 00 0 1 3 7 2 8 1 3 c 1 90 0 2 3 g d f 5 8 b0 3 0 0 f c 0 8 0 7 0 00 0 3 6 釜慢堅t t 8 l00 0 8 9 0 78 00 0 2 3 go o a o0 0 2 3 a g d f 5 8 b0 l f e 0 4 0 1 0 00 0 3 t 盡奄確認 x c l o i8 00 0 9 2 6 16 0 0 0 2 3 e 9 a f 5 b b0 0 2 3 e g e 0 0 d 00 3 0 0f c 0 6 0 1 0 2 3 b 全鬯f f t t i200 0 9 5 9 5 6 00 0 2 3 a e 9 8 c a f0 0 2 3 a e g e 0 0 d o0 1 0 0 f c 0 4 0 1 0 2 0 20 0 3 9 霉筻確認c c x 2100 0 9 9 5 06 0 0 0 2 3 e 9 e 叩 0 d 2 3 e 9 8 c a d f0 3 0 0 f c 0 6 咝0 1 0 20 0 4 0 塑f f t t 2 300 1 0 2 8 36 00 0 1 8 乩1 2 2 5 t 3 0 d 2 3 a e 锝c 0 1 0 0f c 0 4 0 2 0 3 0 20 0 4 1 癬簧確認 c k 3200 1 0 3 6 76 0 0 0 2 3 9 8 c 柱0 0 1 8 8 b 1 2 2 5 e 30 3 0 0f c 0 6 0 3 0 2 0 20 0 4 2 全睦c i t t 3400 1 0 4 5 2 6 00 0 2 3 a e 9 d e c 訂0 0 i 的b 1 2 2 5 e 3 0 1 0 0f c 0 4 0 3 0 4 0 20 0 4 3 應答確認 c x 4 300 1 0 8 0 66 0 0 0 1 8 8 b 1 2 2 5 30 0 2 3 i 胡d e c f t0 3 0 0f c 0 6 0 4 0 3 0 50 0v j 二 i 纛一一囊i i i i i i 翟i l i 纂 3 2 報文過濾模塊 3 2 1 過濾表達式生成 圖3 9 報文基本信息數據 過濾模塊的實現方式為采用m f c 編程創(chuàng)建過濾配置界面 過濾配置界面提供節(jié)點 傳輸方向和類型的選項 用戶進行選擇后系統產牛相應的過濾表達式 并將過濾表達 式應用的捕獲線程中 實現過濾功能 數據包過濾器決定一個進來的數據包是否要被接受和拷貝給監(jiān)控程序 由于仿真平 臺的吞吐量很大 因此一個多功能和高效率的數據包過濾器起著關鍵性的作用 數據 包過濾器是一個應用在數據包上 最終返回布爾值的函數 如果函數返回t r u e 的話 捕獲驅動會把數據包拷貝給應用程序 否則就直接丟棄數據包 應用程序需要一個用 戶定義的過濾并使用w p c a p d ll 將它們編譯成一個b p f 程序h2 然后 應用程序在內 核里注入過濾器 從這點上看 每進入一個數據包 程序就執(zhí)行一次 且只有符合條 件的數據包被接收 在t c p d u m p 中 過濾表達式作為篩選條件對接收的報文進行存儲 如果沒有設 置表達式 就存儲網絡上的全部報文 否則只存儲過濾表達式的值為t r u e 的報文 過 濾表達式由一個或多個原語 p r i m i t i v e 組成 原語通常由標識 i d 名稱或數字 和 標識前的一個或多個限定語 q u a li f i e r 組成n3 限定語有三種類型 1 t y p e 類型限定語 指出標識名稱或標識數字代表的類型 可用的類型有 h o s t n e t 和p o r t 2 d i r 方向限定語 指出相對于標識的傳輸方向 數據是傳入還是傳出標識 可用的方向有s r c d s t s r co rd s t 和s r ca n dd s t 3 p r o t o e x p r s i z e 服務限定語 p r o t o 是e t h e r f d d i i p a r p r a r p t c p u d p 或者i c m p 之一 同時也指出了下標操作的協議層 e x p r 給出字節(jié)單位的偏 西南交通大學碩士研究生學位論文第2 6 頁 移量 該偏移量相對于指定的協議層 圖3 1 0 過濾配置界面 在本系統中 過濾配置包括地址 方向和類型3 個選項 過濾表達式即由這3 個選 項的選擇結果來生成 1 地址過濾 監(jiān)控系統后臺維護每個節(jié)點的邏輯地址與其m a c 地址的對應關系 用戶在選擇地址 之后 會按照地址映射關系獲得該節(jié)點的m a c 地址 2 方向過濾 t c p d u m p 中以s r c d s t h o s t 分別用來表示發(fā)出的 接收的 以及收發(fā)的含義 結合地址選擇 節(jié)點和方向的過濾表達式以 e t h e rs r c0 0 o a e 4 3 3 c 5 4 8 格式產 生 表示從m a c 地址為0 0 o a e 4 3 3 c 5 4 8 節(jié)點發(fā)出的以太幀 針對用戶在界面上的 不用選擇 用相應的過濾原語進行替換 4 協議過濾 由于以太幀類型字段相對于其首部地址的偏移量為1 2 參考定義的仿真平臺幀格 式 類型過濾表達式以 e t h e r 1 2 o a 格式產生 表示第1 3 個字節(jié)為0 a 的以太幀 兩個地址過濾表達式和協議過濾表達式以 a n d 連接得到最終表達式 在多選情 況下 更復雜的過濾條件可以通過 a n d o r 或 n o t 來組建 西南交通大學碩士研究生學位論文第2 7 頁 3 2 2 實現流程 進入過濾設置 界面 選擇節(jié)點 生成過 濾字符串s t r l t 選擇方向 生成過 濾字符串s t r 2 t 選擇類型 生成過 濾字符串s t r 3 過濾表達式 f i l t e r t e x t s t r l s t r 2 s t r 3 t 編譯過濾器 設置過濾器 圖3 1l 報文過濾模塊實現流程 w i n p c a p 向開發(fā)者提供了數據包過濾引擎 使用p c a p c o m p i l e0 和 p c a ps e t f i i t e r0 函數來實現 過濾過程采用w i n p c a p 提供的內核級過濾機制n p f n e t g r o u pp a c k e tf iit e r 首先由用戶通過界面選擇特定的過濾條件 如某節(jié)點發(fā)送或接受的某種報文 系統根 據用戶的選擇生成相應的過濾表達式 e x p r e s s i o n 過濾表達式由p c a pc o m p i l e 函 數編譯成內核級的字節(jié)碼 該字節(jié)碼可被過濾引擎所解釋 然后p c a ps e t f i i t e r 0 將 過濾器與捕獲會話相關聯 并應用到已經打開并在使用的網卡上 過濾時 n p f 會檢查 從網絡到達的所有數據包的相應字段的值 把符合過濾條件的數據包轉存到緩沖區(qū) 3 3 網絡性能監(jiān)控模塊 3 3 1 網絡性能監(jiān)控實現原理 監(jiān)控節(jié)點的性能表現 參數為 平均時延 最大時延 最小時延 傳輸成功率 丟 包率 差錯率 發(fā)包數 收包數 發(fā)送字節(jié)數 接收字節(jié)數 對節(jié)點性能參數作累加 和平均計算可以得到全網的性能參數 對網絡性能的統計可以采用以下兩種方式 西南交通大學碩士研究生學位論文第2 8 頁 1 監(jiān)控端通過對各節(jié)點所收發(fā)的數據進行統計分析 進而獲得各節(jié)點的性能參 數 以傳輸時延的統計為例 當監(jiān)控端接收到節(jié)點a 發(fā)送給節(jié)點b 的數據幀 p a c 時 記錄系統時間t 1 當收到節(jié)點b 返回的a c k 幀時記錄系統時間t 2 t 2 與t 1 的時間差值 即為當前數據傳輸的往返時延 此方式可以監(jiān)測到各節(jié)點的收 發(fā)數據包數與字節(jié)數 以及其時延大小 所有參數的統計町以由監(jiān)控系統獨立完成 缺點無法監(jiān)測到各節(jié)點 的丟包率 差錯率和傳輸成功率 2 各節(jié)點分別統計自己的性能參數 將性能數據按照以太幀格式封裝后發(fā)送給 監(jiān)控系統 監(jiān)控系統直接解析性能數據 該方式雖然需要各節(jié)點協同監(jiān)控端來完成 但是可以分散統計和計算數據的壓力 降低了代碼的復雜度 對性能參數的監(jiān)測也更 加全面 因此 網絡性能監(jiān)控模塊的實現方法為 當監(jiān)控系統需要某個節(jié)點的性能數據時 向 目的節(jié)點發(fā)送性能參數請求報文 節(jié)點收到該報文后應立刻返回性能參數應答報文 監(jiān)控系統通過解析報文內容獲取數據 各節(jié)點的主要性能參數統計按照如下方式 1 丟包率統計計算 丟包率用來衡量仿真系統在傳輸應用數據報文的過程中所 丟失的數據包數 設置長整型全局變量發(fā)送包數p a c k e t s e n t n u m 和丟失的包數 p a c k e t d r o p n u m 源工作站發(fā)送端每發(fā)送一個數據報文p a c k e t s e n t n u m 自動加1 接收 端接收響應f b e 報文的n a k 報文時 認為目的工作站沒有足夠的內存空間接收存儲 當前數據包 此時源工作站做丟包處理 p a c k e t d r o p n u m 自動加1 丟包率即為 p a c k e t d r o p n u m p a c k e t s e n t n u m 2 誤碼率統計計算 誤碼率通過統計錯誤發(fā)送的應用數據報文來反應當前網絡 環(huán)境的干擾 設置長整型全局變量p a c k e t e r r n u m b 表示網絡傳輸過程中的錯誤傳輸的 數據報文數 當源工作站接收到目的工作站針對數據報文響應來的n a k 報文時 認為 數據傳輸錯誤 p a c k e t e r r n u m 自動加1 誤碼率即為p a c k e t e r r n u m p a c k e t s e n t n u m 3 時延的統計計算 此處統計的時延為端到端時延 即從發(fā)從完畢p a c 數據報 文開始 到接收到目的節(jié)點返回的a c k 應答為止的時間 對節(jié)點性能參數進行累加和平均可以獲得全網的綜合性能參數 其計算方法如下 表3 2 全網綜合性能參數計算方法 綜合性能參數計算方法 全網發(fā)送的總包數 全網發(fā)送的總字節(jié)數 全網接收的總包數 全網接收的總字節(jié)數 全網平均包時延 站點的發(fā)送的包數 站點的發(fā)送的字節(jié)數 站點的接收的包數 站點的接收的字節(jié)數 站點包的平均時延 站數 西南交通大學碩士研究生學位論文第2 9 頁 最大時延m a x 站點包最大時延 最小時延m i n 站點包最小時延1 全網成功發(fā)送概率 站點的發(fā)送包數 站點成功發(fā)送的概率 站點數 全網丟包概率1 2 站點的發(fā)送包數 站點的包丟失概率 站點數 全網差錯率 站點的發(fā)送包數 站點的差錯率 站點數 吞吐量全網每秒產生的包數 p p s 及比特數 m b p s 3 3 2 性能監(jiān)控報文定義 1 性能參數請求報文 b y t e 662 24 亞 圖3 1 2 性能參數請求報文結構定義 圖3 1 2 為性能參數請求報文 以太幀類型字段為o x o b 0 0 性能參數請求報文的發(fā) 送頻率為每秒發(fā)送一次 在m f c 定時器o n t i m e r e 執(zhí)行發(fā)送函數 根據邏輯地址與 m a c 地址映射關系獲得目的節(jié)點的m a c 地址 性能參數請求幀向環(huán)網上的所有節(jié)點 發(fā)送 2 性能參數應答報文 圖3 1 3 性能參數應答報文結構定義 圖3 1 3 為性能參數應答報文的幀格式 以太網類型t y p e o x o c 0 0 報文用來響應 性能參數請求報文向發(fā)送請求報文的監(jiān)視部報告本站的各種性能參數數據 報文的定 義遵循a r c n e t 標準報文格式 西南交通大學碩士研究生學位論文第3 0 頁 3 3 3 實