（计算机应用技术专业论文）高速故障安全局域网设计与分析.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 随着高速铁路中列车运行速度和行车密度的提高，传统的铁路安全信息 传输方式已经不能满足列车安全运行的需要。高速故障安全局域网利用光纤 通信技术、网络技术和计算机技术可以实现信息的实时、可靠、高效传输， 是铁路信号安全信息传输的重要突破。采用光纤专用网络，实现安全信息传 输，可为铁路车站和沿线设备提供优质通道，确保信息传送实时性和大容疑； 具有极强的抗干扰能力；适合高速铁路大站距结构；减少电缆投资；融合数 据通信和计算机技术，解决大量信息实时处理，符合铁路通信信号现代化的 发展方向。 本文研究内容主要包括1 2 5 m b p s 高速故障安全l a n 的网络结构、数据链路 层协议设计和网络性能分析。高速故障安全局域网系统结构主要是从局域嘲 的拓扑结构和传输介质两个方面来介绍，通过比较各种拓扑结构的特点，结 合光纤传输介质的要求，然后根据双环结构和双重冗余结构的安全性可靠性 分析，提出选用双重冗余结构，并且给出接点结构图；接下来主要从局域网 的访问控制协议入手，比较各种局域网常用技术，最后根据本网络特殊要求 采用特殊通信控制协议，并给出协议实现的软件规格；另外给出本系统结构 在传输数据的安全性、实时性、高可靠性、维护性方面所采取的措施；最后通 过运用排队论的知识对网络的性能进行数学分析建模。 关键字：高速故障安全局域网；双重冗余结构：数据链路层协议；排队论 西南交通大学硕士研究生学位论文第页 a b s t r a c t w i t ht h ee n h a n c e m e n to ft r a i n sr u n n i n gs p e e da n dd e n s i t yi nh i g h s p e e dr a i l w a y ，t h et r a d i t i o n a lm e t h o do nd e l i v e r i n gt h er a i l w a ys a f e t y i n f o r m a t i o nc a n ts a t i s f yt h ed e m a n do ft r a i n ss a f e t yr u n n i n g h i g h s p e e df a u l t - s a f e t yl a nu s i n go p t i c a lf r i b ec o m m u n i c a t i o nt e c h n 0 1 0 9 y 、 n e t w o r kt e c h n o l o g ya n d c o m p u t e rt e c h n o l o g y ，i t s a i m p o r t a n t t r a n s f o r m a t i o n i fa d o p t i n go p t i c a lf r i b e s p e c i a ln e t w o r k ，i t c a n s u p p l yh i g hq u a li t y c h a n n e l s ：i n s u r er e a lt i m ec h a r a c t e ra n db i g c a p a c i t a n c e w i t hi n f o r m a t i o n d e l i v e r i n g ，p o s s e s s i n gs t r o n g a n t i - j a m m i n gc a p a c i t y ：s u i t a b l e f o r h i g hs p e e dr a i l w a y sl o n g d i s t a n c es t a r i o ns t r u c t u r e ：d e c r e a s i n gc a b l ei n v e s t m e n t ：i nt h em e a n t i m e ，s y n c r e t i z i n g d a t ac o m m u n i c a t i o na n d c o m p u t e r t e c h n o l o g y ，r e s o l v i n g t h e q u e s t i o n o fa b u n d a n c ei n f o r m a t i o n s d e a l i n g i ta d a p t s t ot h e d e v e l o p m e n t o f r a i l w a ys i g n a l c o m m u n i c a t i o n sm o d e r n i z a t i o n t h e p a p e r s m a i nc o n t e n ti n c l u d e so f 1 2 5 m b p sh i g hs p e e d f a u l t s a f e t yl a n sn e t w o r kf r a m e w o r k 、t h ed e s i g no fd a t al i n kc o n t r o l p r o t o c o l a n dt h er e s e a r c ho fn e t w o r k s p e r f o r m a n c e h i g hs p e e d f a u l t s a f e t yl a n sn e t w o r kf r a m e w o r ki si n t r o d u c e dm a i n l yf r o ml a n s t o p o l o g ya n dt r a n s f e rm e d i u m b yc o m p a r i n ga l 1k i n d so ft o p o l o g y s c h a r a c t e r s t ic ，c o m b i n i n gt h ed e m a n do f o p t i c a l f r i b e st r a n s f e r m e d i u m ，t h e na c c o r d i n g d o u b l e l o o p f r a m e w o r ka n dd o u b l er e d u n d a n t s t r u c t u r e c o m p a r i s o n o nr e l i a b i l i t y s a f e n e s s ，i tc a np u tf o r w a r dt h e b e t t e rs t r u c t u r ew h i c hi sd o u b l er e d u n d a n ts t r u c t u r e ，a l s os u p p l yt h e s t r u c t u r e sd r a w i n go fp o i n t ：f o l l o w i n gi t ，t h ep a p e rm a i n l yt a l k s a b o u tt h el a n sa c c e s sc o n t r o lp r o t o c o l ，a f t e rc o m p a r i n gs o m el a n t e c h n o l o g y ，a n da c c o r d i n gt h en e t w o r k se s p e c i a l l yr e q u i r e m e n t ，t h e s y s t e ma d o p t ss p e c i a lc o m m u n i c a t i o nc o n t r o lp r o t o c o l ，a tt h es a m eti m e o f f e rt h es o f t w a r e ss t a n d a r do fp r o t o c o l sp r o g r a m ：o t h e r w i s e ，t h e p a p e rp r o v i d e s t h em e a s u r e so nt h e s y s t e m s s a f e n e s s 、r e a lt i m e c h a r a c t e r 、h i g hr e l l a b i l i t ya n dm a i n t e n a n c e ：a tl a s t ，u s i n gq u e u i n g t h e o r ya n a l y s e st h en e t w o r k sp e r f o r m a n c e 西南交通大学硕士研究生学位论文第页 k e y w o r d s ：h i g hs p e e df a u l t s a f e t yl a n ：d o u b l er e d u n d a n ts t r u c t u r e ：d a t a l i n kc o n t r o lp r o t o c o l ：o u e u e i n gt h e o r y 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 1 1 选题意义及重要性 第1 章绪论 铁路在任何国家的交通运输领域都占据着举足轻重的地位，绝大多数物 资、商品、旅客都需要由它来运送，人们也形象地将它比喻为国家的动脉。 各国政府、民众对铁路建设的投入和关注程度都是极高的。然而近些年来， 随着空中航线和高速公路的飞速发展，铁路的重要地位正在减弱。要想巩固 铁路的主体地位，就必须加强铁路的竞争力，那么，高速铁路的建设必须提 上日程。 高速铁路建设引发一系列的铁路变革，从2 0 世纪2 0 年代的基于布线逻辑 的继电器联锁，到今天伴随着计算机、通信、可靠性技术发展而来的计算机 联锁技术，对铁路信号研究工作提出了更高的要求。现代化的信号安全设备 包括微机联锁设备，a t c 设备，以及车辆维修设备，其基本思想是运用微机联 锁设备模仿6 5 0 2 继电器逻辑关系，保证故障安全性。在此过程中，计算机网 络成为连接联锁设备和a t c 设备的关键技术，为了提商列车运行速度和密度， 越来越多的列车运行状态和安全性信息需要实时可靠的传输，以往应用于铁 路的信号传输网络显得不堪重任，对于引入光纤技术提高信息传输速率的高 速故障安全网络的研究是不容忽视的，如何确保新的通信技术能够安全可靠 的应用在高速铁路系统中，成为一个研究重点。 高速故障安全局域网是将车站各分散的联锁、列控、灾害报警等与行车安 全有关的设备通过光纤连接起来，利用通信、网络和计算机技术实现信息安 全、实时和可靠传输，保证高速列车的安全正点运行的系统。这种局域网适 用于对信息传输可靠性和安全性有较高要求的领域，例如铁路，军事，航空 等。日本铁路在世界铁路发展进程中已经居于技术领先水平，首先在铁路行 业通信信号方面提出了“信息信号”和“通信信号一体化”的概念，并在高 速铁路车站成功实现了车站光纤局域网，实现了车站安全信息的实时、安全、 可靠传输，保证了行车安全。本次提出的高速故障安全局域网技术就是在曰 本京三制作所开发的1 2 5 m b p s 高速故障安全局域网技术的基础上进行研究开 发。目前，我国高速铁路，尤其是城市轨道建设领域大部分都是通过引用国 外先进技术来实现的，为了逐步缩短我国高速铁路和国际先进水平的差距， 我们必须在引入国外技术的同时，开发适合我国铁路自身状况的高速故障安 全局域网，通过比较分析各国先进技术的优缺点的同时，结合我国的现实状 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 况，并且为了保证技术的先进性，还要融合当代局域网技术的新特色，来完 成具有新时代新特色的高速故障安全局域网。 在铁路信号通信领域里面，采用具有高传输速率的光纤通信技术确保了 信息传输实时性的同时，还必须强调信息传输的故障安全性，所谓故障安全 通信，是指通信传输系统由于外界的干扰或自身的物理缺陷而发生故障时，仍 能以较高的概率使通信系统维持在安全态。铁路信号专用局域网的故障安全 通信要求网络结构除了具有高实时性、可靠性之外，还要具备故障安全特性， 以使终端设备避免因通信系统故障而发生事故。我国铁路信号专用通信阚络 曾经采用c a n ，l o n w o r k s 等现场总线通信协议，负责信息的安全和非安全传 输，但是，c a n 总线协议规定了线路的最大传输速率仪为i m b p s ，这将极大的 限制它在高速铁路系统中的发展；l o n w o r k s 总线协议共有七层，与国际 i s o o s i 标准接轨，l o n w o r k s 控制网络在功能上就具备了网络的基本功能， 它本身就是一个局域网，和l a n 具有很好的互补性，又可方便的实现互联， 易于实现更加强大的功能，然而在铁路信号通信网络中不需要这么多层，一 般四层就足以解决所有问题，所以，我们必须为铁路信号通信网络量体裁衣， 研究制定最符合高速铁路现实情况的通信协议。 综上所述，研究基于光纤技术的高速故障安全局域网是加快我国高速铁路 通信技术的一个关键因素，必须在研究国外先进技术的同时结合我国现实情 况提出适合我国高速铁路发展的铁路信号通信协议，使得各种有关列车运行 的安全和非安全信息能够在基层顺利传输，并且希望能够和铁路系统通信网 络( 如d m i s 系统) 有效链接，便于备分局以及铁道部远程指挥调度。 1 2 国内外现状 高速铁路通信信号系统作为一种实时控制系统必须具备比普通铁路高得 多的可靠性、可用性、可维修性及安全性。它要发挥整体效能，组成调度指 挥、行车控制、设备监测和信息管理的综合自动化系统。高速铁路通信信号 系统要具备通信信号一体化的特点，负责承载的业务以数据为主，辅以话音 和图像，信息传递的实时性、安全性、可靠性要求更高。车站和调度中心大 都采用局域网技术。为了保证安全，高速列车运行中，不允许线路上进行施 工及维修作业，因此高速铁路对信号系统的可靠性和安全性有更高的要求， 应尽可能采用设备冗余，故障监测记录，远程诊断等先进技术手段保证设备 不问断使用。另外这种系统一般采用列车运行自动控制( a t c ) 系统，其特点 是以车载信号作为行车凭证，直接向司机提供速度命令，并且信号直接控制 列车制动。高速铁路通信信号系统必须紧跟世界先进技术，向数字化、网络 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 化和智能化的方向发展，使其总体技术达到世界先进水平。 铁路信号安全信息光纤局域网承担了与铁路的行车指挥、调度直接相关的 安全信息传输任务，是光通信技术、计算机技术、网络技术等高新技术相互 融合、相互借鉴、柏互促进的产物。传统的安全控制信息传输使用电缆作为 传输介质，进行一对一的传输。随着我国铁路的电气化程度越来越高，列车 的速度越来越快，数字化的设备越来越多，电缆的局限性也就越来越暴露无 遗，如易受电磁干扰，带宽较窄，传输速率受到限制等等。使用传统的电缆 难以达到现代化行车指挥系统提出的更高的传输速率，更强的抗干扰能力的 要求。用光缆代替电缆，用网络代替单一的传输线路已成为大势所趋。比较 一对传输的电缆和光缆网络，不难看出光缆网络在抗干扰能力，提高传输 质量和可靠性，等方面有着不可比拟的优势。 信号安全信息光纤局域网技术已在一些发达国家得到了应用，如日本j r 在铁路沿线区间站场已利用光纤环路网络构成了有安全保证、实时控制的铁 路信号网络系统；西班牙马德里一塞尔维亚高速铁路应用光纤网络进行数字 信息的传输；德国、法国等在发展有线光缆信息技术的同时，还在进行高速 铁路区间光纤无线综合系统的传输实验等等。 信号安全信息光纤局域网是现代高新技术在铁路信号领域中的综合应用， 必须满足铁路信号控制信息传输的特殊要求。这些特殊要求中最为重要的就 是确保传输的安全，即提高潮络的安全性。 1 3 研究内容及研究方法 本文研究内容主要包括1 2 5 m b p s 高速故障安全l a n 的网络结构、链路层协 议设计和网络性能分析。高速故障安全局域网系统结构主要是从局域网的拓 扑结构和传输介质两个方面来介绍，通过比较各种拓扑结构的特点，结合光 纤传输介质的要求，然后根据双环结构和双重冗余结构的安全性可靠性分析， 提出选用双重冗余结构，并且给出接点结构图；接下来主要从局域网的访问 控制协议入手，比较各种局域网常用技术，最后根据本网络特殊要求采用特 殊通信控制协议，并给出协议实现的软件规格；另外给出本系统结构在传输 数据的安全性，实时性，高可靠性，维护性方面所采取的措施；最后通过运 用排队论的知识对网络的性能进行数学分析建模。 本文的研究方法主要是运用计算机技术，计算机网络原理，系统可靠性原 理，网络性能分析等方法来完成对高速故障安全局域网系统的结构与协议设 计，并且通过对各项性能指标的分析对本结构的设计给予认可。 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 1 4 本论文的内容安排 第，一章为绪论部分，提出了研究高速故障安全局域网的必要性，国内外现 状以及研究内容及方法。 第j 二章提出高速故障安全局域网的系统结构，分别从网络的拓扑结构和传 输介质来介绍，并且给出具体接点的结构图。 第三章通过分析三种常用局域网访问控制协议，结合高速铁路信号系统特 殊要求设计出高速故障安全局域网的专用协议，由于该协议的实现主要是通 过软硬件的设计来完成，在第：二章中已经给出接点硬件结构，所以这里给出 接点软件设计规则。 第四章给出高速故障安全局域网的+ 些特色，主要从数据传输的安全性、 实时性、高可靠性和维护性方面论述。 第五章运用排队论的知识来论证固定数据传输对网络性能的影响，并且透 过网络建模，来进一步研究网络结构。 最后为结论部分，总结此次研究的主要成果，以及对未来发展的展望。 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 第2 章高速故障安全局域网系统结构 当今社会是一个信息化的社会，实时、可靠地传递各种信息是社会各领 域的迫切要求。由于局域网作为一种有效的信息传递手段，极好地满足了小 范围内( 一般网径小于5 公里，如一幢办公楼、一个校园等) 许多独立的通信 设备间的信息交流，因此自上世纪七十年代第一个局域网发明以来发展极为 迅速，先后出现了各种各样的网络拓扑结构( 总线、环形、网状形等) 、传输 媒质( 铜缆、双绞线、光缆、微波等) 、通信协议( c s 姒c d 、令牌环协议等) ， 从而构成了形形色色的局域网应用模式，较著名的有以太网、i b m 令牌环、m a p 令牌总线等。早期局域网网内用户较少( 平均一个网段内有十几个用户) ，所 传送的信息也多是文本数据，因此几兆至十几兆的网络带宽已很好的满足了 用户需要。但是随着局域网广泛应用于办公自动化( o a ) 、工业控制、信息咨 询等领域，其用户规模在口益扩大，传送的信息也演变为语音、图象、数据 等多媒体数据，这些都对局域网的带宽提出了更高的要求。 为了满足用户需要，必须开发新型的高速局域网。美国标准化协会 a n s i x 3 t 9 5 经多次修订于1 9 8 6 年公布的f d d i ( 光纤分布式数据接口) 可以说 是这方面的先驱，它已于1 9 8 7 年被i s o 接受为d i s 9 3 1 4 国际标准草案。随后 又出现了1 0 0 b a s e - t ，l o o b a s e - v g 、交换以太网、a t m 局域网等高速局域网标 准，可谓各有千秋，市场竞争激烈。由于影响和决定局域网性能的最主要因 素是网络拓扑结构、传输介质和m a c ( 介质访问控制) 协议，因此本章首先从 网络拓扑结构和传输介质来介绍高速故障安全局域网的系统结构。 2 1 局域网拓扑结构 网络拓扑结构是指用传输介质互连各种设备的物理布局。将参与l a n 一】： 作的各种设备用介质互连在起有多种方法，实际上只有几种方式能适合l a n 的工作。目前大多数l a n 使用的拓扑结构有3 种：星型拓扑结构；环型拓扑结 构：总线型拓扑结构。 2 1 1 星型拓扑结构 星型结构是最古老的一种连接方式，在星形拓扑网络结构中，除了一股 的工作节点外，还存在一个特殊节点，即集线器( 或叫中心节点) 。各节点与 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 集线器之间用一条专用的双向链路连接。节点之间的通信需经集线器米中转。 星形拓扑网络可使用双绞线、同轴电缆、光缆及无线传输媒体。星形拓 扑的线路投资大于总线形拓扑。凶各节点与集线器用专线连接，故每条专线 的故障并不影响整个网络的： 作。但集线器的损坏将导致网络不能正常用行。 星形拓扑的局域网通常采用集巾式m a c 协议，也可采用分布式m a c 协议。图2 1 为目前使用最普遍的以太网星型结构。 图2 1 星形拓扑结构 这种结构便于集中控制，因为端用户之间的通信必须经过中心站。由于这 1 特点，也带来了易于维护和安全等优点。端用户设备因为故障而停机时也不 会影响其它端用户间的通信但这种结构非常不利的“+ 点是，中心系统必须具 有极高的可靠性，因为中心系统一旦损坏，整个系统便趋于瘫痪。对此中心系 统通常采用双机热备份，以提高系统的可靠性。 2 1 2 环形网络拓扑结构 图2 2 绘出了环形拓扑局域网结构图。如图所示，环形拓扑采用单方向 传输链路把各站顺序地连接成一个闭合的环状网络结构。在环形网中每个节 点经过一个环路连接器与网络相连接，每个节点除了是源节点与宿节点外， 还充当中继点的角色。传输媒体可选用双绞线、同轴电缆和光缆等。光纤是 环形拓扑网络理想的传输媒体。如选用光纤以外的传输媒体，应由环路连接 器来保证环内信号的单向传输。环形拓扑网络所需缆线的长度与总线型网络 大致相同。 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 图2 2 环形网络拓扑结构 由于环形婀中各节点的环路连接器对环路上的信号都进行中继处理，为 防止一个节点停机或故障而导致全网瘫痪，在实用中，一般都采用旁通( b y p a s s ) 技术，即，如果某节点停机或发生故障，该节点环路连接器入臼将直接 与出口连接，使该节点被旁通掉。此外，为防止缆线故障而危及整个网络工 作，实用中还采用双环及环路重构( l o o pb a c k ) 技术，即，在网中设置两个传 输方向相反的环，一旦一个环出了故障则依靠另一个环仍能照常工作：如两只 环都出了故障则使用剩余的无故障环路重新构成一个正常的环。 环形拓扑局域网可采用分布式也可采用集中式m a c 协议。 2 1 3 总线型拓扑结构 总线结构是使用同一介质或电缆连接所有端用户的一种方式，也就是说， 连接端用户的物理介质由所有设备共享，如图2 3 所示。使用这种结构必须 解决的一个问题是确保端用户使用介质发送数据时不能出现冲突。在点到点 链路配置时，这是相当简单的。如果这条链路是半双工操作，只需使用很简单 的机制便可保证两个端用户轮流工作。在一点到多点方式中，对线路的访问依 靠控制端的探询来确定。然而，在l a n 环境下，由于所有数据站都是平等的， 不能采取上述机制。对此，研究了一种在总线共享型网络使用的介质访问方 法：带有碰撞检测的载波侦听多路访问，英文缩写成c s m a c d 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 图2 3 总线形拓扑结构 这种结构具有费用低、数据端用户入网灵活、站点或某个端用户失效不 影响其它站点或端用户通信的优点。缺点是一次仅能一个端用户发送数据， 其它端用户必须等待到获得发送权。介质访问获取机制较复杂。尽管有上述 一些缺点，但由于布线要求简单，扩充容易，端用户失效、增删不影响全网工作 所以是l a n 技术中使用最普遍的一种。 2 1 4 光纤技术与环形结构 2 1 4 1 光纤网络结构 光纤既可以用于l a n ，也可以用于长距离传输，但是它的连接相对其他介 质复杂的多，绕过此问题的方法之一就是利用环网，因为环网就是点到点连接 的集合。每台计算机的接口将光脉冲发射入下一段光纤，接口本身也起到t 型 连接的作用，它允许计算机发送和接收信息。目前使用的接口有两种：无源接口 和有源中继器。在环形拓扑结构中一般采用有源中继器，其结构如图2 4 所 示。输入光在巾继器中被转变成电信号，如果信号已经减弱，则重新放大到最强 度然后转变成光再发送出去。连接计算机的是根进入信号再生器的普通铜 线。现在已经有了纯粹的光中继器，这种设备不需要光电转换，因而可以以非常 高的带宽运行。 如果一个有源中继器损坏，则整个环被破坏，网络崩溃。另一方瞄，因为信号 在一个接口处均被再生放大，计算机间连接可达数千公里，因而对环的大小都 没有限制的。 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 圈2 4 使用有源中继器的光纤环 2 1 4 2f d d i 技术的双环结构 f d d i 是八十年代末一九十年代初计算机连网应用发展的产物。f d d i 是 l o o m b s 的局域网络，它使用光纤作为传输介质并且建立在令牌环的协议基础 上。f d d i 是由美国公共标准委员会a s c x 3 t 9 5 技术委员会开发的协议标准， 该标准称为”光纤分布数据接口”，即f d d i ( f i b e rd is t r i b u t e d d a t a i n t e r f a c e ) 。f d d i 令牌传递环网由若干个站组成，这些站用光缆连接成 闭合回路。各种服务设备如计算机和外设等只能通过站连到网上。因此，网 上服务设备之问的通信全靠各自的站来实现。令牌是一个特殊类型的短帧， 它在网上不断地循环传递。一个站有待发送的信息便不时地检测网上的令牌， 一旦截取了令牌就把它从网上去掉，然詹及时地把数据以帧的形式发送到网 上。其它的站收到了网上的信息，首先判断目的站址是否相符，若不相符便 把这个帧再生并转发到下一个站，若相符则除了再生和转发外，还要把该帧 内容送入内存。该帧信息在网上循环一周到达原来的发送站，并由发送站将 它从介质中去掉，随后释放令牌。一个站从截取令牌到释放令牌的时间就是 该站占用介质的时间。这个时间受到令牌保持定时器的限制。定时器的定时 一到，发送站必须停止发送，释放令牌。这就是定时令牌传递，它使网上备 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 站实时地截取令牌成为可能。 2 1 4 3 国内高速故障安全局域网的双环结构 f d d i 技术是光纤通信中比较著名的通信协议。在我们研究高速故障安全 型网络的时候，我们根据铁路的具体情况，深入的分析f d d i 协议，汲取了很多 f d d i 协议中的策略。比较重要的一点就是采用环形结构，考虑到单环结构的一 个致命缺点是当环上任一点光纤断裂或站故障将造成传输中断，使网络瘫痪， 因而f d d i 采用光纤双环结构的形式，具体说f d d i 采用一主环( p r i m a r yr i n g ) 、 一次环( s e c o n d a r yr i n g ) 的双环结构，在传输介质或站出现故障时都可利用 次环进行重组，大大提高了网络的可靠性，这一点特别符合高速铁路要求网络 具有高可靠性的要求。 通信网络的拓扑结构在很大程度上决定了互连处理机之间的通信方式。 具体地说，网络中节点的连通度决定了系统的容错能力和故障诊断特性；嘲 络的规整性影响通信寻径算法的复杂程度和重组特性。就单环形网而言，其拓 扑结构特性主要为：网络中信息路径问题完全消失，犹如源节点到目的节 点只有一条通路，容易广播和按地址实现站点问的通信；网络中信息拥挤 问题消失，无需利用总线网络中复杂的消息拥挤控制技术和解除死锁技术。 此外，单环形网还具有接口功能简单、研制价格低廉、系统扩充可廉价实现 等优点。因此，很适于在安全信息网中应用，但是，由于结构的限制，单环 形网不能容忍任何的单点和单边故障，因此，要构成可靠性高、其他性能也 较优的网络，必须对其进行改进。为了在保证提高系统可靠性的同时不降低 系统的故障安全率，最适合的容错方式为错误屏蔽。而线路屏蔽级使可靠性 提高最多，为此，我们采取了双环形网络拓扑结构，如图2 5 中的a ) 所示， 图中实线为主回路，虚线为辅回路。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 1 页 ) 敢拜彤一格嫱扣 舛秧茬救障后置撼 e i 撞t 先托t 爵重巍 图2 5 双环自愈功能图 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页 嘲络为环形主从式结构。其中，主站同列控i 1 心相连，是整个网络的管 理者；从站直接同列控设备相连，受主站的管理；光传输通路包括光发送、 接收模块、光纤、连接点、站台点等，每一站的光传输通路都是冗余备份的。 信息在主回路和辅回路上按相反的方向传输，两刚路完全独立地工作。正常 时，预先设定的主回路用于传输安全信息，辅回路则传送一个预先规定的无 用模式( 如全o 或全“l ”码) 。环上各站点靠站内光接收模块的信号检测 端输出、硬件检测和软件对接收数据的判断等，对站点和光传输通路的状态 进行连续监控。 网络工作中，任一站( 主站除外) 出现故障( 如信号丢失、站内软硬件故障、 光传输通路都被切断等，图中用x 表示) 都会立刻检测出来，并按图2 5 中 b ) 圈的方式进行网络重组，即切断故障站点，连通主回路和辅回路，使两者 形成一个环，实现非故障站点问安全信息的正常传输。被切断的故障站点则 立刻转到信息安全侧，并同时生成发生故障信息，要求处理。同样，当光传 输通路出现故障，但从环路的角度来看并不影响对任一站点的访问，即总有 光的收发通路经过站点时，也立刻检测出来。然后按图2 5 中的c ) 图的方式 重组网络，即放弃故障边，采取最筒捷的、能访问所有可达站点的方式实现 环路安全信息传输。 2 1 4 4 日本1 2 5 m b p s 高速故障安全局域网的双重系结构 与上述双环结构不同的是。日本1 2 5 m b p s 高速故障安全局域网主要是采用 双重系的环形拓扑结构，保障系统的可靠性。目前国内很多研究人员在设计高 速故障安全网的时候都比较偏重于双环结构，与双重系比较起来，双环也可以 实现站点故障后的线路自动切换，保障非故障站点的正常传输，但是，有一点 值得思考的是，对于连接在站点下的a t c ( 可直接控制信号灯，轨道电路，车载 设备等的板子) 设备而育，一旦与他们连接的站点发生故障，他们将无法接收 或者发送信息，如果仅是使他们倒向故障安全侧，那么，必然会在现实操作中 产生一定的延误。双重系使用两套环路，每套各对应一套站点，保证一个站点 对应一个主机，使得如果一个环路出现故障另一个环路运行正确的前提下，系 统能够完全不受影响。继续正常工作。因为当某个站点发生故障时，与该站点 相连的主机接收的相关信息固定为零，而从另一个环路的正常工作的站点上 可以取得正确的非零信息，当非零信息与全零信息做或运算后，可以使主机获 得正确的非零信息，正常的操作控制现场设备，不会产生任何延迟。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 3 页 虽然在性价比e ，双重系结构比双环结构成本高出很多，但是，在未来的 高速铁路中，承诺给用户更多的将是服务质肇，任何可以提高系统效率，保障 行车安全和实时性的措施都应该大量采纳。 2 1 5 双重系结构的网络安全性和可靠性分析 2 1 5 1 双重系结构的网络安全性 所谓安伞性，就是在规定的时间、使用条件、环境条件下，系统不陷入 危险状态的性能。可靠性则是指在规定的条件下和规定的时间内完成规定功 能的概率。如果不考虑人为失误，故障就是造成阏络失败的唯一原因。为提 高安全性，必须设法减少网络故障时陷入危险状态的可能性，采用故障安全 技术，网络的可靠性和安全性关系可以表示为： a = p + q ( 1 一p ) ( 1 ) 其中，a ：系统安全性概率；p ：网络可靠性概率；q ：故障安全概率。 如设系统安全性概率为a ，任一光通路的可靠性概率为p ，站点可靠性概 率为r ，故障安全权率为q ，单环形网络站点安全性概率为： a = r p2 + ( 1 一r p2 ) q ( 2 ) 而双环形网络站点的安全性概率为： a = r ( p + 4 p + 4 p2 ) + 1 一r ( p 4 + 4 p 3 + 4 p2 ) q ( 3 ) ( 3 ) 式减去( 2 ) 式得： r ( p + 4 p + 3 p 2 ) ( 1 一q ) ( t ) 由( 4 ) 式可以看出双环网络的安全性肯定高予单环网络的，但是，q 值 的大小直接关系到( 4 ) 式的值。我们知道在以继电器为核心的铁路信号设备 中，继电器具有非对称故障特性，即在出现故障时，导向安全的概率即q 值 非常大，一般在9 9 以上，这时，考虑的主要因素是网络可靠性；而主要由 微处理器及大规模或超大规模集成电路组成的安全信息传输局域网无非对称 故障特性，所以q 值要小得多。这样，在具体的环境中，( 4 ) 式的值还是一 个很不容忽略的数值。 上述重组功能由硬件协同软件完成由于转换不涉及更多的与任务运行 相关的信息，实现起来很容易，该结构屏蔽了单站点和某些故障的影响，大 大提高了系统的生存能力 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 2 1 5 2 双重系结构的网络可靠性 评估嘲络可靠性的问题，无论是在国内还是在国外，都是处于摸索和探 讨阶段。在国外，虽然对此有不同的看法，但目前还未有一套公认可行的度 量办法。目前国内对网络可靠性问题主要表现在建网时从结构设计、通信介 质、网络设备选择及网络施工等方面考虑。目前，人们对几类典型的网络进 行了可靠性分析。如，可将网络服务器与任一个】：作站的可靠性定义为网络 可靠性：也可以认为环形网的可靠性等于嘲中相邻站点的传输可靠性的最小 值，在此思想卜分析了环形网络的可靠性：还可以以一对接点的可靠性为基 础，分析树形网的可靠性。因为本系统主要从专用局域网的角度实现并行容 错，所以，这里主要讨论网络链路的可靠性。即不考虑节点机内部将会出现 的故障，而只考虑骨干嘲络部分，包括网卡，网线，网络设备接u 的故障。 1 网络可靠性的描述 对于一个系统，可靠性是其重要的整体指标，网络也不例外。网络的可 靠性不仪与通信设备、链路有关，而且与网络结构有关。由于嘲络结构的复 杂多变，网络的可靠性分析一直是个难题。 网络可靠性有其特殊的地方，下面给出其定义。 定义1 ：系统在规定的条件下，在规定的时间内，网络保持连通的能力， 叫做网络的可靠性。 定义2 ：系统在规定的条件下，在规定的时间内，网络保持连通的概率， 叫做网络的可靠度记为r ( t ) ，其表示为r ( t ) = p t t 。 2 双重系并行容错网络可靠性评估 为了给出一一个针对并行容错局域网的网络可靠性的有效评估方式，我们 采用一种较新的，针对网络链路可靠性而设汁的方法：最小路集计算方法。 假设： 网络是连通的，有n 个接点，m 条链路，用g ( n ，m ) 表示： 网络结构固定不变； 网络中每个接点内部不发生故障； 网络中每条链路的故障发生是相互独立的。 1 最小路集定义 定义1 ：如果系统中一组链路都成功则带来系统成功，则称这组链路为系 统的一个路集。 定义2 ：如果从一个路集中任意去掉一条链路就不再是一个路集了，则称 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 5 页 这个路集为最小路集。 命题：如果一个最小路集成功，则系统成功。 2 传输矩阵 对网络图g ( n ，m ) ，每条链路赋一布尔变量x ，其取值为i 或0 ，当链路成 功时为l ，否则为0 。经过这样处理之后，无权阐络图g ( n ，m ) 就变成了有权网 络图g 1 ( n ，m ，w ) ，其中w 。= x ；，i = 卜m ，x i 为布尔变量。 定义3 ：设一个网络有n 个节点，令a = ( a 。) 是一个i i x n 阶邻接矩阵，其 中 f 0 节点i ，间无链路磨接相连 a ，= 以节点i ，间有相连的链路，其权值为孔 i l 1 i = j 定义4 ：设一一个网络有n 个节点，令f = ( f “) 是一个n x n 阶传输矩阵，其 中 。l 1 i = j l 节点f ，j 间的最小路集i j 定理：当一个有n 个节点的网络，其邻接矩阵为a = ( a 。) 。，则有 f = a 【- 1 ) 其中：a 押。为a 的( n - 1 ) 次布尔幂。 3 网络可靠度的估算 利用上述定理可以求出网络的最小路集，下面利用最小路集估算网络的 可靠度。 设系统的最小路集为d 。( x ) ，d ：( x ) ，d 。( x ) ，则系统可靠度为 r ，= p ( u p ，( 曲) = l 令e ，为属于d ( x ) 中全部事件状态取值为i 的事件，则有 i l ：p u z ) q 于是求可靠度问题转化为求随机事件和的问题。如果事件互斥，则有 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 6 页 p , u e ，) = p e j l ，d，= i 若事件独立，则有 tf p u e ，卜卜n ( 1 一p e j 4，爿 否则： tkt p u q ) = ( - d 卜1p n 毛 ，逍_ ll 马q i - - q 业 i = 1 下面最小路集计算法分析我们的双重并列冗余局域网的可靠度。 在图2 6 中，数字l 和数字4 表示我们的两个节点机，2 和3 表示和两 个节点机相联的网络设备，该图是实际系统的抽象，为了使有权网络图简单 便于计算，仅仅采用两个节点机。 图2 6 有权网络图 步骤1 ：写出g ( n ，m ，w ) 的邻接矩阵a = ( a a ) 步骤2 ：计算a 伪 l x 1 2 + x | $ x 3 4 x 2 4 x 1 3 + x 1 2 x 2 4 x 3 4 - r 1 2 x 2 4 + - x 1 3 x 3 4 1 毛2 毛2 1 气3 0 0 0 2 x 1 2 十x 1 3 屯4 屯4 l x 1 2 而3 + x 2 4 x 3 4 屯+ 而2 而3 0 3 4 ，0 0 x 2 4 l 工3 4 屯i 1 3 + 而2 x 2 4 x 3 4 而2 x 1 3 十屯4 x 3 4 l 屯4 + x 1 2 3 0 3 4 4 而2 x 2 4 + x 1 3 屯 x 2 4 + 墨2 墨3 南 x + 而2 x 1 3 x 2 4 l 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 7 页 步骤3 ：求出f 口= a 尹，其中a 铲为a 中i ，j 处的，i 素值。 则节点l 到节点4 的所有不同路集为：x 。：x ：。，x 。3 x 。 因为这两个路集对应两个随机事件d i = x 。：x ：，d ：= x 。3 x 而且两者是独 立事件，所以使用相应的可靠度公式： ii p u e ，) = 1 一i - ( t p e ， ) 逍j = l 设每条链路的故障为五，服从参数为 的负指数分布，即 其中，五是单位时间内失效元件数与总元件数之比，称为失效率，在系 统的正常生命周期中，名为常数。 从而有： 2 r 2 ( t ) 2 1 一n ( 1 一p e ， ) 趣 。卜( 卜r ：) ( 1 一) = 1 一( 1 一e “) 2 设定链路每小时故障率为丑= 1 0 一，规定时间t = 5 0 0 小时，则计算结果 为： r 2 = 0 9 9 9 9 9 9 9 9 我们再用平均无故降间隔时间m t b f 来评估双重系并列冗余网络系统结 构，可靠度为r ( t ) 的系统的平均无故障间隔时间m t b f 定义为t = 0 时到故 障发生时系统的持续运动时间的期望值，由中值定理可得 哩 m t b f 。lr ( f ) d r = 1 1 2 我们的系统由于采用的是双重系网络结构，且失效子网在离线修复后可 重新加入系统中，因此可以认为是并联系统，它的可靠度公式为： r 2 ( t ) = 卜( 卜e “) 2 当t - - 时，e _ 2 m 一0 ，r2 ( t ) 2 e ， 西南交通大学硕士研究生学位论文第18 页 m t b f 2 = f e 。2 “( 2 - - e - 2 2 t ) 出“2 1 2 0 可以得出，本系统结构大约可以成倍提高系统的可靠度。 2 2 传输介质 传输介质主要是指计算机网络中发送和接收者之间的物理通路，其中有 通信电缆，也有无线信道如微波线路和卫星线路。而局域嘲的典型传输介质 是双绞线、同轴电缆和光缆。 传统的安全控制信息传输使用电缆作为传输介质。进行一对一的传输。 随着我国铁路的电气化程度越来越高，列车的速度越来越快，数字化的设备 越来越多，电缆的局限性也就越来越暴露无遗，如易受电磁干扰，带宽较窄， 传输速率受到限制等等。使用传统的电缆难以达到现代化行车指挥系统提出 的更高的传输速率，更强抗干扰能力的要求。用光缆代替电缆，用网络代替单 一的传输线路己成为大势所趋。比较一对一传输的电缆和光缆网络，不难看 出光缆网络在抗干扰能力，提高传输质量和可靠性。减少传输通道的物理长 度( 降低成本) 等方面有着不可比拟的优势。 2 2 1 双绞线 双绞线分非屏蔽双绞线u t p ( u n s h i e l d e dt w i s t e dp a i r ) 和屏蔽双绞线 s t p ( s h i e l d e dt w i s t e dp a i r ) 鹾种。目前，在局域网中，大多数使用的是u t p 。 双绞线是两根绝缘导线互相绞结在一起的一种通用的传输介质，它可减少线 间电磁干扰，适用于模拟、数据通信。在局域网中，u t p 已被广泛采用，其 传输速率取决于芯线质量、传输距离、驱动和接收信号的技术等。如令牌环 网采用第三类u t p ，传输速率最高可达1 6 m b p s ，l o b a s e t 采用的三类u t p 速率达l o m b p s ，1 0 0 b a s e t 采用的五类u t p 传输速率达l o o m b p s 。 u t p 价格较低，传输速率满足使用要求，适用于办公大楼、学校、商厦等 干扰较小的环境中使用，但不适于噪声大、电磁干扰强的恶劣环境中使用。 2 2 2 同轴电缆 同轴电缆由一空心金属圆管( 外导体) 和一根硬铜导线( 内导体) 组成。