（交通信息工程及控制专业论文）分散自律调度集中的网络通信系统的研究与实现.pdf

摘要 y 8 7 9 19 1 摘要 目前，调度集中系统在我国已经进入了一个新的发展阶段，为了赶上 世界铁路运输自动化水平，在铁道部的牵头下，我国正在大力发展新一代 分散自律调度集中系统( 简称c t c 系统) 。c t c 系统是综合了计算机技术、网 络通信技术和现代控制技术，采用智能化分散自律设计原则，以列车运行 调整计划控制为中心，兼顾列车与调车作业的高度自动化调度指挥系统。 网络通信在c t c 系统中占有举足轻重的作用。由于c t c 系统用于铁路运 输调度指挥，要求在调度中心和车站之间传输的信息都能在很短的时间内 正确无误地传送，如紧急关闭信号命令等必须是准确无误、即送即达，否 则会严重影响c t c 系统的可用性。所以，c t c 系统要求网络通信必须具备非 常高的可靠性和实时性。 国内已研制的c t c 系统均采用t c p 协议进行网络通信，由于t c p 协议是 基于连接的，所以应用于c s 模式时，在客户端增多的情况下，不能完全 保证通信的实时性。本文针对t c p 协议的这一缺点，提出了一种能很好地 满足c t c 系统的高实时性和高可靠性要求的网络通信解决方案：用u d p 协议 以i p 单播和组播并用的方式实现c s 模式的双网通信。其中重点研究了基 于u d p 协议的可靠数据传输技术，分别对单播和组播模式下数据传输的差 错检测方法和差错恢复方法进行了详细的研究，在此基础上提出了c t c 系 统的网络通信子系统采用的差错控制方案、双网通信方案和连接维护方 案；最后给出了服务器和客户端的软件结构以及各个算法的实现流程图并 且用v c + + 6 0 编程实现了本文提出的网络通信方案。通过实验验证，该方 案的确能够很好的满足c t c 系统对网络通信高实时性和高可靠性的要求， 具有一定的理论和实用价值。 关键词：调度集中系统；网络通信；u d p 协议；i p 组播；实时性 一楚! ! 垡! a b s t r a c t a t p r e s e n t ，c e n t r 扭l i z e dt r a f f i c e o n t r o l8 y s t 锄h a sa l r e a d v e n t e r e do n en e wd e v e l o p m e n tp h a s ei no u rc o u n 屯r y i no r d e rt oc a t c h u pw i t ht h et r a n s p o r t a t i o na u t o m a t i o nl e v e lo fw o r l dr a i l w a y ，u n d e r l e a do fr a i 王w a y 靖i n i s t r y ，o u rc o u n t r yi si n t e n s 主v e l yd e v e 王o p i n gt h e n e wg e n e r a t i o nd e c e n t r a l i z e da n da u t o n o i 0 u sc e n t r a l i z e dt r a f f i c e o f l t r o 王s y s t e 接( 主sc a 王圭e de 髓s y s t e 神。秘e 醴cs y s t 醐i sah 主馥 a u t o 翔日t e dd i 8 p a t c hc o n t r o l s y s t e mo fs y n t h e 8 i z i n gt h ec o m p u t e r t e e 舞n o l 。g y 、 t h e 嚣e t 鬻o r ke o 臻燃辩主e a t i o n t e e h n o 至o g ya 珏dt 魏el l l o d e r 魏 c o n t r 0 1 t e c h n 0 1 0 9 y ，a d o p t i n gt h ed e c e n t r a l i z e da n da u t o n o m o u s d e s i g n弦i n e i 王ew i 毛h i n t e 王l i g e n t i 茹i f 塔，t a k i n g专h ec o n t r o lo f r u n n i n ga d j u s t m e n tp l a nw i t ht r a i na 8t h ec e n t e ra n dg i v i n gd u a l a t t e n t i 锄t ot 翔主丑a n ( 1t h e 黼z 盘o fs 颤珏n t i n g + n e t w o r kc o 翔删n i c a t i o np e r f o r m sap i v o t a lf u n c t i o ni nt h ec t c s y s t e m e 沁c 8 u s et h e 嬲s y s t e mi su s e di nt h ed i s p a t c ha n dc o n t r o 王 o fr a il w a yt r a n s p o r t a t i o n ，i tr e q u e s t 8t h ea l li n f o r m a t i o nw h i c h t r a n s m i 屯sb e t w e e nt h ed i s p a t c hc e n t e ra n dt h es t a t i o ni sa b l et o b ec o r r e c t l yt r a n s m i t t e di nt h ev e r ys b o r tt i m e f c l re x a m p l e ，t h e c o m n l a n do fu r g e n tc l o s u r es i g n a la n ds oo n 瑚u s tb ea c c u r a t ea n d t 主戳王y o t h e 辩i s e ，馥e娃s 曲i l i t yo fg l s 邓t 蝴e a nb es e r i d 驻s l v a f f e c t e d t h e r e f o r e ，t h e ( x c8 y s t e mr e q u e s tn e t w o r kc o m f i i u n i c a t i o n 罐鞋s 乏h 8 v e 专泰ee x t r e 糯e 王y 魏i g 魏r e 鑫王一t 蠢l l e1 ) r o p e r t ya n dr e 王主鑫b 主l i t y 。 t h ec t cs y s t e mt h a to u rc o u n t r yh a sd e v e l o p e da l la d o p t st c p 秘e 乏w o r k e o 臻撞鞋j 珏i e a t i o 魏1 ) r o 专o e 0 1 强pp r o t o e o 圭主8b a s e do nt h e c o n n e c t i o n ，t h e r e f o r er e a l t i m ep r o p e r t yo fc o m m u n i c a t i o nc a nn o t 讯 北京交通大学硕士学位论文 b ec o 】p l e t e l yg u a r a n t e e dw h e nt h ec l i e n tk e e pi n c r e a s i n gi nt h ec s p a t t e r n i nv i e w o ft h es h o r t c o m i n go ft c pp r o t o c 0 1 ，t h i sa r t i c l e p u t s f o r w a r do n ek i n dn e t w o r kc o m 叫n i c a t i o ns o l u t i o np l a n r e a l i z i n gd o u b l e n e t w o r kc o 咖u n i c a t i o nu n d e rt h ec sp a t t e r nw i t h u d pp r o t o c 0 1w h i c ha d o p t st h ed a t at r a n s m i s s i o nm a n n e ro fi pu n i c a s t a n di pm u l t i c a s t 一一w h i c hc a nw e l lm e e tt h er e q u e s to fh i g hr e a l 一t i m e p r o p e r t ya n dh i g hr e l i a b i l n yi nc t cs y s t e n lt h ea r t i c l es t u d i e d w i t he m p h a s i sr e l i a b l ed a t at r a n s m i s s i o nt e c h n o l o g yw h i c hi sb a s e d o nt h eu d pd r o t o c 0 1 a n dt h ei s t a k e e x a m i n em e t h o da n dt h e m i s t a k e r e s t o r em e t h o do fd a t at r a n s m i s s i o ns e p a r a t e l yu n d e rt h e u n i c a s ta n d 咖l t i c a s td a t t e r na r es t u d i e di nd e t a i l o nt h eb a s i s o ft h i s ，t h ea r t i c l ep r o p o s e sm i s t a k ec o n t r o lp l a n ，d o u b l e n e t w o r k c o i 凸删n i c a t i o np l a na n dc o n n e c ti o nm a i n t e n a n c ep l a 咀，w h i c ha r eu s e d i nt h en e t w o r kc o 衄u n i c a t i o ns u b s y s t 鲫o fc t cs y s t e m f i n a l l y ，t h e a r t i c l ed r o d u c e st h es o f t 怕r es t r u c t u r eo fs e r v e ra n dc 1i e n ta n d t h er e a l i z a t i o nf l o wc h a r to fe a c ha l g o r i t h m ，a n dr e a l i z e st h e n e t w o r kc 伽m u n i c a t i o np l a nw h i c ht h ea r t i c l eh a sp r o p o s e db y p r o g r 锄i n gw i t hv c 抖6 o v a l i d a t e db yt h ee x p e r i e n t ，t h i sp l a n i n d e e dc a nw e l lm e e tt h er e q u e s to fh i g hr e a l t i m ep r o p e r t ya n dh i g h r e l i a b i l i t yo fn e t w o r kc o 删n i c a t i o ni nt h ec t cs y s t e m ，a n dh a s c e r t a i nt h e o r ya n dp r a c t i c a lv a l u e k e yw o r d s ：c t c ；n e t w o r kc o 咖u n i c a t i o n ：u d pp r o t o c o l ；i pm u l t i c a s t ； r e a l t i m ep r o p e r t y 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 调度集中系统的发展背景和研究现状 调度集中是调度中心( 调度员) 对管辖区段范围内的信号设备进行集 中控制，对列车运行直接指挥、管理的技术装备。调度集中系统的优点主 要体现在：提高运输效率，提高行车安全水平，改善行车方法，节省人力， 提高劳动生产率。鉴于此，调度集中一直是各国铁路技术开发的重点。 1 1 1 国外情况 从1 9 2 7 年调度集中系统( c t c ，c e n t r a l i z e dt r a f f i cc o n t r 0 1 ) 第一 次在美国铁路上应用以来，经历了使用继电器、电子管、晶体管、集成电 路、大规模集成电路器件的不同时代。1 9 8 0 年前后随着微型计算机的推 广应用，微机化调度集中开始出现，将系统的监视、控制、数据统计和报 表处理、运行图调整等功能融合到一个系统中。代表性的应用系统有美国 通用铁路信号公司( g r s ，g e n e r a lr a i ls i g n a l ) 的m i c r ot r a f f i cm a s t e r i i 和c e n t r ac o d e ，联合道岔信号公司( u s s ，u n i o ns w i t c h s i g n a l ) 的t r a c k c o 衄a n d e r 和f c e 一5 0 0 ，日本的c t c 一6 和n s 4 b 等，法国、德国、瑞典、意 大利、英国等也有自己的c t c 系统问世并推广应用。 c t c 系统的最新发展的主要特征是，应用微型计算机和通信领域的新 成果，向综合化、自动化和智能化发展，系统的功能越来越强，可靠性越 来越高，界面操作也越来越人性化。系统的功能涵盖了监视、控制、报警、 设备状态监测、决策、运行图管理、列车运行实绩描绘、运行计划调整、 北京交通大学硕士学位论文 晚点预告等，已远远超过了原有传统c t c 的范畴。日本的c o s m o s ( c o m p u t e r s a f e t y ，m a i n t e n a n c ea n d0 p e r a t i o ns y s t e m ，计算机安全的运行和管理 系统) 系统是这一阶段的代表。在国外，由于调度集中系统已经比较成熟 和完善，在高速铁路、客运专线、城市铁路等领域得到了广泛的应用。 1 日本的调度集中系统 早在2 0 世纪7 0 年代日本就开始研究、运用了综合调度系统，并逐步 发展成熟，为世人注目。1 9 7 2 年，日本铁路在山阳新干线投入应用的计 算机辅助综合运行控制系统c o m t r a c 是成功的尝试，是铁路信号技术向综 合化系统发展的重要里程碑。c o 岍r a c 系统把与调度区段和行车有关的大 部分运营业务都实现了集中控制和处理。这套系统有以下六项主要功能： 行车调度；客运调度；机车车辆调度；维修调度；电力调度；信号设备监 控。在c 0 m t r a c 基础上，日本铁路( j r 公司) 又开发了支持新干线运营管 理的新型综合调度集中系统，即计算机化的安全、维护和运营系统c o s m 0 s 、 a t o s ( a u t o n o m o u sd e c e n t r a l i z e dt r a n s p o r t0 p e r a t i o nc o n t r o ls y s t e m ， 自律分散运输操作和控制系统) 运输管理系统和综合指令控制系统。 c o s m o s 系统于1 9 9 5 年在东北和上越新干线投入运营，系统主要由运输计 划、行车控制、维修作业管理、设备管理、电力监控、防灾报警信息集中 监视、车辆管理和站内作业管理等8 个子系统组成，将几乎所有与铁路运 营有关的系统挂接在中央局域网上，使开放运营的铁路系统在信息传输上 形成闭环系统。a t 0 s 系统从1 9 9 7 年开始，先后在东日本中央线、山手等 四条铁路线投入应用。综合指令控制系统于2 0 0 1 年完全投入应用，该系 统实现了对日本j r 九州客运公司7 条的行车指挥运行管理和公司各线路 运行图和维修作业的管理，代替了原来的5 个调度所，系统的规模涉及 3 1 个车站、1 1 4 1 公里运营线和6 6 处控制场所。c o s m o s 、a t o s 和综合指 第1 章绪论 令控制系统的结构大体相同。这些新系统与c o m t r a c 系统相比，己发生了 质的提高和飞跃。日本早期的c t c 和c o m t r a c 系统有自己的数据传输方式， 采用专用的逻辑处理机或计算机，硬件不兼容，软件不能升级。现在的新 系统不仅扩大了管理和控制范围，增加了功能，而且是分散自律型运行管 理系统，采用了最新的计算机技术、光纤网络技术和计算机网络技术。如 c o s m o s ，是由约5 0 0 台计算机构成的广域网自主分散系统，每天在1 0 0 0 多公里铁路线上管理3 0 0 多次列车的运行，投入运营以来取得了年平均晚 点率不到一分钟的佳绩。 2 欧洲的调度集中系统 日本的c o m t r a c 、c o s m o s 等综合运行管理系统的成功应用，使以调度 集中为核心的信号综合系统成为铁路运营管理实现自动化的有力手段。2 0 世纪8 0 一9 0 年代发达国家铁路纷纷发展具有本国特色的综合运行自动化 管理系统，首先在高速铁路应用，如法国t g v 巴黎调度中心和西班牙高速 铁路调度中心。 近年来，综合调度技术正在加速向普通铁路推广应用，德国铁路公司 为优化和有效管理列车运行，决定对全路的行车调度和行车控制实现一元 化( 集中化) 和自动化，按路网公司7 个营业所的管辖范围，建立7 个区域 行车控制中心( b z ) ，管理全路约1 6 0 0 0 公里主要线路的列车运行。行车控 制中心具有四大功能：自动化行车调度；集中式列车自动选路；对行车进 路状态集中监视；行车报告数据自动处理和建档。在行车控制中心还接入 了旅客信息系统r i s 。安装在中心的r i s 系统服务器作为客运数据信息平 台，用于采集行车时刻表数据和最新的列车运行数据和服务信息，向行车 中心控制的各车站动态提供列车正常运行信息和晚点信息。此外，中心还 接入了m a s 一9 0 险情报告系统，后者用于向中心报告热轴、大风、隧道气 北京交通大学硕士学位论文 流和紧急呼叫、塌方、断轨等险情。2 0 0 2 年作为第一阶段工程，德国铁 路的行车调度工作已集中到7 个行车控制中心完成。瑞士和意大利铁路也 制定了并正在实施建立行车控制中心的相应规划。 俄罗斯调度集中占营业里程的2 8 ，调度监督占4 9 ，数据采集和传 输系统占1 9 ，几乎所有主要线路都装设了调度监督和控制设各。在俄罗 斯铁路网中采用的调度集中系统种类繁多，各种系统由不同单位研制。 1 9 9 0 年俄罗斯第一套计算机调度集中在北高加索铁路局投入运用，可控 制对象3 2 0 个，监督对象7 2 9 个；1 9 9 1 年研制出一种可编程元件构成的 调度集中，它可降低造价，缩短施工周期，用于更新原有的各种调度集中， 使用在运输不繁忙的区段；1 9 9 2 年十月铁路局开通了集成式调度集中系 统，可控制3 2 个车站。随后又研制出了以微机程序控制器为基础的新型 调度集中系统，提高了现代自动化水平，该系统能灵活地改变调度区段的 管理范围，并能将调度中心连成地区网；1 9 9 3 年莫斯科铁路局也安装了 计算机综合信息控制型调度集中系统，一个调度区段可控制3 2 个车站。 3 美国的调度集中系统 美国切西滨海铁路( c s x ) 于1 9 8 9 年投入应用的杰克逊控制中心能够 管理3 2 万公里线路，控制1 0 0 0 多次列车的运行。 美国东北走廊的电力和行车调度系统( c e t c ) 包括两个子系统，即调度 集中子系统( c t c ) 和监督控制与数据采集( s c a d a ，s u p e r v i s o r yc o n t r o l a n dd a t aa c q u i s i t i o n ) 子系统。其中c t c 子系统不仅用于控制车站联锁、 列车运行及其它信号设备，还用于监视热轴探测限界，进行列车追踪和识 别等：s c a d a 系统主要用于电力控制，其数据采集部分可以提供断路器工 作状况，变电所数据及各种报警条件：此外，c e t c 系统还将风、雨落物 等监测信息纳入到了c t c 中。 第l 章绪论 1 1 2 国内情况 由于国情不同，每个国家的铁路运输组织模式各不相同。美国铁路采 用货网合一、客货分离的区域性公司模式( 以货运为主) ；日本铁路采用客 网合一、客货分离的区域性公司模式( 以客运为主) ；欧洲的瑞典、英国等 国家的铁路采用客、货、网分离的运输组织模式( 客货混跑) 。由于我国铁 路具有幅员辽阔、客货混跑、调车作业量大等特点，发达国家的调度集中 系统并不适合我国铁路，我们必须开发适合中国国情和路情的调度集中系 统。 1 国内总体情况 我国的调度集中经历了漫长而曲折的过程。自七十年代以来先后自主 研制了d d l 、d d 一2 、d y l 、d 4 、d 5 型调度集中系统。虽然这些系统取得 了一定的成功，但应用效果不明显。其原因是多方面的，就功能而论，它 不具备调车进路远程控制和智能化控制的功能，仍需车站值班员办理调车 进路，无法实现车站的无人化；车站和调度中心还需频繁地交换控制权， 难以适应我国铁路客货混跑、调车作业量大的运输特点。另外，它的智能 化、自动化程度不高，由人工指挥行车，工作负担大、责任重，也影响了 调度集中系统的使用。长期以来，由于车次号的可靠传输、列车运行图的 自动生成和调整、无线数据传输系统等关键技术没被突破，调度集中技术 发展缓慢。 根据铁路运输跨越式发展的需要和科学技术的进步，为了赶上世界铁 路运输自动化水平，铁道部创造性地制定了新一代分散自律调度集中系 统技术条件( 暂行) ，提出了不同于传统调度集中系统的新一代调度集中 系统一分散自律调度集中系统( 简称c t c 系统) 。分散自律调度集中系统 ，嚣囊对予仅传送1 个字苓豹数据包采 说，对底层网络的带宽利用率只有l 2 8 ，丽在实际情况中，分组之间的问 骧秘阙终硬 牛组成赖逐嚣要一些魄特，这魑都会搜上述静这个比篷降褥更 低。 另一方颡，数据包太大也会醛低网络嬲性能。大的数据翅构成了较长 的i p 数据报，这样的数据报在黼u ( 最大传输单元，x i l i 】u m t r a n s f e ru n i t 由网络硬件决定) 较小的网络上传输时，i p 协议必然要把它分成较小的数 据片进行传输，丽i p 协议不畿傈证数据馋输的可黎性，这垡数据片也不 能得到确认或是重传；所有的数据片必须全部正确到达，否则就要重传整 个l p 数据报。因为i p 协议本身豹袋裁，曩失数据片楚概率憨楚不霹邂兔 的，因此数据包的长度的增加达刹一定的阀值以后，就会降低数据包成功 至l 这熬概率，霹降低鬻终豹吞戆攀。 图5 4 数据包封装示意 黠i p v 4 来说，协议本赛定义了一个疑有的实现郄必须支持我最，l 、数 据报大小，其值为5 7 6 字节。不大于这个值的所有数据包都不会被分片， - 7 l 一 j 豪交遥大学硕学位论文 所以本文选寇数据包中数据区的长度为5 7 6 2 0 一8 8 = 5 4 0 字节。其中2 0 字 节为l p 鼗据缀豹蓄部长发，8 字繁必秘p 数据掇静罄部长度，8 字节麓数 据包的首部长度。 2 数据帧格式 数据帧由首部和数据两部分组成，本协议规定数据帧的首部共8 个字 节，出以下几个部分缀成：数据类型字段、通信类型字段、数据包编号掌 段、黼际校验和字段与数据长度字段。具体结构如图5 _ 5 所承。 i 数据类型通信类型数据包编号网际校验和数据长度数据内容 il b y l el b w 重2 b y t e2 b y l e2 b e5 犄b y l 鼍 图5 5 数据帧的格式 数据类羹字段国磁符) 用来表示本数赫包传送懿数据类型，可隘怒控 制信息或是数据，取值为1 表示为数据； 逶信类羹字段( 8 魄特) 爱寒表示本数懿包采用翡数据黉输方式，取值 为o 表示组播方式，取慎为l 表示单播方式； 羧据包编号字爱( 1 6 魄褥) 矮蓉表示本数据篷豹编号，臻来稼谖每令数 据包，方便接收者进行羧错检测，以及请求发送者熏传指定编号的数据包。 霹戳标识熬数攥逸个数为磐6 = 6 器5 3 6 令，每个数据斑霹以转送数据5 4 0 字 节，蒯每次最大可以传输的数据长度为：6 5 5 3 6 5 4 0 = 3 5 3 8 9 4 4 0 字节 3 2 瓣： 网际校验和字段( 1 6 院特) 存放着本数据包的校验和结果，校验的范围 包括酋部和数攥这两个部分； 数据长度字段( 1 6 眈特) 用来寝示本数据包内琶禽数据的长度，单使为 字节，数据包最大长度为5 4 0 字节，长度小于5 4 0 字节的数据包就是本次数 据传输中的最赢一个数据包。 第5 章c t c 系统的网络通信软件结构、算法利实现 5 3 2n a k 否定帧 n a k 否定帧就是为了告诉发送者，接收者没有正确接收到某个指定的 数据包，请求发送者把指定的数据包进行重传。所以一个n a i ( 否定帧包含 的内容应该有：其一是数据类型，让发送者能够识别出这是一个n a k 否定 帧；其二是通信类型，让发送者能够知道出现差错的数据是以单播还是组 播方式发送的；其三是指定一个数据包的编号，让发送者知道应该重传哪 一个数据包。 本协议采用与数据帧相同的格式来表示n a k 否定帧，可以避免信息处 理上的复杂情况。n a k 否定帧的具体格式如图5 6 所示。 n a k 否定帧共有4 个字节( 3 2 比特) ，其中第1 个字节( 8 比特) 是数据类 型，取值为2 表示为n a k 否定帧；第2 个字节( 8 比特) 是通信类型，取值为o 表示组播方式，取值为l 表示单播方式；数据包编号占后2 个字节( 1 6 比特) ， 表示请求发送方重传的数据包编号。 数据类型通信类型数据包编号 1 b y l e1 b y t e 2 b y l e 5 3 3a c k 确认帧 图5 _ 6n a k 否认帧格式 由第四章介绍可知：为了解决n a k 算法中的缓存区问题和数据包正确 接收问题，本系统在差错控制方案中引入了a c k 确认信息，接收者需要对 发送者发送的一批数据( 滑动窗口数目的数据包) 反馈一个a c k 肯定确认信 息来表示该批数据已经被正确接收，这样就能够避免传统n a k 算法的以上 两个问题。 7 1 北京交通大学硕士学位论文 a c k 确认帧应该包含的内容与n a k 否定帧的内容相似，也应该由三个 部分组成，其一是数据类型，让发送者能够识别出这是一个a c k 确认帧； 其二是通信类型，让发送者能够知道a c k 确认的数据是以单播还是组播方 式发送的：其三是指定一个数据包的编号，让发送者知道该数据包及其以 前的数据包己经被正确接收了。所以，采用与n a i ( 否定帧相同的格式，共 有4 个字节( 3 2 比特) ，其中第1 个字节( 8 比特) 是数据类型，取值为3 表 示为a c k 确认帧；第2 个字节( 8 比特) 是通信类型，取值为0 表示组播方 式，取值为1 表示单播方式；数据包编号占后2 个字节( 1 6 比特) ，表示 接收方在此之前已经正确接收的一批数据中最后一个数据包编号。具体格 式如图5 7 所示。 数据类型通信类型数据包编号 1 b y l e1 b y i e2 b m 5 3 4 心跳帧 图5 7a c k 确认帧格式 如第四章“c t c 系统的网络通信连接维护方案设计”一节介绍，“心 跳帧”和下面介绍的“心跳反馈帧”都是为了维护服务器和客户端之间的 连接而在它们之间互相发送的信息。 同样，为了避免信息处理上的复杂情况，本协议采用与数据帧相同的 格式来表示心跳帧。心跳帧的具体格式如图5 8 所示。第1 个字节( 8 比 特) 是数据类型，取值为4 表示为心跳帧；第2 个字节( 8 比特) 是通信类 型，取值为0 表示该心跳帧以组播方式发送，取值为1 表示该心跳帧以单 播方式发送；第3 、4 个字节( 1 6 比特) 是帧长度，表示心跳帧数据所占的 长度，单位为字节；最后是心跳帧的数据内容，本协议规定心跳帧用 ”# $ h e a r t t e s t # $ ”表示。 一7 4 第5 章c t c 系统的网络通信软件结构、算法和实现 数据类型通信类型帧长度 帧内容 1 b y t e1 b y l e 2 b y l e”撑$ h e a r t t e s 件$ ” 5 3 5 心跳反馈帧 图5 8 心跳帧格式 心跳反馈帧的具体格式如图5 9 所示。第1 个字节( 8 比特) 是数据类 型，取值为5 表示为心跳反馈帧；第2 个字节( 8 比特) 是通信类型，取值 为0 表示该心跳反馈帧以组播方式发送，取值为l 表示该心跳反馈帧以单 播方式发送；第3 、4 个字节( 1 6 比特) 是帧长度，表示心跳反馈帧数据所 占的长度，单位为字节；最后是心跳反馈帧的数据内容，本协议规定心跳 反馈帧用”# $ h e a r t t e s t b a c k # $ ”表示。 l数据类型通信类型帧长度帧内容 il b e1 b e 2 b y l e”撑$ h e a n t e s t b a c k 榔” 图5 9 心跳反馈帧格式 5 4 服务器的软件结构设计 服务器的软件结构设计如图5 1 0 所示，在服务器端程序中，定义一个 s o c k e t p a c k 结构体，其成员是通信时用到的各个变量，每个客户端以及各 个组播组的组播地址都分别对应一个该结构体的对象。服务器发送数据 时，首先选择和目的地址对应的s o c k e t p a c k 结构体对象，然后调用发送函 数就可以发送数据，其中用到的相关变量都是特定的和目的地址对应的 s o c k e t p a c k 对象的成员。发送数据的类型包括：数据帧、a c k 帧、n a k 帧、 心跳帧。接收线程通过检查数据的源地址找到与其对应的s o c k e t p a c k 结构 一7 1 ) a 以2 字节( 1 6 比特) 为单位，依次求和卓 零e 撙p s “弦+ = 宰t e 珏攀鬻o r 玉； l e n l e f t = 2 ： 7 8 第5 章c t c 系统的网络通信软件结构、算法和实现 ) i f ( l e n l e f t = = 1 ) 丰如果最后剩单个字节 丰( u n s i g n e dc h a r ：l = ) ( r e t u r n c h e c k s u m ) = 爿：( u n s i g n e dc h a r 丰) t e m p w o r d ； t e m p s u m + = r e t u r n c h e c k s u m ； 序把所求得的1 6 位之和取反，即为网际校验和丰 t e m p s u m =( t e m p s u m 1 6 )十( t e m p s u m 0 x f f f f ) ； t e m p s u m + = ( t e m p s u m 1 6 ) ； r e t u r n c h e c k s u i i 】二t e m p s u m ： r e t u r n ( r e t u r n c h e c k s u m ) ； 5 7 数据包发送算法 由第四章c t c 系统的网络通信差错控制方案设计”一节介绍可知：c t c 系统的网络通信在单播和组播方式下的差错控制方案不完全相同。因此， 在这两种方式下的数据包发送算法也不完全相同，下面将分别介绍它们各 自的数据包发送算法并且给出其实现流程图。 5 7 1 单播方式下的数据包发送算法 单播方式下详细的数据包发送算法请参见4 3 1 节，其实现流程图如 北京交通大学硕士学位论文 图5 1 2 所示。 ，一 封装数据包、 f 飞商徊耵习 l 笠堡鳖蝗基堡鱼垦：| ，：! 一，! ，! ：，一 收到a c k 收到n a k 超时没有消息i l一 匿麴匦垂囹| n a k 指定的数据 i 一一i 否 亟 是 王 ( 数据传输结束) 图5 1 2 单播数据包发送流程图 5 7 2 组播方式下的数据包发送算法 组播方式下详细的数据包发送算法请参见4 3 2 节，其实现流程图如 图5 1 3 所示。 - 8 0 - 第5 章c t c 系统的网络通信软件结构、算法和实现 否 一、 i 封装数据包- 、一， 广l 放入发送缓存区i j r _ j 睦! 塑壁塑i _ _ o 一 l 设置计时器，开始计时i l j f ，。j l ，一一一 i 篝箨攮收反馈信息引 l 。_ j ，! ：一! 一 1 超时投有消息| 收到h a k c 否是- 事 否厂一l d 处理下一批数据| 1 一 图5 一1 3 组播数据包发送流程图 5 8 差错检测算法 厂趸爱褒翮蚕f n a 瞵定的数据 同样由第四章“c t c 系统的网络通信差错控制方案设计”一节介绍也 可知：c t c 系统的网络通信在单播和组播方式下的差错检测算法也不完全 相同。下面将分别介绍它们各自的差错检测算法并且给出其实现流程图。 岁 多盒上堂鑫 l e 京交邋大学硬士学位论文 5 8 1 单播方式下的差错检测算法 单播方式下详细的差错检测算法请参见4 3 。1 节，其实现流程图如图 5 1 4 所示。 设鬣诗对器 等穗接霾数据广 一 。 。，督颟；赫藕。 巡罂塑爹 是 否 香章 是 ，7 是 广_ | 数据觑期望编号加l l 1 _ 一一j 唾乏多霉k 圣多 是是 否 。 胬5 一1 4 荸撩麓睡检涮葵法涟程图 5 。8 。2 组播方式下的差错检测算法 缝播方式下详细酶差错检测算法请参觅4 3 2 带，其实璐流程国翔鼙 第5 章c t c 系统的网络通信软件结构、算法和实现 5 一1 5 所示。 ，7 设置计时器、。 等特接收数据 耍 逛氅箩一一一 否 是 一- - - - - - - - - - - - - - - - - - ：，：- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 一 ，向发送方发送最后一个包的a c k 信息，、 、 数据传输结束 否 否 i | 数据包期望编号加1 i 一 l 向发送方发送a c k 信息| i 一 图5 1 5 组播差错检测算法流程图 5 8 3 组播环境下的反馈抑制算法 由前面章节的介绍可知：组播a r q 机制与单播a r q 机制相比最大的不同 就是容易出现“反馈内陷”的问题。针对这个问题，本文采用“时间分槽 一抑制技术”来抑制反馈信息的数量。但是，这种方法又会带来反馈抑制 中的“互相抑制”的问题，4 2 3 节对如何解决这个问题进行了详细的讨 论。 一r 一 移|。 印馒 石 k 鑫 j 家交遴大学硬士学位论文 组播方式下详细的反馈抑制算法请参见4 3 2 节，其实现流程图如图 5 一l6 弦i 示。 l 构造n a k 信息i 。，一 等待 ，_ ! 、 型岁 、，一。+ 一 5 。9 双露通信算法 麴s 1 6 反馈撩到算法漉程图 筵嚣章4 。节详缨奔绥了漾系统吴终熬凝嚣逶镑翡算法，英实瑶滚程 图如闼5 一1 7 所示，这里假设通信双方之间的四个连接分别为：连接1 、连接 2 、连接3 、连接4 ( 参见鬻2 9 ) 。 第5 章c t c 系统的网络通信软件结构、算法和实现 否 5 1 0 连接维护算法 图5 1 7 双网通信算法流程图 第四章“c t c 系统的网络通信连接维护方案设计”一节给出了c t c 系统 的网络通信进行连接维护的具体方案，其中服务器和客户端的方案有所不 同。下面将分别介绍它们各自的连接维护算法并且给出其实现流程图。 5 1 0 1 服务器端算法 服务器端详细的连接维护算法请参见4 5 节，该算法涉及到两个线程 8 5 北京交通大学硕士学位论文 t t 毅务器发送心跳喷线程”秘“瓣务器检查心跳爱绫蠖线程”。整5 一1 8 是“服务器发送心跳帧线程”的实现流程图，图5 一1 9 是“服务器检查心跳 反馈黻线程”的实现漉程圈。 启动发送 “心跳帧”线程 图5 1 8 “服务器发送心跳帧线程”流程图 窟动梭查“心舔 反馈帧”线程 强5 - l g “鼹务器嫒蠢心跳菠谈犊线器”滚程塑 第5 章c t c 系统的网络通信软件结构、算法和实现 5 o 2 客户端算法 水。 客户端详细的连接维护算法请参笕4 。5 节，其实现流程图如图5 2 0 所 ，一 意霸接寝线程和 ( 心跳帧检查线撑 、 。_ h v _ h h h - - - - - h h - uj w ，亘溪囊爹歪 是 是 一一i 一一1 l 向指定窗口投递ii 向指定窗口投递i i 。连接成功”消息l卜连接颤开”消息l t 一一一j l 一一 一羔一一 i 封装“心跳反馈帧” 荛羹发送绘骓务器l 一一j 一j 一、 l 延曩= | 指定瓣薅瓣k 5 。1 1 实验结论 闰5 2 0 客户端连接维护算法流程圈 本文编猩实现的方案进行了实验室测试。在测试各个算法实现的功能 懿霜露，遗过采褒多耱有效懿方法重点对逶信熬可靠往窝实辩往送行了溺 试和论证。 在揍攘系统翡中帮冬令牵蘩之瀚分裂采蹋肇撂秘缝搔模式进行鼗 掇收发的压力测试，以此来验证通信的可靠性。中心将3 2 m b 的数据按 北京交通大学硕士学位论文 5 4 0 b y t e 的大小进行打包( 大概分为6 5 5 3 6 个包) ，然后分别以单播和组播的 方式按顺序连续压力发送至车站，在车站检查收到的数据包的个数并且计 算出丢包率；通过改变数据包之间的发送间隔时间多次以上述同样的方法 进行实验，结果表明：在各种情况下，丢包率都非常小甚至为零，数据传 输的可靠性能够很好保证。 通过不断调整服务器( 中心) 和客户端( 车站) 的各个计时器的阀值，多 次在中心和车站之间收发数据，可以找到合适的计时器值使数据传输的实 时性的效果达到最佳。实验表明：同等条件下，上述的最佳效果比用t c p 协议通信时的时延要小。唯一缺点就是网络状况不同，使实时性达到最佳 效果的计时器阀值也不相同，因此，目前无法确定一个固定的计时器值而 使所有情况下的实时性都最佳，这将是今后进一步研究的方向。 通过人为制造一些方法来测试其它算法实现的功能。如拔掉网线使其 中某些连接断开等来测试双网通信和网络的连接维护；通过调试跟踪程序 的运行等来测试网际校验和算法、数据包发送算法、差错检测算法的实现， 结果证明这些算法都能够按照设计要求工作。 实验结论：本文针对c t c 系统设计的网络通信方案中的各种算法( 包括 网际校验和算法、数据包发送算法、差错检测算法、双网通信算法、连接 维护算法) 都能够按设计要求实现各自的功能。并且此方案能够很好的满 足系统对网络通信高实时性和高可靠性的要求。 5 1 2 本章小结 本章首先介绍了w i n s o c k 网络程序设计、v c + + 编程工具等编程相关知 识；接着对c t c 系统制定的通信协议进行了介绍；然后重点讲述了c t c 系统 的服务器和客户端的软件结构以及各个功能实现的算法流程；最后，给出 了在实际的实验环境下得出的一些测试结论，证明了提出的方案满足c t c 8 8 第5 章c t c 系统的网络通信软件结构、算法和实现 系统对网络通信的要求。 北京交通大学硕士学位论文 第6 章结论与展望 本论文在查阅大量国内外相关资料并且深入调查研究国内外调度集 中系统的发展背景和研究现状的情况下，针对目前国内已研制的c t c 系统 的网络通信的不足之处，创造性地提出了一种新的网络通信的方案：用u d p 协议以i p 单播和组播并用的方式实现c s 模式的双网通信。 网络通信的可靠性和实时性是c t c 系统建设成败的关键所在。本文提 出的方案较好地解决了这个问题，利用了u d p 通信的实时性，在应用层同 时利用几种方法保证它的可靠性，满足c t c 系统网络通信的要求。下面几 点是对本论文所做工作进行的归纳与总结。 ( 1 ) 对目前国内典型的c t c 系统交大型调度集中系统的结构、功 能、特点等进行了详细的研究； ( 2 ) 在分析相关理论知识的基础上提出了c t c 系统的网络通信的总 体设计方案； ( 3 ) 由于u