牛 強(qiáng)，徐中偉

(同濟(jì)大學(xué)信息與通信工程系，上海201804)

0 引 言

根據(jù)《CTCS－3 級(jí)列控系統(tǒng)總體技術(shù)方案》要求，在采用CTCS－3 級(jí)列車控制系統(tǒng)的高速鐵路中需建設(shè)信號(hào)安全數(shù)據(jù)網(wǎng)，為無線閉塞中心(RBC)、計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖(CBI)、臨時(shí)限速服務(wù)器(TSRS)之間的信息傳送提供安全數(shù)據(jù)通道［1］.這些設(shè)備之間交換的數(shù)據(jù)對(duì)于列車的控制極其重要，因此要求客運(yùn)專線安全數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)必須要具有很高的可靠性，網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸中的任何差錯(cuò)都有可能帶來災(zāi)難性的后果.

但是由于列車運(yùn)行線路不斷延長(zhǎng)，運(yùn)營(yíng)的密度越來越大，網(wǎng)絡(luò)的規(guī)模不斷地?cái)U(kuò)大，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)的負(fù)載不斷增大，數(shù)據(jù)在傳輸過程中可能存在網(wǎng)絡(luò)阻塞、延時(shí)、丟包等現(xiàn)象，我們需要根據(jù)這些新的狀況來評(píng)估客運(yùn)專線安全數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)的可靠性.對(duì)安全數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)的可靠性研究離不開對(duì)網(wǎng)絡(luò)中故障的研究，為了解決上述提出的問題，需要研究一種對(duì)客運(yùn)專線安全數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)中故障進(jìn)行分類和建模的方法.

本研究工作的目標(biāo)是:采用分層的方法，以客運(yùn)專線安全數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)作為研究對(duì)象，提出一種能夠?qū)⒃摼W(wǎng)中的故障清晰分類的體系結(jié)構(gòu).在確定劃分故障體系結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上運(yùn)用OPNET 軟件對(duì)客運(yùn)專線安全數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行故障建模.

1 安全數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)故障分類

國(guó)內(nèi)關(guān)于客運(yùn)專線安全數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)故障分類與建模的研究寥寥無幾，而且只是針對(duì)該網(wǎng)絡(luò)中出現(xiàn)的特定故障，并沒有對(duì)故障進(jìn)行系統(tǒng)地分類，這種只考慮點(diǎn)沒有考慮面的研究很不透徹.如文獻(xiàn)［2］中，作者只是考慮了基層環(huán)網(wǎng)的連通性問題，中繼器硬件故障，交換機(jī)硬件故障和過載，網(wǎng)絡(luò)中VRRP 協(xié)議失效等故障，并沒有全面地對(duì)故障進(jìn)行介紹.本文將使用三層故障體系模型對(duì)客運(yùn)專線安全數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)中的故障進(jìn)行分類，這三層分別為:網(wǎng)絡(luò)構(gòu)件功能故障，網(wǎng)絡(luò)構(gòu)件性能故障，網(wǎng)絡(luò)過程性故障.

1.1 安全數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)件功能故障

客運(yùn)專線信號(hào)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］，網(wǎng)絡(luò)使用光纖作為鏈路來構(gòu)成冗余雙環(huán)網(wǎng)絡(luò).安全數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)中的這些物理設(shè)備和光纖構(gòu)成了網(wǎng)絡(luò)的物理拓?fù)?，他們是網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ).一旦這些物理設(shè)備或者光纖不能正常工作，那么很可能造成安全數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)不能正常地進(jìn)行信息傳輸.安全數(shù)據(jù)網(wǎng)構(gòu)件功能故障就是指網(wǎng)絡(luò)中的這些物理設(shè)備和光纖在規(guī)定時(shí)間內(nèi)不能正常工作的故障，這些故障導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)的連接受到影響，可能影響數(shù)據(jù)的正常傳輸.安全數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)在這一層的主要故障有:工業(yè)交換機(jī)，中繼器的軟件或者硬件故障，光纖斷路故障.

1.2 安全數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)件性能故障

安全數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)中的工業(yè)交換機(jī)、中繼器等設(shè)備并不是只要接入到網(wǎng)絡(luò)中就能正常工作并使得網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)目標(biāo)功能，這些設(shè)備需要進(jìn)行相應(yīng)的配置.比如:網(wǎng)絡(luò)中的工業(yè)交換機(jī)需要指定吞吐量，緩存大小和交換能力，而且還需要配置相應(yīng)的協(xié)議如通信協(xié)議、環(huán)網(wǎng)冗余協(xié)議、路由協(xié)議等.安全數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)件性能故障是指在網(wǎng)絡(luò)構(gòu)件功能正常的情況下，由于網(wǎng)絡(luò)中設(shè)備配置不當(dāng)而導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)性能達(dá)不到要求的故障.在這一層重點(diǎn)考慮的是網(wǎng)絡(luò)的配置能不能支持網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)正常地傳輸，網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)的延時(shí)，丟包，誤碼等能不能夠達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范要求，因此節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳輸能力和吞吐量是重點(diǎn)要考察的指標(biāo).安全數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)在這一層的主要故障有:交換機(jī)轉(zhuǎn)發(fā)能力不足，吞吐量不夠以及緩存太小.

圖1 具有子網(wǎng)的信號(hào)系統(tǒng)安全數(shù)據(jù)網(wǎng)

1.3 安全數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)過程性故障

客運(yùn)專線信號(hào)系統(tǒng)安全數(shù)據(jù)網(wǎng)要求為以下設(shè)備之間提供安全可靠地信息傳輸:TCC 與TCC，TCC 與CBI，TSRS 與RBC，TSRS 與TCC，TSRS 與TSRS，RBC 與CBI，CBI 與CBI，RBC 與RBC.安全數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)過程性故障是指在網(wǎng)絡(luò)構(gòu)件性能與網(wǎng)絡(luò)構(gòu)件功能正常的基礎(chǔ)上，由于網(wǎng)絡(luò)中業(yè)務(wù)配置、業(yè)務(wù)部署、業(yè)務(wù)檔案部署或者使用策略不當(dāng)造成網(wǎng)絡(luò)不能為以上設(shè)備之間提供安全可靠通信的故障.這種故障并不是由某個(gè)特定的網(wǎng)絡(luò)構(gòu)件引起的，而是整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中多個(gè)物理設(shè)備之間的通信機(jī)制配置不合理而造成的.安全數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)中主要的過程性故障有兩類:1、網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行機(jī)制故障.如傳輸協(xié)議、擁塞控制策略、路由協(xié)議不合理.2、業(yè)務(wù)配置不合理.安全數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)在這一層的主要故障為設(shè)備之間業(yè)務(wù)配置不合理.

根據(jù)客專安全數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)中故障的分布層次提出了三層故障體系，即安全數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)件功能故障，構(gòu)件性能故障和過程性故障.這種分類方法清晰地將該網(wǎng)中的故障按照分布層次進(jìn)行分類，解決了以前故障分類混亂、不系統(tǒng)等問題，為下文中的故障建模奠定基礎(chǔ).

2 安全數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)故障建模

上面討論過了使用三層故障體系對(duì)安全數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)故障進(jìn)行分類，接下來將進(jìn)一步地借助OPNET 軟件對(duì)故障模型的每一層進(jìn)行故障仿真建模.

2.1 安全數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)件功能故障的建模

網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)設(shè)備故障可以分為硬件故障和軟件故障，其中硬件故障是不可以恢復(fù)的，或者說是永久故障，而軟件故障是可以恢復(fù)的，也叫做臨時(shí)故障［4］.相比之下，網(wǎng)絡(luò)中的鏈路故障就只有硬件故障一種情形，是永久故障.網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)設(shè)備和鏈路，不論他們發(fā)生什么形式的故障，這些故障對(duì)于網(wǎng)絡(luò)的影響都是相同的:造成網(wǎng)絡(luò)臨時(shí)或者永久地連接中斷.所以可以認(rèn)為網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)設(shè)備和鏈路都只有兩種狀態(tài):ON 和OFF.因此在對(duì)安全數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)件功能故障仿真建模時(shí)，只需要將網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)設(shè)備或者鏈路進(jìn)行永久或者臨時(shí)地失效.

圖2 交換機(jī)軟件故障仿真建模

OPNET 軟件提供了Failure－Recovery 模塊來控制網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點(diǎn)設(shè)備和鏈路的ON、OFF 狀態(tài)，該模塊提供了Fail 和Recover 來對(duì)應(yīng)節(jié)點(diǎn)和鏈路的OFF 和ON 狀態(tài).通過設(shè)置該模塊的屬性可以使網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)和鏈路在仿真階段的任意時(shí)刻Fail，也可以使該設(shè)備在Fail 之后的任意時(shí)刻Recover［5］.圖1 是一個(gè)具有子網(wǎng)的客運(yùn)專線安全數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，可以通過設(shè)置Failure－Recovery 模塊的屬性來仿真網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)備和鏈路的故障.例如可以設(shè)置三層路由器軟件故障，假設(shè)三層路由器Layer 3 Switch3 在仿真開始1000s 時(shí)開始故障，故障1000s 后恢復(fù).關(guān)于Failure－Recovery模塊的屬性設(shè)置見圖2.

圖3 路由器軟件故障仿真結(jié)果

在仿真中設(shè)置該節(jié)點(diǎn)在仿真開始后的1000s時(shí)發(fā)生故障，故障1000s 后節(jié)點(diǎn)恢復(fù)正常工作.為了驗(yàn)證故障設(shè)置效果，收集了該節(jié)點(diǎn)的流量接收(Traffic Received)和流量轉(zhuǎn)發(fā)(Traffic Forwarded)兩個(gè)統(tǒng)計(jì)量，統(tǒng)計(jì)量隨時(shí)間變化的示意圖見圖3.圖中橫坐標(biāo)為仿真時(shí)間(s)，縱坐標(biāo)三層路由器Layer 3 Switch3 的接收流量速率和發(fā)送流量速率.可以看出，當(dāng)此交換機(jī)正常工作時(shí)，接收和轉(zhuǎn)發(fā)的速率約為82packets/sec.當(dāng)仿真進(jìn)行到1000s 時(shí)，接收和轉(zhuǎn)發(fā)速率都變?yōu)?，這表明節(jié)點(diǎn)按照設(shè)計(jì)發(fā)生了故障;當(dāng)仿真進(jìn)行到2000s 時(shí)，節(jié)點(diǎn)又重新進(jìn)行正常的數(shù)據(jù)接收和轉(zhuǎn)發(fā)，表明交換機(jī)的故障恢復(fù)了.

2.2 安全數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)件性能故障的建模

安全數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)件性能故障是相對(duì)于網(wǎng)絡(luò)中的流量而言的，如果網(wǎng)絡(luò)中的流量固定而設(shè)備的性能太小不能夠支持流量的傳輸要求時(shí)就會(huì)產(chǎn)生構(gòu)件性能故障.在前面對(duì)安全數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建性能故障總結(jié)中指出這一層的主要故障為交換機(jī)的轉(zhuǎn)發(fā)能力不足，吞吐量不夠以及緩存太小.OPNET 軟件中提供了很多網(wǎng)絡(luò)設(shè)備制造商的多種類型的設(shè)備，如3Com，HP，Cisco.根據(jù)《客運(yùn)專線信號(hào)系統(tǒng)安全數(shù)據(jù)網(wǎng)技術(shù)規(guī)范》中對(duì)三層交換機(jī)設(shè)備的性能要求，我們從OPNET 中選擇了CS_5000_3s_e24_fe2_fe12_adv 來仿真三層交換機(jī)

可以通過設(shè)置Bridge Parameters－ ＞Packet Service Rate(packets/second)屬性值來設(shè)置三層交換機(jī)的數(shù)據(jù)交換速率，見圖4.交換機(jī)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)速率可以通過Datagram Forwarding Rate 屬性值來設(shè)置;交換機(jī)的內(nèi)存大小可以通過Memory Size 屬性值來進(jìn)行設(shè)置.

圖4 三層交換機(jī)構(gòu)件功能故障仿真建模

在仿真中設(shè)置了三層交換機(jī)的數(shù)據(jù)交換速率為5000packets/sec，而通過此三層交換機(jī)的流量為10000packets/sec，收集全局變量中的端對(duì)端統(tǒng)計(jì)延時(shí)，結(jié)果見圖5.圖中橫坐標(biāo)是仿真時(shí)間，縱坐標(biāo)為整網(wǎng)端對(duì)端統(tǒng)計(jì)延時(shí)，由圖可見，通過交換機(jī)的流量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于此交換機(jī)的處理能力，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)中的端對(duì)端統(tǒng)計(jì)延時(shí)不斷攀升.

圖5 端對(duì)端延時(shí)示意圖

2.3 安全數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)過程性故障的建模

前面指出過安全數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)的過程性故障主要為設(shè)備之間業(yè)務(wù)配置不合理.在OPNET 軟件中對(duì)業(yè)進(jìn)行設(shè)計(jì)與配置一般涉及到三個(gè)模塊:TASK、APPLICATION 和PROFILE［6］，如圖6 所示.網(wǎng)絡(luò)中會(huì)提供很多的服務(wù)(service)，把這些服務(wù)進(jìn)行組合可以構(gòu)成我們想要的業(yè)務(wù)(Application)，在兩個(gè)設(shè)備之間的業(yè)務(wù)一般都不止一種，這時(shí)候可以將這些需要的業(yè)務(wù)組合起來形成業(yè)務(wù)應(yīng)用使用剖面.下面介紹一下如何使用這三個(gè)模塊對(duì)過程性故障進(jìn)行仿真建模.

圖6 業(yè)務(wù)設(shè)計(jì)與配置所需要的模塊

OPNET 中提供了8 個(gè)常見的網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù):Database Access，Email，F(xiàn)ile Transfer，F(xiàn)ile Print，Telnet Session，Video Conferencing，Voice over IP Call 和Web Browsing.對(duì)于其他類型的業(yè)務(wù)，OPNET 則為用戶提供了TASK 模塊使得用戶可以自己設(shè)計(jì)，包括設(shè)置業(yè)務(wù)的名稱，業(yè)務(wù)中每一個(gè)階段的名稱，階段的開始時(shí)間，業(yè)務(wù)源端和目的端，源端到目的端的流量大小和目的端到源端的流量大小.在流量大小的設(shè)置中，可以對(duì)請(qǐng)求次數(shù)、請(qǐng)求間隔、數(shù)據(jù)包大小等進(jìn)行設(shè)置，具體見圖7.

圖7 自定義業(yè)務(wù)設(shè)置流程

Application 模塊可以定義安全數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)中使用的業(yè)務(wù)集合，這些業(yè)務(wù)來自網(wǎng)絡(luò)提供的8 種業(yè)務(wù)與用戶使用Task 模塊定義的業(yè)務(wù).不僅如此，該模塊還可以定義業(yè)務(wù)使用的傳輸協(xié)議、使用的端口與業(yè)務(wù)等級(jí)等，具體見圖8.

Profile 模塊可以將Application 模塊中的業(yè)務(wù)組合起來形成業(yè)務(wù)應(yīng)用使用剖面，稱作服務(wù).在該模塊中可以定義不同的服務(wù)和服務(wù)所包含的業(yè)務(wù)，包括定義業(yè)務(wù)種類，業(yè)務(wù)開始的時(shí)間，持續(xù)時(shí)間以及重復(fù)次數(shù)，具體見圖9.

圖8 Application 模塊設(shè)置流程

圖9 Profile 模塊設(shè)置流程

3 結(jié) 語(yǔ)

客運(yùn)專線安全數(shù)據(jù)網(wǎng)是一個(gè)安全苛求的網(wǎng)絡(luò)，故障模型研究對(duì)該網(wǎng)絡(luò)可靠性研究有重要意義.本文在總結(jié)了關(guān)于網(wǎng)絡(luò)故障的基礎(chǔ)上，使用OPNET軟件為客專安全數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)建立了三層故障模型，包括對(duì)構(gòu)件功能層的建模，構(gòu)件性能層的建模以及過程性故障的建模，解決了當(dāng)然對(duì)客專網(wǎng)絡(luò)故障分類不系統(tǒng)的問題，為研究客專安全數(shù)據(jù)網(wǎng)可靠性奠定了基礎(chǔ).

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