高精度列车通信系统交换机优化设计

0 引 言

随着城市铁道建设的不断发展，高精度列车如地铁内的网络通信技术也在高速进步，实现高精度列车内的通信需要采用以太网技术，其具有数据传输快、应用范围广以及设备兼容性好的优势[1]，成为发展通信系统的重要应用，而交换机作为实现通信能力的关键设备，对其进行质量、性能和功能上的优化改进，有利于提升列车内通信能力[2]。过去高精度列车通信系统的交换机未考虑交换机稳定运行时出现的环路现象，造成网络信息传输时的稳定性较差。为解决该问题，该文对高精度列车通信系统交换机进行优化设计，加强交换机的应用效果，提高高精度列车通信系统的通信质量。

1 高精度列车通信系统交换机优化设计

1.1 整体结构设计

本文设计的高精度列车通信系统交换机整体结构框图如图1所示，该交换机主要由主控制模块、以太网模块和POE供电模块三部分组成。主控制模块的构成由FPGA处理器和其他设备构成[3]，主要进行通信系统的初始化、上层应用程序运行、设备的配置和管理工作；以太网主要将系统内大量的网络通信数据进行转发；POE供电模块实现对通信系统内供电设备的检测、分级和监察等功能。三个模块相互配合协作共同构成完整的交换机系统。

图1 交换机整体结构图
Fig.1 Overall structure of switcher

1.2 交换机环形网络的优化设计

为使整个由交换机组成的网络工作更加可靠，降低网络节点故障导致通信中断发生的频率，本文将交换机引出的接口互相连接，在高精度列车内部构建一个环形网络提升网络的可信度[4]。交换机能够对配网进行故障诊断，且支持环网冗余能依照IEEE 803.1W准则准确得到快速生成树协议算法，该算法可确保高精度列车内交换机稳定运行时不出现环路，同时确保列车内以太网总线的冗余性[5]。

生成树协议算法采取关闭、阻塞、监听、学习以及转发等方法对交换机进行智能化管理[6]，对不同端口说明如下：

1）阻塞：仅能获取交换网桥协议数据包且无法进行数据转发；

2）监听：交换机对环形网络中的各个路线进行确认，该过程需要15 s左右，但使用者不可进行MAC地址学习也不可进行数据转发，只能接收交换网桥协议数据；

3）学习：该过程持续15 s，但使用者不可发送数据包可以交换网桥协议数据和MAC地址学习；

4）转发：使用者数据包和交换网桥协议数据均可被转发且MAC地址可进行学习；

5）禁用：不接收也不发送任何数据。

本文设计的交换机支持快速生成树协议算法，该算法相较于生成树算法缺少了监听和学习，这两种状态会造成一定时间的延迟，会对高精度列车中其他设备的使用带来影响，但快速生成树协议算法缩短了环网的恢复用时，降低了数据包的丢失。

1.3 交换机连接方式优化设计

在交换机环形网络优化设计的基础上，为使本文设计的交换机更加符合EN50155铁路设备抗震动以及电磁兼容性标准[7]，对交换机的连接方式采用安全有效的优化设计。本文设计的交换机将过去的以太网接口和USB接口用M12接头代替，加强交换机在强烈震动时的安全性，提升设备间通信能力。

1.4 交换机应用软件实现

1.4.1 FLASH接口函数的实现

交换机软件驱动层主要对交换机中硬件FLASH的读写、串口数据的发送和接收以及SMI接口对交换机芯片进行操作，FLASH驱动包括进行FLASH初始化[8]、复制和读写等操作，FLASH驱动提供7个API函数，如表1所示。

表1 FLASH接口函数表
Table 1 Functions of FLASH interface

1.4.2 环网控制的实现

本文实现交换机环网控制，基于高精度列车以太网的拓扑结构，对网络实施动态规划，环网控制分为网络路径控制线程和网络数据接收线程[9]。

网络路径控制线程主要用于发送报文和检查交换设备的运行状态，根据不同的运行状态采取不同的控制手段[10]，控制过程如下：

1）心跳检测报文和环路检测发送，向中继口发送的仅有环路检测报文；

2）判断交换机中继口链路物理性质是否发生变化，若发生变化，将结果发送给通信系统中其他交换机，执行步骤4）操作，反之进行步骤3）；

3）交换机对心跳检测报文的超时标识和链路通知报文接收标识有效识别，表明需重新进行环网链路规划，并进行下一步操作，反之到步骤7）；

4）当心跳检测报文超时标识和中继口链路物理状态同时改变时，应将交换机自身全部接口封闭，将所有交换机进行同步控制，并进行下一步操作；

5）交换机将上行中继口进行阻塞保持下行中继口通畅，并在某个同步时间周期性的发送环路检测报文，根据MAC地址交换机接收来自其他环路检测报文；当交换机接收来自身的检测报文时，表示网络路径中存在物理环路，应固定待阻塞端口降低网络风暴的出现概率，根据检测报文中的端口号确定待阻塞端口，并进行下一步操作；

6）将交换机上行中继口打开维持正常通信，在同步等待时间期间将中继口的MAC地址学习表删除，降低正常数据转发的概率，并进行下一步；

7）若交换机获取超时信号量延时，返回步骤1），延时期间获取报文可直接进入步骤1），重新进行网络路径规划。

通过以上7个步骤共同对网络路径控制线程控制，实现对交换机的环网控制。

2 实验分析

实验将本文设计的交换机放入高低温实验环境中，将温度迅速升至85℃，测试2 h，测试结束后在正常室温下运行该交换机，结果为正常运行说明本文设计的交换机可以抵抗高温环境进行正常工作，应用范围较广。

实验采用静电测试对本文设计的交换机进行检测，判断本文设计的交换机的抗干扰能力，静电测试分为接触放电和空气放电两种。测试标准参照EN61000⁃4⁃2的标准，实验测得本文设计交换机可以在实验进行过程中正常运行，达到设计要求。

通过测试链路质量的方式验证本文交换机的网络通信能力，图2为链路发送4种数据包测试结果。

图2 链路质量测试结果
Fig.2 Test results of link quality

测试的固定长度数据包大约50 kB，长度逐渐增大，数据包大小在1～65 kB间。从图2中可以看出，交换机发送固定长度数据包的通信速率大约为10 720 kB/s，交换机发送长度逐渐增大数据包的通信速率不断变化，且随着数据包的增大而变慢。当数据包大小为一定值时，通信速率不再发生变化。从测试结果可以看出，超时个数和错误个数均为0，说明本文设计的高精度列车通信系统交换机具有较好的应用效果。

实验为验证本文设计的交换机软件的网络性能，对CPU端口进行测试，对CPU端口的网络性能测试利用Level 1进行网络丢包、超时和速率进行测试，测试结果如表2所示。

表2 CPU端口网络性能测试结果
Table 2 Test results for network performance of CPU port

分析表2数据可知，本文设计交换机的丢包率和超时率分别为2.15‰和1.12‰，该数值非常小说明本文设计交换机的丢包率和超时率极低，且传输速率达到平均水平的1.7 MB/s，说明交换机软件网络性能良好，符合高精度列车通信系统的要求。

3 结 论

本文优化设计的高精度列车通信系统交换机可以在环境较为恶劣的环境下正常运行，电磁兼容性效果较好且交换机的链路通信状况良好，说明优化设计后的高精度列车通信系统应用效果显著。