張辛楠， 徐中偉， 曹召義

(同濟(jì)大學(xué)電子與信息工程學(xué)院，上海201804)

0 引言

隨著近幾年物聯(lián)網(wǎng)、車聯(lián)網(wǎng)等新概念的提出，網(wǎng)絡(luò)逐漸成為了一個(gè)熱門的研究領(lǐng)域，同時(shí)網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用也遍及到了各行各業(yè)，交通、軍事、商業(yè)、能源、國家安全等都需要網(wǎng)絡(luò)對其內(nèi)部及外部的通信進(jìn)行支撐．因此，網(wǎng)絡(luò)性能的好壞得到了廣泛的關(guān)注，由此也引發(fā)了國內(nèi)外關(guān)于網(wǎng)絡(luò)性能評價(jià)的大量研究．

對網(wǎng)絡(luò)性能的評價(jià)有兩個(gè)手段，理論分析手段和實(shí)驗(yàn)分析手段．理論分析手段是指通過分析網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的物理組成與連接方式，數(shù)據(jù)鏈路層介質(zhì)訪問和鏈路控制協(xié)議及網(wǎng)絡(luò)層分組交換等協(xié)議，并結(jié)合理論推導(dǎo)，得出該網(wǎng)絡(luò)的性能．該方法對于研究小型局域網(wǎng)尚可行，但不適用大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)．實(shí)驗(yàn)分析手段就是通過實(shí)驗(yàn)的方式對網(wǎng)絡(luò)性能進(jìn)行分析．實(shí)驗(yàn)分為實(shí)物仿真、半實(shí)物仿真和純軟件仿真，針對不同的條件與環(huán)境選擇合適的方式進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析，得出結(jié)論．實(shí)驗(yàn)分析是目前廣泛使用的一種網(wǎng)絡(luò)性能分析手段．

在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析時(shí)，先進(jìn)行環(huán)境搭建，即將實(shí)際的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，所用協(xié)議加入仿真環(huán)境．在環(huán)境搭建好以后，就要加入背景流量模型，和前景流量模型，最后對仿真結(jié)果進(jìn)行分析，得出網(wǎng)絡(luò)性能評價(jià)的結(jié)論．背景流量模型反應(yīng)了網(wǎng)絡(luò)正常運(yùn)行時(shí)的流量特征，是分析網(wǎng)絡(luò)性能的流量背景，背景流量模型必須盡量真實(shí)的表示出網(wǎng)絡(luò)實(shí)際正常運(yùn)行時(shí)的流量特性，從而保證對網(wǎng)絡(luò)性能評價(jià)的準(zhǔn)確性．

1 研究背景

根據(jù)《中國鐵路中長期發(fā)展規(guī)劃》精神，到2020年，我國將新建客運(yùn)專線及高速鐵路1．2萬公里，運(yùn)營最高時(shí)速為350公里，2020年至2030年將開發(fā)時(shí)速四百公里以上的地面交通工具．可見在高速鐵路上，隨著速度越來越快，1秒的延遲都可能造成100米制動距離的損失，在高速鐵路控制網(wǎng)絡(luò)中，通信網(wǎng)絡(luò)的擁塞和時(shí)延抖動很可能導(dǎo)致嚴(yán)重的后果，這使得對于安全數(shù)據(jù)網(wǎng)可靠性的分析尤為重要．

目前對于高速鐵路信號系統(tǒng)安全數(shù)據(jù)網(wǎng)可靠性的研究仍然停留在對基層環(huán)網(wǎng)的可靠性、子網(wǎng)間通信可靠性、網(wǎng)管系統(tǒng)可靠性在一定的假設(shè)和條件約束下使用分析的方法進(jìn)行研究[1]．CTCS－2級和CTCS－3級列控系統(tǒng)是確保高鐵列車運(yùn)行安全的分布式、實(shí)時(shí)、安全苛求的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，主要由 CTC、TCC、CBI、TSRS、RBC、ATP 等設(shè)備組成，廣泛分布在調(diào)度控制中心、車站/軌旁設(shè)備和列車上[2]．而客運(yùn)專線信號系統(tǒng)安全數(shù)據(jù)網(wǎng)接入設(shè)備包括:列控中心(TCC)、計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖(CBI)、臨時(shí)限速服務(wù)器(TSRS)、無線閉塞中心(RBC)[3]等與鐵路運(yùn)輸安全密切相關(guān)的設(shè)備，設(shè)備之間傳輸?shù)膮^(qū)間閉塞分區(qū)狀態(tài)信息、列車進(jìn)路狀態(tài)信息、調(diào)車信號狀態(tài)信息、以及聯(lián)鎖向RBC傳輸?shù)腟A信息等，都是列車運(yùn)行期間非常重要的信息，這些信息的傳輸對實(shí)時(shí)的延遲，例如區(qū)間閉塞信息傳輸時(shí)延遲大于容忍范圍，極有可能造成列車追尾事故，所產(chǎn)生的后果非常嚴(yán)重．因此對信號系統(tǒng)安全數(shù)據(jù)網(wǎng)的可靠性進(jìn)行有效的檢測是非常有必要的．

圖1 安全數(shù)據(jù)網(wǎng)一般組網(wǎng)結(jié)構(gòu)

如圖1所示，安全數(shù)據(jù)網(wǎng)中數(shù)據(jù)源主要由各個(gè)車站的TCC及有岔車站的聯(lián)鎖組成．本文所屬課題的研究目前已基本完成對該網(wǎng)絡(luò)在軟件環(huán)境中的仿真．

圖2 安全數(shù)據(jù)網(wǎng)的仿真圖

如圖2所示，我們以某高速鐵路標(biāo)準(zhǔn)線路為實(shí)例，將其安全數(shù)據(jù)網(wǎng)的部分提取出并在軟件環(huán)境中對該網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了仿真．該線路中包含八個(gè)車站，其中四個(gè)有岔車站和四個(gè)無岔車站．與圖1所示組網(wǎng)結(jié)構(gòu)不同的是，圖2所示的仿真圖中，加入了RBC(無線閉塞控制系統(tǒng))和TSRS(臨時(shí)限速服務(wù)器)，這是為了能夠仿真CTCS－3級列控系統(tǒng)所進(jìn)行的補(bǔ)充．

在完成了上述工作以后，就需要將安全數(shù)據(jù)網(wǎng)的背景流量模型加入該仿真環(huán)境中．該背景流量要能夠盡量貼近該網(wǎng)絡(luò)在正常運(yùn)行時(shí)的流量特征．在此基礎(chǔ)上加入前景流量并進(jìn)行仿真，最終根據(jù)仿真結(jié)果分析出安全數(shù)據(jù)網(wǎng)的可靠性指標(biāo)．

2 背景流量模型的研究

網(wǎng)絡(luò)流量模型是指用數(shù)學(xué)模型對實(shí)際網(wǎng)絡(luò)的流量進(jìn)行建模．在對網(wǎng)絡(luò)流量進(jìn)行建模時(shí)，需遵循以下原則:首先流量的建模必須反映出真實(shí)流量在這一方面的特性，否則會直接影響網(wǎng)絡(luò)仿真測試的結(jié)果．接著流量的建模必須反映出網(wǎng)絡(luò)仿真分析關(guān)注的某方面的特性，并對該方面使用較復(fù)雜的模型．

2．1 背景流量模型理論分析

通過Taqqu等人對貝爾實(shí)驗(yàn)室局域網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)流量建模的分析[4]，Paxon等人對廣域網(wǎng)流量和美國國家基金會網(wǎng)站網(wǎng)絡(luò)流量建模分析[5]，發(fā)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)流量模型最主要的一個(gè)特性，也是目前公認(rèn)的一個(gè)特性:自相似性，即長相關(guān)性．在自相似性得出之前，傳統(tǒng)的流量模型例如基于泊松的流量模型僅具有短相關(guān)的特性[6]．

可以看出，傳統(tǒng)的流量模型主要的特性是短相關(guān)性．這種流量模型的特點(diǎn)是相關(guān)性在時(shí)間線上較短，無法表示出網(wǎng)絡(luò)流量的長相關(guān)性，只能反映出平緩的網(wǎng)絡(luò)流量狀態(tài)，無法反映出突發(fā)性的網(wǎng)絡(luò)流量，因?yàn)楫?dāng)數(shù)據(jù)源的數(shù)量增加時(shí)，即網(wǎng)絡(luò)上的虛電路增加以后，流量的突發(fā)性會由于短相關(guān)性被吸收掉，流量特性就顯得平緩．

與傳統(tǒng)的流量模型不同，自相似性的流量模型能夠反映網(wǎng)絡(luò)流量中持續(xù)自相似的現(xiàn)象，即即是時(shí)間維度變長，也會有自相似性出現(xiàn)，隨著自相似程度的出現(xiàn)，流量的突發(fā)性就會被保留[7]．

可以看出，為了研究網(wǎng)絡(luò)整體的流量多采用自相似性的流量模型[8]．但在研究背景流量模型時(shí)，考慮到背景流量的平緩性和一致性，具有自相似性的流量模型反而不適用于背景流量模型，適合用于背景流量模型的應(yīng)該是傳統(tǒng)的具有短相關(guān)性的流量模型．

2．2 背景流量模型建模方式選擇

網(wǎng)絡(luò)的流量模型分為前景流量和背景流量，可以理解為網(wǎng)絡(luò)的混沌性和網(wǎng)絡(luò)的周期性．周期性變化表示網(wǎng)絡(luò)的流量隨著時(shí)間軸的推動呈現(xiàn)周期性的變動，是有規(guī)律可循的，這部分用背景流量來表示，而混沌性表示網(wǎng)絡(luò)的流量無規(guī)則的部分，類似隨機(jī)過程．因此網(wǎng)絡(luò)流量是確定性流量與隨機(jī)性流量疊加而成的，要仿真的背景流量就是確定性或者說周期性的部分．

如同對確知信號和隨機(jī)信號的處理對象分別為信號本身的值和信號的統(tǒng)計(jì)特征值，對于背景流量模型的建模一般也分為兩種，一種是背景流量已知或者可以測得，這種情況一般使用跟蹤文件背景流量模型．另一種是無法確知但可以得到統(tǒng)計(jì)特征值，這種情況一般使用泊松背景流量模型．下面分別簡要介紹這兩種流量模型．

(1)泊松背景流量模型

在泊松背景流量模型中，近似的認(rèn)為，數(shù)據(jù)包到達(dá)的時(shí)間及到達(dá)的數(shù)據(jù)包滿足泊松分布．具體的表示為，在以下的假設(shè)條件下[9]:

1)在不同的時(shí)刻數(shù)據(jù)包到達(dá)這一隨機(jī)事件之間相互獨(dú)立;

2)在一段時(shí)間Δt內(nèi)，這段時(shí)間有沒有數(shù)據(jù)包到達(dá)僅與時(shí)間間隔Δt有關(guān)，其他因素不影響這一概率;

3)在Δt內(nèi)，要么有數(shù)據(jù)包到達(dá)，記為1，要么沒有數(shù)據(jù)包到達(dá)，記為0．

在單位時(shí)間內(nèi)有數(shù)據(jù)包到達(dá)的概率為β，于是時(shí)間間隔Δt內(nèi)有數(shù)據(jù)包到達(dá)的概率為βΔt，那么未到達(dá)的概率為1－βΔt，n個(gè)Δt組成一段時(shí)間t，即t=nΔt．那么，根據(jù)二項(xiàng)分布，時(shí)間t內(nèi)到達(dá)的數(shù)據(jù)包個(gè)數(shù)為k個(gè)的概率為:

對公式(1)進(jìn)一步考察，當(dāng)n→∞ 時(shí)，

Pt(x=k)

此時(shí)，二項(xiàng)分布近似服從泊松分布，最后得到:

公式(2)說明，時(shí)間t內(nèi)到達(dá)的數(shù)據(jù)包個(gè)數(shù)的概率服從泊松分布．因此，在仿真中，只要給定均值，那么每個(gè)數(shù)據(jù)包發(fā)送的時(shí)間間隔就根據(jù)均值產(chǎn)生的服從破松分布的隨機(jī)數(shù)字來確定即可得到背景流量模型．

(2)跟蹤文件背景流量模型

跟蹤文件是指在網(wǎng)絡(luò)實(shí)際運(yùn)行時(shí)，在網(wǎng)絡(luò)的某個(gè)節(jié)點(diǎn)，例如某個(gè)核心路由器的某個(gè)端口添加一個(gè)跟蹤進(jìn)程，對從該端口流入和流出的數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄，得到一個(gè)跟蹤文件．在仿真時(shí)，調(diào)用這一跟蹤文件，并根據(jù)文件的內(nèi)容就可以真實(shí)地還原一段時(shí)間內(nèi)該端口的進(jìn)出流量．

跟蹤文件背景流量模型的核心思想是根據(jù)已知的具體流量信息，將實(shí)際流量原封不動地加入到仿真環(huán)境中．這需要完全了解網(wǎng)絡(luò)流量，但它的效果也是顯著的，幾乎完全地還原了實(shí)際網(wǎng)絡(luò)工作時(shí)的流量狀態(tài)．

對于信號系統(tǒng)安全數(shù)據(jù)玩的背景流量建模，由于CTCS－3級列控系統(tǒng)作為鐵路總公司規(guī)范化的列控系統(tǒng)有公開的技術(shù)規(guī)范和行為準(zhǔn)則供查詢，因此周期性的流量信息可以通過分析安全數(shù)據(jù)網(wǎng)設(shè)備之間通信的協(xié)議得出．綜上可得，跟蹤文件背景流量模型是最適合用于安全數(shù)據(jù)網(wǎng)仿真中使用的背景流量模型．

3 跟蹤流量在安全數(shù)據(jù)網(wǎng)中的應(yīng)用

信號系統(tǒng)安全數(shù)據(jù)網(wǎng)主要由CBI和TCC兩種設(shè)備組成，而根據(jù)CTCS－3級技術(shù)方案，無線閉塞系統(tǒng)(RBC)和臨時(shí)限速服務(wù)器(TSRS)也會掛在安全數(shù)據(jù)網(wǎng)上．

安全數(shù)據(jù)網(wǎng)中，可以認(rèn)為僅有八類數(shù)據(jù)流，當(dāng)設(shè)備安裝到位以后，安全數(shù)據(jù)網(wǎng)承載的所有具體通信業(yè)務(wù)可以唯一的確定，即網(wǎng)絡(luò)上所有的數(shù)據(jù)流的源地址和目的地址都可以預(yù)知．這樣，所有邏輯鏈路確定以后，就需要獲得這些鏈路上數(shù)據(jù)包發(fā)送的時(shí)間間隔及每次發(fā)送的數(shù)據(jù)包大小．以相鄰CBI之間的通信為例進(jìn)行該背景流量模型

CTCS－3應(yīng)用于高速鐵路中，他相應(yīng)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)都是規(guī)范公開的，很容易查到設(shè)備間的通信協(xié)議，根據(jù)通信協(xié)議就可以獲知鏈路上發(fā)送數(shù)據(jù)包的時(shí)間間隔和包大小．下面以CBI和相鄰車站CBI之間的通信為例進(jìn)行簡要介紹．

選擇圖2中的CBI0與CBI1之間的通信為例介紹跟蹤文件背景流量模型在安全數(shù)據(jù)網(wǎng)仿真中的應(yīng)用．CBI與相鄰車站CBI之間傳輸分界線兩邊的設(shè)備信息，包括進(jìn)路內(nèi)物理區(qū)段、信號機(jī)、道岔及保護(hù)區(qū)段狀態(tài)．傳輸介質(zhì)為雙冗余以太網(wǎng)，傳輸層協(xié)議為UDP，幀結(jié)構(gòu)如下表所示．

表1 CBI與CBI之間通信幀格式

在表1中，MASK碼位與具體設(shè)備數(shù)量與類型相關(guān)，一旦現(xiàn)場設(shè)備種類及數(shù)量確定，MASK的長度也就確定，同時(shí)，命令的數(shù)量N也確定．由于圖1．2所示的線路為已知條件，因此，CBI與CBI間通信時(shí)同一個(gè)通信鏈路中數(shù)據(jù)幀大小是已知的．

在CBI與相鄰車站CBI間通信的技術(shù)規(guī)范中明確規(guī)定，CBI與鄰站CBI之間以300ms為周期為周期發(fā)送信息．這樣，數(shù)據(jù)包發(fā)送間隔也已知．

跟蹤文件是指在網(wǎng)絡(luò)實(shí)際運(yùn)行時(shí)，在網(wǎng)絡(luò)的某個(gè)節(jié)點(diǎn)，例如某個(gè)核心路由器的某個(gè)端口添加一個(gè)跟蹤進(jìn)程，對從該端口流入和流出的數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄，得到一個(gè)跟蹤文件．由于鐵路上安全數(shù)據(jù)網(wǎng)是嚴(yán)格按照規(guī)范來進(jìn)行工作的，因此兩個(gè)CBI之間的背景流量信息為已知．因此，我們可以將這一信息直接寫入到CBI0與CBI1所在的Node模塊中相應(yīng)的FSM(有限狀態(tài)機(jī))產(chǎn)生數(shù)據(jù)包，就可以在仿真過程中，得到其真實(shí)的流量狀態(tài)．

圖3 背景流量示意圖

如圖3所示是加入背景流量以后，CBI0到CBI1的平均吞吐量．由于相鄰聯(lián)鎖之間是固定時(shí)間間隔發(fā)送定長數(shù)據(jù)，因此平均流量基本上是恒定的，達(dá)到了預(yù)定目標(biāo)．為了檢驗(yàn)實(shí)際仿真時(shí)背景流量的效果，在CBI0到CBI1之間加入一前景流量(本次試驗(yàn)加入Email服務(wù))，所得的端到端吞吐量如圖4所示，基本上反映了網(wǎng)絡(luò)流量的周期性和自相似性．

圖4 加入郵件服務(wù)的端到端吞吐量

綜上所述，CBI與相鄰CBI之間的通信業(yè)務(wù)簇及其數(shù)據(jù)包發(fā)送間隔、數(shù)據(jù)包大小均已知，將這些信息寫入跟蹤文件，仿真時(shí)按照文件逐條調(diào)度就可以得到具體某一時(shí)刻的流量狀態(tài)．

4 結(jié)論

信號安全數(shù)據(jù)網(wǎng)是CTCS－3級列控系統(tǒng)的重要組成部分，是CTCS－3級列控系統(tǒng)中地面系統(tǒng)的神經(jīng)中樞．通過以上分析，可以看出跟蹤文件背景流量模型能夠真實(shí)的反映某個(gè)具體時(shí)刻的流量狀態(tài)，作為網(wǎng)絡(luò)仿真的背景流量時(shí)對仿真分析結(jié)果的可信度提供了一個(gè)有力的支撐，而安全數(shù)據(jù)網(wǎng)承載的通信業(yè)務(wù)足夠支持這一背景流量模型的使用．因此選擇跟蹤文件背景流量模型作為客運(yùn)專線信號系統(tǒng)安全數(shù)據(jù)網(wǎng)在網(wǎng)絡(luò)仿真中使用的背景流量模型能夠真實(shí)的還原網(wǎng)絡(luò)工作時(shí)的流量狀態(tài)，保證了加入前景模型后仿真結(jié)果的可信性，對信號安全數(shù)據(jù)網(wǎng)的可靠性的研究提供了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)．

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