动车组列车的车载数据通信网络方案
李邺++陈小波
摘 要：铁路技术日趋智能化与信息化，对于车载网络的速度与实时性要求越来越高，以太网技术作为一种得到广泛应用的网络通信技术，将其应用到车载网络中是必然趋势，鉴于以太网自身的缺陷，以及车载信息传输实时性要求，对以太网在车载网络信息传输的实时性进行研究十分重要。
关键词：通信网络技术；实时性；列车通信网络
中图分类号：TP273 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2017）29-0037-02
1 当前车载网络现状
当前所述的车载网络大多单指列车控制网络，列车上的控制系统通过各种总线技术将分布在全列车上的计算机应用系统或完成特定功能的硬件设备互连起来，列车通信网络就是运用于其中进行信息交换的数据通信平台。与一般的信息通信网络相比，列车通信网络本质上是一种工业控制局域网，是一种典型的实时分布式控制网络技术。列车通信网络的实时性非常重要，它直接影响着整个列车控制系统的性能。
2 以太网技术在车载网络中的应用
随着以太网技术的发展，以太网在列车车载网络中的应用也越来越广泛，比如车载视频监控系统，车载的媒体点播服务，车载无线热点等等，随着业务的融合，车载控制网跟其他网络服务都融合到基于以太网的一张网，在这张网上，业务庞杂，各种业务的实时性需求也不一样，对带宽的要求也不一样，关键的控制信息的实时性对于列车安全平稳运行至关重要。
3 工业控制中使用以太网时要考虑的实时性问题
在工业系统中使用时，以太网有实时性的问题需要特别关心，这主要是由以太网的基础技术——带碰撞检测的载波侦听多路访问协议（CSMA/CD）——所决定的，这一机制与工控行业所要求的确定性与实时性有不少的距离。
工业控制网络要求网络上的所有用户都不会由于负载等原因得不到发送数据的机会，每个用户都会有均等或者一定优先级的机会来发送数据，发送出去的数据能在可预期的时间内到达，既不会丢失，也不会发不出去。以太网上的CSMA/CD机制，实际上是网络上的各个用户通过竞争来获取网络的控制权，用户无法确定自己能竞争到使用权，也无法保证自己能在指定的时间内竞争到使用权，如果信道忙碌的话，用户需要一直等待下去，即使获取到控制权，也要监听是否发生信息碰撞，当信息发生碰撞的话，则还需要重新发送信息，当某个用户发生故障而长期占据使用权时，也无法及时将其控制权剥夺，网络上的信息也没有有效的方法来区分实时信息与非实时信息，总而言之，确定性与实时性都不能得到有效保证。
4 以太网技术在实时性方面的努力
如何避免冲突，一个方法是给网络上每个用户都分配一个时隙，每个用户在这个时隙内发送数据，这样保证了不会发生碰撞，每次的消息发送的延迟也是固定可预期的。当然也还有其他方法，但是这些方法都更改了以太网的基础结构，在保持以太网基础结构不变的情况下，我们还可使用的办法有全双工交换式以太网技术，采用VLAN技术，充分利用QoS技术，使用IPv6等等。
4.1 全双工交换式以太网技术
交换机在以太网中的应用大大拓展了以太网的应用范围，一个交换机，其各个端口各自组成一个独立的子网络，各子网络的冲突域都是独立的，这样整个网络内消息发送的冲突就大大减少，一个子网内发送数据的用户就无需等待另一个子网的用户发送完数据。端口之间的数据输入和输出不再竞争同一个底层物理介质。
在半双工的工作方式下，用户设备的端口有交换机的端口属于同一冲突域，不能同时接受与发送，当交换机端口侧有数据发送过来时，用户设备就不能往交换机端口发送数据，需要等待交换机端口数据接收完成，尽管在交换机端口分割冲突域的情况下，这种状况发生的概率已经降低，但仍然降低了网络的实时性和确定性。相较于半双工的以太网，全双工通信可以同时接收数据和发送数据，其理论上的通信速率要快上一倍，更快的传输速率意味着单次数据传输占用网络的时间间隔更短，发生冲突的概率越低，网络的实时性也更好。
4.2 虚拟局域网（VLAN）
交换技术的发展，交换机的出现，使得冲突域的大小得到限制，答案是广播域的问题还是存在，特别是广播风暴可能会拖垮整个网络，虚拟局域网可对广播域进行划分，从而更加合理的使用带框，增强网络。从另一个方面来说，VLAN是从安全性来考虑的，对于工业控制来说，控制数据与普通数据的安全性跟实时性上都有较大区别，通过划分不同的VLAN，做外落上做逻辑上的切割十分自然。VLAN还能突破物理位置上的限制，比如可以将不通冲突域中的物理设备划分到同一个VLAN中统一管理。
4.3 QoS
当网络拥塞时，所有的报文都有可能丢失；不同的用户对于服务质量有不同的要求，这需要能根据用户需求来分配资源，对不同的报文提供不同的保证：实时性强且重要的报文优先处理；实时性不强的普通数据，提供较低的处理优先级，网络拥塞时甚至丢弃。支持QoS功能的设备，能够针对某种类别的数据流，赋予不同的优先级，来标识重要性，并使用设备所提供的各种优先级转发策略、拥塞避免等机制为这些数据流提供特殊的传输服务。在工业控制网络中使用QoS技术，可以为重要的控制数据提供一种相对更好的实时保障，当网络过载时，重要数据不会被先延迟或者丢弃。
4.4 IPv6
IPv6对于QoS有更好的支持，可以方便的设置报文的优先级，IPv6还可对数据报文设置流标记，通过打上流标记，标识过同一个流的报文都通过同一个路径进行传输，这样沿途的交换机在进行转发处理的时候可以进行得更快，传输的速度跟实时性都能得到更好提升。另外IPv6协议中没有广播，这样大量广播报文占据的带宽被释放出来，实时性能得到提升。
5 結束语
通过综合使用全双工交换式以太网技术，虚拟局域网技术，QoS技术，采用IPv6技术，以太网的实时性能得到大幅提升，可靠性也有极大改善。如此一来，以太网作为列车的车载信息网络已能满足各种业务的需求，在当前业务融合的迫切需求下，恰逢其时。
参考文献：
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