高速列车控制与服务网络（TCSN）业务分析与建模

白雪+谭献海+刘力浩

摘 要：随着高速列车网络技术的发展，列车通信网络传输的业务不只是列车上的控制类业务，高速铁路运营商为了提高铁路旅客的舒适度，为旅客提供了上网服务等业务。为了后期能够实现对TCSN网络性能的仿真，文中对列车上的控制业务和旅客服务业务进行分析，建立了符合实际的业务数据模型。

关键词：TCSN；控制业务；旅客服务业务；业务分析；建模

中图分类号：TP273；TP391 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2017）08-00-03

0 引 言

随着我国高速铁路和高速列车的快速发展，为提高高速铁路的舒适性，在不影响列车控制业务传输的前提下，也要为旅客提供尽可能多的上网服务业务。目前，国内外还没有对高速列车控制与服务一体化网络业务的相关研究。

本文对控制和旅客服务这两大类业务进行分析，通过分析CRH2型动车车载设备的接口资料，总结了列车上具有代表性的几类控制业务的帧格式、传输时序图，为使后续区分服务的仿真工作顺利进行，文章对控制类业务进行了建模。但对于列车上的旅客服务业务却并没有人做过分类统计，本文利用实验室中抓包实验的方法进行了业务流量识别、分类与建模工作。

1 TCSN业务分析

1.1 TCSN业务概述

TCSN（Train Control and Service Network，TCSN）网络技术在早期的TCN（Train Control Network，TCN）网络技术的基础上发展而来，在原来只传输列车控制业务数据的网络中增加了旅客服务业务。由于传输业务种类的增加与传输带宽的需求，TCSN传输业务均基于工业以太网[1，2]。

本文根据高速列车上的实际情况将高速列车通信网络传输的业务分为两类，即列车控制类数据与旅客上网业务数据。其中列车控制类数据又细分为牵引、制动、辅助电源、空调控制等多种数据，旅客服务业务包括微博、微信和优酷视频等多种常用的娱乐性质的应用业务数据。

1.2 TCSN控制类业务分析

列车控制信息通过贯穿列车的总线进行传输，通过列车运行、显示器显示等设备动作进行集中管理，列车控制业务可以有效帮助列车司机和乘务员操纵列车，加强车载设备的监控、维护和保养，提升乘客乘车舒适度。本节以牵引控制业务为例介绍控制类业务。

牵引控制业务是牵引控制单元（TCU）与控制与管理系统（TCMS）之间的通信业务，车辆控制装置以10 ms为周期向TCU循环发出状态请求信息，对象牵引设备则在每次请求后将自己的状态信息返回至车辆控制装置。如果装置发生故障，则在帧中插入跟踪数据。通常情况下，中央控制装置发送两种请求信息，分别为实时监控（状态数据）请求（SDR）和故障排除用信息（跟踪数据）请求（TDR），SDR数据长度为40B，TDR长度为6 B。对象机器返回实时监控用信息（状态数据：SD）和故障排除用信息（跟踪数据：TD），SD长度为77B，TD长度为54 B。后面将根据以上信息对牵引控制业务进行建模。牵引控制业务传输时序如图1所示。

其中，T1（只要求SD时）=T2（只要求SD和TD时）=10 ms，对象机器在接收信息完毕后1 ms内做出应答，如果检测到错误则无应答。

和牵引控制单元与车辆信息控制中心传输的业务类似，制动控制器、侧面目的地显示器、辅助电源、空调显示设定器等终端装置都会定期与车辆信息控制中心进行通信来传输自身的状态跟踪信息以及相应中央装置的命令。TCSN除了网络列车上的周期性控制业务信息外，还会传输一种非周期性的业务数据，如与故障相关的信息，这些数据都由外界触发产生，属于偶发数据，发生的时间不固定，但存在一定的发生概率。

1.3 TCSN旅客服务业务分析

高速列车的旅客服务流量大且集中，以娱乐性质的网络流量为主，业务发生源主要为智能手机、平板电脑和笔记本电脑等，所以旅客服务业务也多属于移动IP业务。戴斌介绍了对移动业务流量分析的流程[3]，本文借鉴上述流程并根据谭思远等人提到的抓包方案[4]，通过Wireshark对常用软件的抓包进行业务分析，包括数据包到达时间间隔和包长度分布。

1.3.1 移动互联网业务分析

本节对移动互联网业务的建模通过捕获、分析实际流量获得。通过抓包软件Wireshark抓到的手机通信数据包，每个业务流都具有唯一的属性，如源端口和目的端口号，且一系列属性参数决定了流的行为，这为后续业务分类和建模研究提供了研究方向。图2所示是通过Wireshark抓取的QQ聊天时的数据包，由图可知，每秒数据包到达量服从泊松分布。

由实际聊天流量拟合出来数据分组的到达时间间隔服从λ=1/2 092的泊松分布，由图3可以看出分组范围为54～141 B，平均分组大小为382.5 B。同样通过此方法可以得出其他应用的参数，为后文的建模提供方便。

1.3.2 P2P业务分析

随着P2P技术的不断发展，近些年的P2P业务也在不断增长，现在比较常用的P2P软件有酷狗、迅雷、PPLive、uTorrent等。据统计，P2P业务流量已经占据了网络流量的70%以上。传统的Internet网络业务（大多基于C/S、B/S架构）只建立单个TCP连接，P2P业务不經过服务器，而在网络用户之间直接传输数据，P2P业务各节点之间建立多个TCP连接来实现数据传输，提高网络利用率并抢占网络资源。在TCSN网络中传输大量P2P业务，会造成控制业务和旅客上网服务业务时延增大，因此对于P2P业务的分析、识别与限制非常重要，上述分析方法同样可用于P2P业务流量的分析。

2 TCSN业务建模

对于高速列车控制业务与旅客服务业务的建模是TCSN网络仿真的基础。本节在上节业务分析的基础上总结出TCSN网络中传输的两大类业务的业务模型。endprint