基于NetFPGA的以太網列車骨干網列車拓撲發(fā)現協議研究與仿真

1、基于NetFPGA的以太網列車骨干網列車拓撲發(fā)現協議研究與仿真 密級:公開國內圖書分類號:國際圖書分類號:.西南交通大學研究生學位論文年 級三委二委級名姓 夏造延申請學位級別王堂亟業(yè)專槿式遲墨墨蟹篚丕統(tǒng)指導老師 瑩左態(tài)量塾握二零一三年五月十日 :.:. :.,西南交通大學學位論文版權使用授權書本學位論文作者完全了解學校有關保留、使用學位論文的規(guī)定,同意學校保留并向國家有關部門或機構送交論文的復印件和電子版,允許論文被查閱和借閱。本人授權西南交通大學可以將本論文的全部或部分內容編入有關數據庫進行檢索,可以采用影印、縮印或掃描等復印手段保存和匯編本學位論文。本學位論文屬于.保密口,在 年解密后適用

2、本授權書;.不保密。/磕用本授權書。請在以上方框內打“、”學位論文作者簽名: 指導老師簽名:鬲甓乜日期:.日期:.即西南交通大學碩士學位論文主要工作貢獻聲明本人在學位論文中所做的主要工作或貢獻如下:本課題來源于國家科技支撐計劃“中國高速列車關鍵技術研究及裝備研制”基金號:中的分支?“基于工業(yè)以太網的列車通信網絡及仿真平臺研制”。論文中使用斯坦福大學研制的網絡開發(fā)平臺,運用其中的高速模塊化路由器作為參考設計,并在其之上進行二次開發(fā),添加雙線負載功能以提高了冗余線路的使用效率,實現了滿足以太網列車骨干網通信需求的半實物仿真硬件系統(tǒng)。在對國際電工委員會年所制定的.:電子鐵路設備一列車通信網絡一.分冊

3、:以太網列車骨干網中的核心內容?列車拓撲發(fā)現協議進行分析梳理后,在平臺上通過操作系統(tǒng)下語言編程完成以太網列車骨干網節(jié)點模型的搭建,包括應用程序的設計與網絡協議棧的實現,在半實物仿真系統(tǒng)中完成了以太網列車骨干網相鄰節(jié)點和內部節(jié)點的探測,建立了連通性列表和列車網絡目錄分別標識列車通信網絡中的物理拓撲和邏輯拓撲,并增添報文定時,冗余循環(huán)校驗等模塊以保證基于以太網的列車網絡通信的實時性與可靠性。本人鄭重聲明:所呈交的學位論文,是在導師指導下獨立進行研究工作所得的成果。除文中已經注明引用的內容外,本論文不包含任何其他個人或集體已經發(fā)表或撰寫過的研究成果。對本文的研究做出貢獻的個人和集體,均已在文中作了明

4、確說明。本人完全了解違反上述聲明所引起的一切法律責任將由本人承擔。學位論文作者簽名:嫩期:.、.第頁西南交通大學碩士研究生學位論文摘 要由于列車運行速度的大幅提高,列車通信網絡結構的逐漸復雜化,新型大容量業(yè)務的不斷增加,現有列車網絡應用的現場總線已趨于無法滿足列車通信網絡對于帶寬,實時性、可靠性等重要性能的需求。而隨著工業(yè)以太網技術的飛速發(fā)展和在工業(yè)控制領域的廣泛應用,基于工業(yè)以太網的列車通信網絡因其組網拓撲結構靈活,傳輸速度高等優(yōu)點,己成為國際電工委員會和許多發(fā)達國家對于列車通信網絡的新的發(fā)展方向。論文研究內容來自于國家科技支撐計劃“中國高速列車關鍵技術研究及裝備研制”中的分支課題?“基于工

5、業(yè)以太網的列車通信網絡及仿真平臺研制”。本文通過對.:電子鐵路設備一列車通信網絡一.分冊:以太網列車骨干網核心內容?列車拓撲發(fā)現協議的語義、語法和時序進行分析與梳理,給出了利用冗余線路分擔數據傳輸,實現雙線負載均衡以提高鏈路利用率,擴大傳輸帶寬的優(yōu)化方案。本文采用斯坦福大學所研發(fā)的作為以太網列車網絡仿真驗證的網絡開發(fā)環(huán)境,并采用該平臺所包含的“模塊化高速路由器”項目作為半實物仿真系統(tǒng)的參考設計。根據參考設計的硬件結構,數據通道與相關應用程序進行了二次開發(fā),實現了收發(fā)數據的接口復用,即雙線路負載均衡功能,并且給出了關鍵代碼與測試用例,為列車拓撲發(fā)現協議網絡協議棧與各應用模塊提供了硬件平臺。本文根

6、據.標準的相關標準,設計了以太網列車通信網絡在初運行過程中實行的對相鄰節(jié)點和內部節(jié)點的探測算法。并且在硬件環(huán)境之上設計了以太網列車骨干網半實物仿真節(jié)點模型,包含了線路幀收發(fā)單元、鏈路收發(fā)控制單元、協議運維單元、報文定時單元,循環(huán)冗余檢查單元等功能模塊。其中循環(huán)冗余檢查單元與協議內部校驗機制共同滿足了數據傳輸的可靠性,報文定時單元與鏈路收發(fā)單元則用于滿足列車網絡對實時性的需求。設計實現后,將多個節(jié)點模型在物理層鏈接,實現了列車網絡系統(tǒng)的半實物仿真平臺,并在其之上實現了節(jié)點探測算法,通過對數據結構?連通性列表與列車網絡目錄的維護,建立了以太網列車骨干網的拓撲管理結構。論文最后給出了半實物仿真平臺的

7、測試用例,給出了滿足.標準規(guī)定的測試結果,驗證了系統(tǒng)功能以及設計算法的正確性。本設計為以太網列車網絡仿真模型提供了框架,為我國該領域的自主研究與創(chuàng)新進行了一定的探索。關鍵詞:列車拓撲發(fā)現:;半實物仿真;節(jié)點模型第頁西南交通大學碩士研究生學位論文 ,?,. , , . ”?” ”. . .:?抓.:? 一 ,” ”, . . ,?.? , , . ,. ., ?. , , , 西南交通大學碩士研究生學位論文 第頁 ., , ., . , ., ? . .,. :;:?西南交通大學碩士研究生學位論文 第頁目 錄第章緒論?.課題研究的主要目標、內容與方法一.課題需解決的關鍵問題?一.論文的組織安排第

8、章列車拓撲發(fā)現協議的分析與優(yōu)化?.列車拓撲發(fā)現協議的目標及設想?.列車拓撲發(fā)現協議的語義?.列車拓撲發(fā)現協議所定義的常規(guī)行為?.以太網列車骨干網節(jié)點初運行狀態(tài)轉換?一.以太網列車骨干網節(jié)點探測一.列車拓撲發(fā)現協議的語法?.列車拓撲發(fā)現協議報文定義.列車拓撲發(fā)現協議報文傳輸與地址.列車拓撲發(fā)現協議報文定義?.列車拓撲發(fā)現協議報文定義.列車拓撲發(fā)現協議報文定義?.列車拓撲發(fā)現協議拓撲結構定義?.列車拓撲發(fā)現協議的時序.列車拓撲發(fā)現協議幀時序?.列車拓撲發(fā)現協議運行時序.列車拓撲發(fā)現協議的優(yōu)化:雙線負載均衡?一.本章小結?一第章模塊化路由器參考設計實現與開發(fā)?.開發(fā)平臺概述?一.開發(fā)環(huán)境搭建?.模塊

9、化路由器參考設計.模塊化路由器硬件設計結構.模塊化路由器參考管道?. 模塊化路由器應用程序?西南交通大學碩士研究生學位論文 第頁.模塊化路由器雙線負載均衡?.本章小結?一第章列車拓撲發(fā)現協議半實物仿真系統(tǒng)設計.協議半實物仿真驗證原理?.線路幀接收單元設計.循環(huán)冗余檢查單元設計.報文定時單元設計?.板卡驅動架構.底層管理單元設計?.鏈路收發(fā)控制單元設計.運維單元設計. .本章小結?.第章列車拓撲發(fā)現協議半實物仿真系統(tǒng)功能測試?.半實物仿真系統(tǒng)雙線負載均衡功能測試.半實物仿真系統(tǒng)拓撲結構建立功能測試一.本章小結?一結 論.致謝.參考文獻攻讀碩士學位期間發(fā)表的學術論文西南交通大學碩士研究生學位論文

10、第頁第章緒論.課題的研究背景及意義本課題來源于國家科技支撐計劃“中國高速列車關鍵技術研究及裝備研制”基金號:中的分支?“基于工業(yè)以太網的列車通信網絡及仿真平臺研制”。近年來隨著現場總線技術的成熟和發(fā)展,列車網絡系統(tǒng)已成為城市軌道交通車輛和鐵道車輛的關鍵系統(tǒng)。隨著最終用戶對列車網絡系統(tǒng)性能要求的提高,如旅客信息傳輸、在線視頻監(jiān)控和遠程數據服務等功能【 。需要列車網絡系統(tǒng)具有較高的實時性和較好的可維護性,并能將列車實時數據傳送到遠程控制中心進行監(jiān)控和維護,現有列車網絡應用的現場總線無法滿足上述要求,而工業(yè)以太網技術克服了現有列車網絡總線傳輸速度低、組網拓撲結構單一等缺點【,是未來列車通信網絡發(fā)展的

11、大勢所趨。列車拓撲發(fā)現協議 ,是列車通信網絡協議正.:電子鐵路設備一列車通信網絡一.分冊:以太網列車骨干網的核心內容,設定它的目的在于通過建立連通性列表和列車網絡目錄,來獲取以太網列車骨干網 的物理拓撲和邏輯拓撲,從而使得健壯的列車口網絡結構被持續(xù)計算,并同步在所有的骨干網節(jié)點中【。它為穩(wěn)定的以太網骨干網絡提供支持,因此對于拓撲發(fā)間協議的研究和仿真就顯得尤為重要。的模塊化設計理念以及強大的硬件支持,允許網絡研究者在其平臺上設計實現千兆級別的高性能網絡系統(tǒng)【。不但滿足了工業(yè)以太網的網絡帶寬,同時還允許將龐大復雜的網絡處理器設計化整為零,自行設計或者調用已存在的硬件模塊來自行組合,可以讓開發(fā)者方便

12、的實現高性能路由器的加速效果,雙線路接入負載均衡等功能,完全符合將其作列車以太網通信系統(tǒng)仿真平臺的需求。因此,建立工業(yè)以太網列車通信系統(tǒng)半實物仿真平臺可為我國的列車網絡通信系統(tǒng)的工業(yè)以太網關鍵技術研究、基于工業(yè)以太網的列車網絡通信系統(tǒng)中網絡接口技術和通信機制的研究提供重要的參考依據。對于我國自主掌握高速列車網絡的控制系統(tǒng),適應高速鐵路未來發(fā)展要求和控制生產運用成本具有顯著的意義。.以太網列車通信網絡國內外研究現狀對于以工業(yè)以太網為主的列車骨干網絡,總線技術國際電工委員會已完成了相關協議的標準,用以推動工業(yè)以太網技術在列車通信網絡領域中的全面應用【】,目前已于年完成了.:電子鐵路設備一列車通信網

13、絡一.分冊:以太網列車組成網,作為以太網列車通信網絡第頁西南交通大學碩士研究生學位論文的車輛網絡標準;于年完成了.:電子鐵路設備一列車通信網絡分冊:以太網列車骨干網,作為以太網列車通信網絡列車網絡的標準【。目前國外的項目中,新開發(fā)的以太網通路和原有的列車通信網絡系統(tǒng)仍同時存在。如川在德國和荷蘭的區(qū)域性列車上配備了車載以太網系統(tǒng)中以太網網絡可確定列車的組成如列車由何種車廂組成,車廂的結合次序如何及它們以何種方向運行可打開正確的車門組等,而仍保持用于列車范圍的通信功能。來自于瑞士的開發(fā)的一套基于以太網的列車控制和檢測系統(tǒng)中,將僅用于本地連接功能,而列車范圍內的通信任務將由以太網列車主干網完成一。國

14、內也有學校和公司合作研制出類似的列車通信系統(tǒng)方案,如北京交通大學采用底層通信網絡采用總線的通信方式,連接車廂內主要的電氣控制設備。上層網絡是通過工業(yè)以太網來連接遠程的監(jiān)控主機,/網關連接現場控制網絡和以太網監(jiān)控網絡,完成總線與工業(yè)以太網的協議轉換;以太網則將通信數據傳輸給監(jiān)控中心進行實時監(jiān)控 。西南交通大學則采用總線作為列車的主控網絡,用以太網控制器和單片機調節(jié)列車的主要控制單元的運作,工業(yè)以太網主要進行一些輔助控制功能,并在模擬的車輛實驗設備中進行了初步驗證【。但總體來說,我國的以太網列車通信網絡尚停留在實驗室仿真階段,還沒得到具體的實際應用。結合目前國內外列車網絡應用的技術和現狀,工業(yè)以太

15、網技術在列車網絡的應用主要體現在兩個方面,即工業(yè)以太網與現有現場總線相結合以及以工業(yè)以太網為主的列車總線技術 ,但根據以太網的特點以及列車通信網絡的需求而在未來的兩三年內,以太網將完全取代其他總線技術。.課題的主要研究工作.課題研究的主要目標、內容與方法該課題是以.:電子鐵路設備一列車通信網絡.分冊:以太網列車骨干網為標準,著重研究其中的列車拓撲發(fā)現協議,建立連通性列表和列車網絡目錄,將其寫入路由器。搭建符合該協議的網絡通信純軟件及半實物仿真平臺,對協議進行仿真與驗證。對工業(yè)以太網在列車網絡中應用的實時性、可靠性進行仿真和驗證,并研究改善網絡實時性性能的方法,研究網絡通信的可靠性技術,使其滿足

16、高速列車網絡通信系統(tǒng)的需要。主要包括下面幾方面的內容:.研究和優(yōu)化基于工業(yè)以太網的列車通信網絡的通信協議對于列車拓撲發(fā)現協議進行分析,提煉出以太網列車骨干網的節(jié)點設置以及節(jié)點西南交通大學碩士研究生學位論文 第頁初運行的狀態(tài)流程,并且總結歸納出列車拓撲發(fā)現協議的三要素:語義,傳輸列車信息的內容,需要作出的動作及響應;語法:列車數據與控制信息的格式,數據編碼以及數據結構;時序:列車事件的先后順序和速度匹配。確保純軟件仿真及半實物平臺的仿真擁有充分理論依據。.實現和改進模塊化高速路由器的參考設計協議的半實物仿真在斯坦福路模塊化高速路由器的參考設計框架下進行開發(fā),這一統(tǒng)一的基本框架也是本文模擬以太網列

17、車骨干網的設計基礎。因此首先要在代碼進行修改加開發(fā)平臺上將其實現,并且通過對參考設計中入雙線路負載均衡的功能模塊,提供拓撲發(fā)現協議的移植環(huán)境。.研制.中列車通信網絡的半實物仿真平臺在硬件平臺上研制面向高速列車的列車網絡控制系統(tǒng)檢測和調試的環(huán)境,搭建以太網列車列車骨干網通信系統(tǒng)的框架。設計適用于列車拓撲發(fā)現協議網絡協議棧的網絡節(jié)點模型,包含線路幀收發(fā)、報文定時、冗余檢驗、狀態(tài)管理等各個系統(tǒng)模塊的建立。.設計以太網列車骨干網的拓撲發(fā)現算法并在半實物仿真平臺之上實現實現以太網列車骨干網節(jié)點間的偶合機制,建立物理拓撲和邏輯拓撲的連通性列表和列車網絡目錄,通過兩種拓撲得出以太網列車骨干網節(jié)點和子網等標示

18、符,將這些標示符將用于建立列車映圖,列車路由定義,網絡地址轉換名。值,終端設備.課題需解決的關鍵問題.基于以太網的列車通信網絡半實物仿真與聯合調試的試平臺體系結構如何設計研制基于的網絡系統(tǒng)接口卡與交換機設備,將工業(yè)以太網的協議的進行設計,使用 通過二次開發(fā)搭建工業(yè)以太網實驗平臺。以協議模型為參考,根據高性能路由器相關原理和算法,在硬件平臺和系統(tǒng)環(huán)境語言和語言編程實現拓撲結構探測,信息幀的發(fā)送接收、幀發(fā)中通過送確認和網絡重構等功能。.太網列車骨干網中相鄰節(jié)點和內部節(jié)點如何探測通過分析.:電子鐵路設備一列車通信網絡一.分冊:以太網列車骨干網對拓撲發(fā)現協議的描述,要構建出 和數據報文,并按特定的時序

19、與機制實現以上兩種報文的收發(fā)和維護,在此過程中得出節(jié)點相鄰的節(jié)點信息以及該節(jié)點在列車網絡中的位置。.列車骨干網絡拓撲管理如何建模第頁西南交通大學碩士研究生學位論文順序和建立物理拓撲的以太網列車骨干網節(jié)點導向列表。物理拓撲總是隨著鏈接的數目的改變而更新。所有的都需要被探測主節(jié)點或備份節(jié)點。建立邏輯拓撲的列車子網順序和導向列表。邏輯拓撲包含了“子網”和“ ”,它們將被記錄,以使得一些丟失的或組合網的標示符被所保留。將其用于不同的之間的子網數據交換。.論文的組織安排第章.緒論。介紹課題一“基于的以太網列車骨干網列車拓撲發(fā)現協議研究與仿真”的選題背景及意義及其國內外研究現狀,并闡述了課題的研究目標、內

20、容、方法及需解決的關鍵問題。第章.列車拓撲發(fā)現協議的分析與優(yōu)化。給出以太網列車骨干網拓撲發(fā)現協議的語義、語法和同步機制,并分析仿真系統(tǒng)各個模塊的功能需求,同時增加數據鏈路層的雙線負載均衡功能,擴充了接口的帶寬。第章.模塊化路由器參考設計實現與開發(fā)。實現斯坦福模塊化高速路由器的參考設計,并描述實現過程與原理,并在其之上進行二次開發(fā),實現雙線負載均衡功能,為協議移植提供硬件平臺。第章.列車拓撲發(fā)現協議半實物仿真系統(tǒng)設計。設計列車網絡中節(jié)點探測算法,通過系統(tǒng)下的語言編程,實現列車拓撲發(fā)現協議在硬件平臺上的運行,建立以太網列車骨干網絡的物理拓撲和邏輯拓撲。第章.列車拓撲發(fā)現協議半實物仿真系統(tǒng)功能測試。

21、對前四章所設計的半實物仿真平臺上對雙線負載均衡以及拓撲建立功能進行驗證。給出了測試用例以及檢測結果。西南交通大學碩士研究生學位論文 第頁它將被記錄在在一個新邏輯拓撲中而不意味著一個新的初運行。列車應用程序將決定是否需要一個新的初運行一個新的口映圖。關于拓撲自身最重要的設想是:骨干網節(jié)點在線型拓撲中接受處理。因此,該協議旨在發(fā)現一個順序定向的列表【。它并不能正常的在環(huán)型或樹型拓撲中運行,因此會做一些路由協議。由于采用線型拓撲,每一個節(jié)點擁有,或者個相鄰節(jié)點。因此,他們將有“方向”的概念,并且他們必須能夠獨立的鏈路聚合到每一邊的每個端口上來發(fā)送和接收明確的幀。如圖.所示,兩個之間的每一條線路都用一

22、個字母來標識。因為最多有四條線被聚合,故采用字母“”到“來進行標識,由于“”和“”是可選的,以下只顯示出“”和“”線路。線路 左 右 線路以太網列車骨干網節(jié)點方 方線路 向 向線路接接 固口 口列車交換機圖.以太網列車骨干網節(jié)點定位能力設定連接到方向的交換機以太網端口被命名為“左方向接口”,連接到方向的為“右方向接口”。對于鏈接到方向或者方向的端口配置可以自選。交換機端口之間的變量如標識號,方向以及線路都將在報文中被推斷。.列車拓撲發(fā)現協議的語義網絡中有多個網絡節(jié)點構成,節(jié)點之間要有條不紊的交換數據就要最后協議中規(guī)定的通信規(guī)約。協議實質上是網絡通信時使用的一種共同語言,一般有各組成部分語義、語

23、法和時序【】。其中語義定義了要做什么,即解釋了協議信息每個部分的意義,需要發(fā)出何種信息以及完成的動作以及做出什么樣的響應。.列車拓撲發(fā)現協議所定義的常規(guī)行為初運行過程應當在所有以太網列車骨干網節(jié)點之上運行:?發(fā)現和監(jiān)控列車以太網骨干網運行狀態(tài)。發(fā)現拓撲過程需要一直保持激活,拓撲消息報文被從每一個多路轉發(fā)到其他節(jié)點,所以交換機轉發(fā)列表要隨著每一次傳輸不斷更新。?與列車應用程序通告并協商拓撲結構。沒有應用程序的承認就不能追加任何行為。?在應用程序承認之后,列車邏輯拓撲被用來參考以建立列車口映圖并且更新網第頁西南交通大學碩士研究生學位論文絡服務,?。終端設備將被通告最新被認可的拓撲。列車不需要的端口

24、被設為阻塞狀態(tài)并且之有初始消息玎巳報文被發(fā)送使用管理地址以發(fā)現最后的耦合。拓撲的穩(wěn)定性基于的計算。當所有的本地的或者從別的獲取的一致的時候,所有的分享相同的值。結果是純粹的拓撲信息:在此描述的協議目的在于在最短的時間內決定拓撲變化以及/或者穩(wěn)定性。完整的一致性信息交換以及共享將在另一份協議中得到實現。由于列車組裝/拆卸或者事件丟失所需的更改之間的區(qū)別同樣被進行了處理用來避免同時出現多個初運行過程川。.以太網列車骨干網節(jié)點初運行狀態(tài)轉換以太網列車骨干網節(jié)點初運行過程如圖.所示:否否圖. 初運行流程.行為描述組態(tài)成型初始化。交換機端口被設為學習狀態(tài)。轉發(fā)功能被禁止,沒有配置,交換機轉發(fā)表清空。激活

25、鏈路聚合左側交換機端口被配置為靜態(tài)聚合,獨立于右側端口。第頁西南交通大學碩士研究生學位論文建立物理與邏輯拓撲物理拓撲與建?后臺程序發(fā)送幀并且建立連通性列表立列車網絡目錄邏輯拓撲。啟動后臺程序啟動拓撲發(fā)現協議的應用程序。管理鏈路狀態(tài)需要通過使用以下管理相鄰節(jié)點鏈路的狀態(tài):?幀?以太網物理端口狀態(tài)設置拓撲計算記錄列車網絡目錄的作為最新的拓撲計算器初運行標識符。設置映圖以及服務初始化映圖所有的參數:口地址,網絡掩碼,名稱解析,路由使用”和“結果“ ”。重新開啟服務,清空列表。激活路由功能和之間的轉發(fā)功能被激活。之間可以通信。通告列車應用程序新的初運行被通告到內的列車應用程序。根據的技術,需要輸出列車

26、拓撲。發(fā)送在狀態(tài)初運行 中,每一個或者中其他的特殊需要發(fā)送一次或者按需要發(fā)送多次報文。禁用路由與之間的轉發(fā)被禁止。之間不準許通信。.判斷條件描述物理拓撲一致通過布爾值標識, 當物理拓撲共享到所有的所有具有相同的連通性列表為真。邏輯拓撲一致當邏輯拓撲共享到所有的所有具有通過布爾值標識,相同列車網絡目錄為真。初運行抑制第頁西南交通大學碩士研究生學位論文通過布爾值標識,當列車應用程序需要避免新的初運行時為真比如說列車正在運作模式中移動,當類車應用程序啟動初運行來修改所有口設置時為假。這個標記是使用報文中“抑制”作用域以及本地參數所產生的結果。啟動初運行時所有的都要激活它。.以太網列車骨干網節(jié)點探測.

27、骨干網內部節(jié)點探測在任意時刻,每一個需要探測同一個以太骨干網內部的其他節(jié)點。為實現探測,每一個需要周期性對其他節(jié)點發(fā)送一個廣播報文,它的名稱叫,鏈路聚合組兩個方向被用來發(fā)送這個報文。接收到該報文,一個需要在自身的路由表查找報文中的地址是否在它的左端或者右端相鄰。當一個在中沒有相鄰節(jié)點時從未收到報文,穩(wěn)定性在一個延時后被自動聲明。在一個時延內沒沒收到特說的所發(fā)出的 報文被用來判定已丟失。兩類標識將用于建立連通性列表:?“連通性矢量”字段?“矢量”字段具體使用哪個字段作為輸入可自由選擇,但填充這些字段被定義為是強制的。為了安全考慮協議建議同時兩個字段來建立建立連通性列表物理拓撲。.相鄰節(jié)點探測一旦

28、物理拓撲被列車應用做確立,兩段節(jié)點的以太網接口將設為封閉模式。只有管理報文可以在其中傳輸。左右之間的節(jié)點將周期性的交換一類報文,該報文的名稱為“ ”。該報文占用很小的字節(jié),他們在兩個節(jié)點之間相互傳輸,來確定對方時候能給與一個快速的反應。在一個時延內是否收到 報文將用于探測相鄰節(jié)點是否還在鏈接狀態(tài)。.列車拓撲發(fā)現協議的語法協議三要素中的語法表示要怎么做,它將若干個協議元素和數據組合在一起,表達一個完整的內容所遵循的格式,定義了用戶數據與協議信息的數據結構、編碼、電平,數據出現的順序等。第頁西南交通大學碩士研究生學位論文.列車拓撲發(fā)現協議報文定義該副條款定義了之間為初運行而交換的數據包的格式。以下

29、有三種數據包被定義:幀,用于發(fā)現直接與其相連的節(jié)點并且檢測與這些相鄰節(jié)點的物理通信連接。幀,用于對所有其他的發(fā)送該節(jié)點的節(jié)點相鄰節(jié)點的信息。幀,用于為其他提供節(jié)點所連接的基本信息。.列車拓撲發(fā)現協議報文傳輸與地址列車拓撲發(fā)現協議定義了兩類以太網協議幀和一類用戶數據包協議幀:幀:基于鏈路層發(fā)現協議 ,除了所必須帶有的三元組 ,還擁有協議所定義的特殊。幀,特殊的以太網廣播幀。幀,擁有以太網.所規(guī)定的最大容量的特殊的數據報文,以避免口層的分裂。以下地址可用于以太網協議幀的發(fā)送,如表.所示。表以太網數據幀目的地址數據報文 目的地址 目標節(jié)點 定義根據 .與定義。. 相鄰節(jié)點準許節(jié)點交換底盤和端口信息根

30、據 .定義。將廣播. 全節(jié)點地址用于所有節(jié)點傳遞拓撲信息。以下/協議的相關參數將被用于 幀定義,如表所示。表.基于的協議報文目的廣播地址數據報文 廣播地址 端口 目標節(jié)點 定義列車組合網 根據 ,采用./. 中所有的終 為網絡地址域,其中.端設備 作為組合網信息組播地址西南交通大學碩士研究生學位論文 第 頁.列車拓撲發(fā)現協議報文定義列車拓撲發(fā)現協議報文是根據鏈路層發(fā)現協議數據單元,來定義的,詳情請見 .中定義強制和原始特殊的內容,報文結構如圖.所示。端以太罔助底層 生存時間報文結束以太網?中規(guī)定需強制包含類型 長度 組織唯一標示符 子類型 包含信息圖 報文的結構描述對于協議,它使用虛擬局域網

31、字段作為自身的參數根據.所定義。如果存在,優(yōu)先級的數值將被設為。列車拓撲發(fā)現協議報文的具體定義如表.所示。表. 報文字段名 描述 類型 賦值長度.目的地址 地址. 】源地址 發(fā)送方地址】以太網類型 以太網類型標識】類型 底層強制包含】長度以計算的長度底層子類型 底層子類型:地址 底層底層發(fā)送方的地址】類型 端口強制包含長度 以計算的長度端口子類型 代理線路 端口 ,輸出物理端口 類型 有效時間強制包含長度以計算的長度有效時間 的有效時間原始特殊類型特殊】長度以計算的長度組織唯一標示符,?子類型版本 版本左側標識 數據包的序號實時更新第頁西南交通大學碩士研究生學位論文提供方的具體信息,內容為提供

32、者 已終止符為結束的字符串,】 ”必要時填充空字符。評估鏈路狀態(tài),如果從鄰居節(jié)點收到報文并且鏈路可信端口處于激活狀態(tài),則該鏈.接認為是可信的。如果相應 .鏈路不可信鏈路一的端口處于抑制狀態(tài)或者 .未激活.在長時間沒收到報 .無效值.文則認為鏈路是不可信的。接收超時管理的目的在于.慢模式在任何情況下加快故障檢測。此信息控制相鄰報文之超時管理間傳輸的時間。如果在慢模 .快模式式下收到幀回復,則告知相鄰節(jié)點進入快模式。的源地址 ? 源對于信息診斷,源出口的物理端口號, 輸出線路 最近發(fā)送此幀的線路名稱.方向輸出方向 該條輸出線路的方向.方向相鄰 已知相鄰節(jié)點的地址組合網通用唯一,為所在詳見 網絡中的

33、所共享設置列車初運行批準的列 .初運行抑止初運行抑制標識 車應用程序狀態(tài)為不可用, 一初運行允許直到建立第一個拓撲結構 .不可用預留字段 預留字段,以后使用 全部設為.幀檢測序列根據幀檢測序列 以及特殊的 來 刪 計算,并且在此被插入。類型 結束強制包含】長度以計算的長度以太網 丸愀 組合網唯一標示符用于識別唯一的組合網標識而不需要一個向主站注冊的過程。為一個 的標示符,它根據被定義,所有的以太網列車骨干網在同一個組合網中必須擁有同一組合網唯一標示符。.列車拓撲發(fā)現協議報文定義該報文被用于建立物理和邏輯拓撲,它使用虛擬局域網第頁西南交通大學碩士研究生學位論文字段作為自身的參數根據 .所定義。如

34、果存在,優(yōu)先級的數值將被設為,報文結構如圖.所示。圖 報文的結構描述列車拓撲發(fā)現協議報文的具體定義如表所示。表 報文長度類型 賦值字段名 描述地址. 一.目的地址 】?【 源地址 發(fā)送方地址【 以太網類型 以太網類型標識 】以太網列車骨干網類型用于建立“連通性列表”】長度以計算的長度一個純文本字符串,用于監(jiān) 協議標識控工具過濾以太網協議協議版本 初運行協議的版本左側標識 數據包的序號實時更新.還未初運行初運行狀態(tài)機的狀初運行狀態(tài) .初運行態(tài),只為提供信息準備初運行.線路正常. .線路不正常方向鏈路總 方向所有鏈路狀態(tài),可以一未激活狀態(tài) 用于過濾線路. .無效值.無效值不會被使用線路方向相連線

35、線路方向相連線路名,路標識 稱,可以用于過濾線路線路方向相連線 線路方向相連線路名。,路標識 稱,可以用于過濾線路線路方向相連線 線路方向相連線路名,路標識 稱,可以用于過濾線路線路方向相連線 線路方向相連線路名,路標識 稱,可以用于過濾線路.線路正常方向鏈路總 方向所有鏈路狀態(tài),可以. .線路不正常狀態(tài) 用于過濾線路一 一未激活西南交通大學碩士研究生學位論文 第頁.一無效值.一無效值不會被使用線路方向相連線 線路方向相連線路名,路標識 稱,可以用于過濾線路線路方向相連線 線路方向相連線路名,路標識 稱,可以用于過濾線路線路方向相連線 線路方向相連線路名,路標識 稱,可以用于過濾線路線路方向相

36、連線 線路方向相連線路名,路標識 稱,可以用于過濾線路.未定義主節(jié)點節(jié)點角色 額定的角色分配.備用.未降級的一抑止從本節(jié)點發(fā)出的抑止請求,抑止為本地信息 .開啟表示遠程聚合在延伸的情 一抑止路由抑止 況下,是否允許以創(chuàng)立 .開啟.直連定向 在組網中的方向.逆向連通性列表 內部連通性列表的校驗和?方向地址 方向相連節(jié)點地址自身地址 ? ? 方向地址 方向相連節(jié)點地址 方向節(jié)點數方向所相連節(jié)點數 方向節(jié)點數 方向所相連節(jié)點數?一【方向所相連宰方向節(jié)點數組 節(jié)點數組未排序,以?地址描述?方向所相連方向節(jié)點數組 節(jié)點數組未排序,以 ?地址描述.幀檢測序列根據【 幀檢測序列 以及該段來計算,并且在此被插

37、入。以太網列車組合網類型用于建立“列車網絡目錄”】長度以計算的長度組合網通用唯一,為所在詳見 】網絡中的所共享 組合網內節(jié)點數 在組合網中擁有多少刪 拓撲計數器 列車網絡目錄內部校驗和拓延標識 表明列車車廂數量經過一 .列車拓延第頁西南交通大學碩士研究生學位論文.列車非拓延個初運行機制獲得拓延出現一個新的。使用 報文探測,如果發(fā)現一個新的節(jié)點進行置位。當節(jié)點消失或者新列車網絡目錄建立則重置。表明列車車廂兩端之一丟失至少一個節(jié)點。使用報文探測,如 一車縮減縮減標識 根據列車網絡目錄發(fā)現終 .列車非縮減端節(jié)點丟失或者新列車網絡目錄建立則重置。一個列車組的組合網數,作組合網數量為列車組的靜態(tài)標識。從

38、組合網撐到組合網州.該字段標識以太網列車組 .未使用組合網類型.合網類型.以太網一個列車組的數,作列車組數為列車組的靜態(tài)標識。從到下鏈接的組 下鏈接組合網列 未連接合網數目 表,每一代表一組合網 .已連接下鏈接的組 下鏈接組合網列 未連接合網數目 表,每一代表一組合網 已連接.幀檢測序列根據幀檢測序列 以及該段來計算,并且 在此被插入。以太網.列車拓撲發(fā)現協議報文定義在完成初運行之后所有的節(jié)點都需要交換 報文。 報文中應該包含以下信息:?列車組標識?列車組性能?列車組提供的性能?列車組中車廂的數目及各車廂的標識?列車組中車廂方向第頁西南交通大學碩士研究生學位論文?各車廂性能?各車廂終端設備個數

39、可選?各車廂終端設備性能可選報文字段根據“服務質量 ”定義,同時該報文 被分類為檢查數據,報文的差分服務代碼點字段應該被設置為,報文結構如圖所示。字段 以太網 字段; 三 :、昧、鏟?五?;。:?。;.,多么長度 協議版本類型、.長度協議標示符 協議版本 包含信息 類型 協議標示符圖 報文的結構描述列車拓撲發(fā)現協議報文的具體定義如表.所示。表. 報文字段名 描述 類型 賦值長度目的地址 目的地址.】一 源地址 發(fā)送方地址】以太網類型 以太網類型標識 刪 】:根據 定義的頭部結構 .:源頭部結構?:.根據 定義的頭部結構 目的端口:】頭部結構 類型長度長度一個純文本字符串,用于協議標示符 。 】

40、監(jiān)控工具過濾以太網協議協議版本 協議的版本 組合網通用唯一,為所詳見】在網絡中的所共享發(fā)送方的標識,如不是直接從發(fā)送則標識為列車網絡目錄內部校驗拓撲計數器和,標識初運行列車組信息負載負載定義字段的版本版本格式:.禁用.列車組信息負載 讀取負載的信息:二進制 .二進制形式格式 形式,是否被壓縮,? 格式 重置:.壓縮:.未壓縮西南交通大學碩士研究生學位論文 第頁重置 .已壓縮.壓縮列車組信息負載待討論組合網信息負載的字節(jié)數大小列車組描述信息未被初運行所使用用于列車應列車組信息負載用的相關信息描述。在.中定義類型長度 長度一個純文本字符串,用于 協議標示符】監(jiān)控工具過濾以太網協議協議版本協議的版本

41、幀檢測序列根據幀檢測序列 .以及該段來計算,并且在此被插入。數據報文只需要被授權的通信設備所發(fā)送,這些設備是:. .一個列車組中自定義的設備在一個列車組中至少有一個被授權的通信設備需要發(fā)送數據報文。如果對于來說其他的通信設備被定義來發(fā)送數據報文,那么列車組中的將不能發(fā)送數據報文。如果需要發(fā)送數據報文。那么列車組中所有的都需要發(fā)送數據報文。數據報文需要被廣播到一個定義好的多路廣播組中。該多路廣播組的成員被授權接收和處理數據報文。.列車拓撲發(fā)現協議拓撲結構定義.連通性矢量連通性矢量給與了直接相鄰節(jié)點的信息。連通性矢量是 幀的一部分。每一個都需要通過幀或者? 幀建立一個自己的連通性矢量,矢量定義及字

42、段描述如表及表所示。表連通性失量 地址方向地址自身地址方向西南交通大學碩士研究生學位論文 第頁表.連通性失量字段值條目 描述?地址 方向和方向相鄰節(jié)點的地址或者自身的地址。如?沒有相鄰節(jié)點或者一個之前的相鄰節(jié)點不在鏈接則設為。.矢量矢量給與了某個同一方向的所有相鄰節(jié)點的信息左或右。檢測列表并沒有被指定,兩個矢量被包含在 幀中。每一個都可以通過多路廣播 幀建立起兩個矢量雙向。當接受到幀,一個簡單的轉發(fā)表給與了引入的端口號,因此發(fā)送者的方向可以被清楚的檢測出。矢量定義及字段描述如表.及表所示。表 失量地址 地址地址表連通性失量字段條目描述 值地址 ?一【某一個方向相鄰節(jié)點的地址.連通性列表連通性列

43、表包含了骨干網上的列表:“物理拓撲”。該列表由幀計算而得出。第一項屬于最底層的火車終端的地址。這個被用為定向基準。當每一個收到一個新的幀,連通性列表被重新計算。在每一次的初始化之后,最小的連通性列表只包含自身一個節(jié)點。列表結構定表.連通性列表方向地址節(jié)點之間最底層的地址地址 方向./.地址方向表.連通性列表字段條目 描述 值類型上所有檢測到的的?地址地址第頁西南交通大學碩士研究生學位論文一根據連通表的第一個節(jié)點得出的 .直連的與第一個非等價的方向 在一個固定方向上的節(jié)點信息。 方向相同字段第一個節(jié)點設置為“” .逆向的.未定義.連通性列表連通性列表校驗和根據 .來進行計算,初始值為。連通性列表

44、在 報文中進行傳輸,當所有發(fā)送相同的時所有的分享同一個連通性列表,從另一個角度來說,所有的可以找到另外所有的節(jié)點,物理拓撲完成。.列車網絡目錄列車網絡目錄包含了列車關于組合網的描述:“邏輯拓撲”。最初的入口在列車的終端組合網擁有最低級的組合網通用唯一。該組合網作為定向基準,列車網絡目錄通過所有的在每一個周期內收到的幀來計算得出。列表表.列車網絡目錄”終端節(jié)點 一個列車組要子網 組合網方向額最低級 包含一個以上組合網子網 組合網方向?,子網 組合網方向表.連通性列表字段條目 描述類型 值“ .? ?.組合網通用唯一 】”作為私有字段來靜態(tài)定義,用于 非等價的標識列車組中組合網。 字段非等價的子網

45、 用于標識中的組合網子網字段非等價的用于標識中的字段非等價的 . .直連的方向 列車組組合網的參考方向字段 .逆向的.未定義第頁西南交通大學碩士研究生學位論文.列車網絡目錄:“拓撲計數器”列車網絡目錄校驗和根據 .來進行計算,初始值為。列車網絡目錄在報文中進行傳輸,當所有發(fā)送相同的時所有的分享同一個列車網絡目錄,從另一個角度來說,所有的可以找到所有的組合網描述,可以獲取子網和 ,他們可以發(fā)起初運行。一個穩(wěn)定的列車網絡目錄標識了一個列車結構,該值同樣被用為名命名為“拓撲計數器”。.列車拓撲發(fā)現協議的時序協議三要素中的時序也成為同步規(guī)則或者交換規(guī)則,它表示協議中所進行操作的順序,是對事件發(fā)生順序的

46、詳細說明,明確報文發(fā)送的順序、速率配置及雙方相互應答的次序等。.列車拓撲發(fā)現協議幀時序. 報文時序報文需要在所有的交換機端口無條件的發(fā)送,獨立于鏈路聚合之外。該報文的預算法則類似于鏈路匯聚控制協議,在報文中定義了兩種周期發(fā)送方式:?在正常模式,關聯到一個較長的接收超時以盡可能的慢速發(fā)送來減輕的壓力。慢模式下設置周期為。?在快模式下,聯到一個較短的接收超時來增加鏈接錯誤檢測性能,快模式下設置周期為。在該模式下,應當修改其適當的模式來應答回答每個收到的幀。相應的周期和超時時間如表.所示。表. 時序定義慢模式周期慢模式超時時間 .幸慢模式周期快模式周期快模式超時時間 奉快模式周期檢測時間 慢模式超時

47、時間快模式超時時間檢測時間鏈路聚合重新配置時間恢復時間西南交通大學碩士研究生學位論文 第頁. 報文時序報文需要通過在鏈路聚合時在被所有的周期性的發(fā)送。該報文的發(fā)送周期應設置為。. 報文時序數據報文需要被每一個授權的通信設備在一個新的廣播啟動后.內發(fā)送。.列車拓撲發(fā)現協議運行時序.運行時序圖.描述了三組運行時的狀態(tài)。它可以被認為是,拓撲時機取決于列車組最后運行的的運行時間而不是取決于總數的不同。習竺日竺日:發(fā)送 .一?叫撣響應拿 :? 、.一?叫發(fā)送 耳皂孬 響應,譬?丌發(fā)送 .一?叫再姜行響應訓算完成圖. 運行時序圖.失效備援失效備援為系統(tǒng)備援能力的一種,當系統(tǒng)中其中一項設備失效而無法運作時,

48、另一項設備即可自動接手原失效系統(tǒng)所執(zhí)行的工作【】。圖.描述了在拓撲發(fā)現過程中失效備援的機制。列車應用程序通告的失效備援,擔心的初運行應該避免抑制第頁西南交通大學碩士研究生學位論文應用標記。數量和口地址映圖不應該更改。撐:。?二盯酬觸目曰發(fā)送響應鏈路發(fā)現鏈路發(fā)現 鏈路發(fā)現硎路發(fā)現鏈路發(fā)現 鏈路發(fā)現超時時間抖?: 一發(fā)送響應 珍影釤釤獺。鏈路發(fā)現超時時間:。匿緩緩緩緩霪瑗荔荔荔荔荔緩毳毳毳毳荔荔黝。抽發(fā)送響應鏈路發(fā)現 鏈路發(fā)現超時時間鏈路發(fā)現超時時間加 鏈路發(fā)現超時時間 鏈路發(fā)現超時時間發(fā)現失效圖.失效備援圖.耦合時序圖描述了報文發(fā)送時序。再確認了列車應用耦合機制完成之后,兩端端口打開并且開始廣播

49、 報文。撐?帥 發(fā)送響應乙 一 撐卜一叫 發(fā)送響應 一節(jié) 組網簿接 應用確認搏合完成. .圖 耦合時序圖西南交通大學碩士研究生學位論文 第頁.列車拓撲發(fā)現協議的優(yōu)化:雙線負載均衡以太網列車骨干網的節(jié)點接口如圖.所示,為滿足鏈接容錯的要求需建立冗余結構數據傳輸模型,將傳輸模式定為雙線結構 。一個旁路在物理層被建立,以防止主線路傳輸過程中出現故障或斷開。和絞線式列車總線 的冗余結構相似,其中線纜是成雙的,而節(jié)點不是,一個節(jié)點總是同時在兩條線纜上發(fā)送數據?。每個節(jié)點從一條線纜中接收數據,但是監(jiān)督另一條線纜是否可用,在非冗余設計中,節(jié)點只使用收發(fā)線路和可以理解為和共同構成了全雙工以太網使用的兩對電纜線,負責兩個方向數據的收發(fā)。線路線路向線路線路幽以太網歹車骨干網的節(jié)點接口不意圖以上的冗余結構滿足了列車通信網絡中對數據傳輸的可靠性要求并提供了失效備援的機制。但在信息傳輸時,雖然只有