洛杉矶HR4000地铁车辆以太网环网控制协议研究

李彬 米志宏

摘 要 为提高洛杉矶HR4000地铁车辆编组网冗余效率，对车辆以太网环网控制协议进行研究。提出通过采用CSR-RING私有协议，以满足链路单点故障后快速愈合的要求，并进行第三方交换机替换的验证。

关键词 洛杉矶地铁 以太网 环网控制协议

Research of Train Ethernet Ring Control Protocol for Los Angeles HR4000 Metro

Li Bin Mi Zhihong

Abstract In order to improve the redundancy efficiency of train Ethernet Consist Network for Los Angeles HR4000 Metro, the train Ethernet Ring Protocol is researched. A private protocol called CSR-RING is provided to meet the requirement for quick recovery of a single link failure, and the replacement of the third-party switch is verified.

Key words Los Angeles metro; Ethernet; Ethernet Ring Protocol

First-author’s address National Engineering Research Center of Railway Vehicles, CRRC Changchun Railway Vehicles Co.,Ltd. 130062, Changchun, China

洛杉矶HR4000地铁的车辆编组网采用符合IEC 61375-3-4:2014（轨道交通电子设备 列车通信网络(TCN) 第3-4部分：编组以太网（ECN））标准定义的以太网环网拓扑结构。但IEC 61375-3-4标准中，仅对编组交换机间链路单点失效场景下，提出了网络可恢复的冗余性要求，而未对编组交换机采用何种环网控制协议做明确要求。目前各交换机厂家所采用的环网控制协议各不相同，包括多种类型的公有协议和私有协议。洛杉矶HR4000地铁车辆编组网所使用的环网控制协议，是基于用户需求而开发的名为CSR-RING的私有协议，具有链路单点故障后快速愈合的优点（愈合时间小于50ms），以及良好的可替换性。本文对CSR-RING环网控制协议进行了研究与分析，并进行了第三方交换机替换的验证。

1概述

在目前的工业以太网应用中，环网是一种最常用的带冗余拓扑。典型的环网拓扑里面，构成车辆编组网的交换机依次首尾相连，在物理结构上构成一个环形的网络，如图1所示。

图1　典型环网物理连接拓扑

由二层交换网络的广播域可知，物理上的环会造成广播风暴。所以需要运行环网控制协议，来依据某些规则把环上的某端口设置为阻塞状态，使网络的逻辑结构为线性，不存在数据转发的环形通路，如图2所示。

图2 环网控制协议运行后的拓扑

当网络出现故障时，环网控制协议需要快速发现、响应，把自动阻塞的端口设置为转发状态，告知网络中所有的交换机，使整个网络按新的拓扑进行数据转发。由环网的拓扑特点可知，环网控制协议可以对单点故障进行恢复，如单个链路断路或单个交换机掉电等。

2环网控制协议分析

2.1顶层状态机

顶层状态机设计如图3所示，INIT状态中对变量做了初始化配置操作，之后状态迁移进入三个字状态机。

图3 顶层状态机

定层状态机对INIT状态做说明，INIT状态中涉及到变量的操作，参见INIT状态图中的描述。

2.2子状态机LOCAL_TIMER_PROCESS

LOCAL_TIMER_PROCESS状态机由若干个状态组成，顶层状态机执行完INIT状态后顺序迁移至LOCAL_TIMER_PROCESS的第一个状态RING_TIMER_HANDLE，之后依据不同的迁移条件进入不同的状态，如Error: Reference source not found所示。

图4 状态机LOCAL_TIMER_PROCESS

2.3子状态机RING_STATE_TRANS

RING_STATE_TRANS状态机由若干个状态组成，顶层状态机执行完INIT状态后顺序迁移至RING_STATE_TRANS的第一个状态SLAVE.RingOpen，之后在外部条件的驱动下进入不同的状态，如下Error: Reference source not found所示。

图5 状态机RING_STATE_TRANS

2.4子状态机RING_FRM_PROCESS

RING_FRM_PROCESS状态机由若干个状态组成，顶层状态机执行完INIT状态后顺序迁移至RING_FRM_PROCESS的第一个状态RING_FRM_HANDLE，之后依据不同的迁移条件进入不同的状态，如Error: Reference source not found所示。

图6　状态机RING_FRM_PROCESS

2.5 CSR-Ring帧格式

CSR-Ring帧利用了以太网帧格式，如Error: Reference source not found所示，图中的数字指的是字节数。

图7 CSR-Ring帧格式

CSR-Ring帧格式说明如表1所示。

表1　CSR-Ring帧格式说明

序号	字段	字节长度	说明	数值
1	DstMAC	6	数据帧目的MAC地址	目的组播MAC
2	SrcMAC	6	数据帧源MAC地址	——
3	len/type	2	环网协议类型	0x8877
4	ID	2	环网ID	0
5	RType	2	环网类型	0
6	cmd	2	数据帧类型	LINKUP 1 LINKDOWN 2 RNGINFO 3 COMPLETE 4 RC_TEST 5 RB_TEST 6
7	seq	2	数据帧序列号	——
8	data len	2	数据长度	——
9	data crc	4	CRC校验码	通用32位校验
10	fwd tag	4	转发标记	——
11	data(max 512)	最大512	数据段	最大512字节
12	FCS	4	以太网物理层校验和	——

3环网网络故障处理场景

CSR-RING环网控制协议能够处理单点故障，其中链路的单点故障是完全可恢复的，不影响通信，节点本身的单点故障是部分可恢复的，在不采用平行网络的前提下，连接在节点上的终端通信无法恢复。

CSR-RING环网控制协议对环网网络故障处理场景包括：

（1）某一条链路断开（非备用链路）：环网主交换机打开阻塞端口，启用备用链路。在检测到linkdown并通知环网主交换机启用备用链路后，网络恢复，期间网络中断小于50ms。

（2）某一条链路断开（备用链路）：主交换机感知此事件，但是无需任何操作。网络逻辑拓扑不变，通信无任何中断。

（3）断开环网的链路恢复连通：链路两端进行环网主交换机选举，环网闭合，并把恢复链路置为备用链路。网络逻辑拓扑不变，通信无任何中断。

（4）成环后的从交换机掉电（是备用链路端点）：主交换机感知此事件，但是无需任何操作。剩余网络逻辑拓扑不变，掉电节点所连终端通信中断。

（5）成环后的从交换机掉电（不是备用链路端点）：环网主交换机打开阻塞端口，启用备用链路。在检测到linkdown并通知环网主交换机启用备用链路后，网络恢复，期间网络中断小于50ms。

（6）成环后的主交换机掉电：所有交换机收到linkdown事件，进入开环状态。剩余网络逻辑拓扑不变，主节点所连终端通信中断。

（7）接触不良造成了频繁切换 通过主跟随策略和滞后发送环网控制报文的算法，隔离故障链路。链路状态频繁变化过程中，网络逻辑拓扑不变，除第一次链路断开之外，后续通信无任何中断。

（8）主交换机硬件故障，环网端口不可控（不能阻塞）：通过RCTest机制进行成环保护，RCTest主成为新的环网主。网络在物理和逻辑上都成环，经过150ms的广播风暴之后，恢复正常。

（9）某一个节点上电失败：物理上不成环，所有节点会打开环网端口。节点上直连的设备无法通信，其他设备间的通信正常。

（10）交换机软件系统异常：触发系统复位，复位过程中环网端口无法转发数据，处理步骤与节点掉电相同。在复位时间内（10s左右）节点直接设备无法通信，复位之后正常。网络拓扑会有解环、成环两个过程，网络上其他设备间通信在解环时会有小于50ms的中断。

（11）交换机软件（环网协议）异常：重启环网协议，总体流程与系统复位类似，但是中断时间小。直接设备在协议栈重启过程中无法通信，网络上其他设备会经历一次小于50ms的通信中断。

（12）同时有两条链路断开：环网主交换机打开阻塞端口，启用备用链路。网络被分割为两个物理网络，无法恢复。

（13）同时有两个节点掉电：环网主交换机打开阻塞端口，启用备用链路。网络被分割为两个物理网络，无法恢复。

4协议替换性验证

为了证明CSR-RING环网控制协议具有良好的可替换性，所以在实验室测试环境下，对洛杉矶HR4000地铁车辆编组网的交换机（ECNN）进行第三方交换机替换试验。第三方交换机采用Westermo交换机产品，以下称为L2N。在一个车辆编组网内有4个ECNN，IP地址分别为10.0.1.1 (ECNN#1) ，10.0.1.2 (ECNN#2) ，10.0.2.1 (ECNN#3)和10.0.2.2 (ECNN#4)。

使用4个L2N替代车辆编组网内的ECNN，选择每个L2N的X10接口和X11接口作为环网接口，连接示意图如图8所示。

图8 环网连接示意图

对L2N进行交换机相关属性及环网配置后，运行设备及网络，如图9所示。

图9 环网配置及试验环境

L2N可以正确传输所有通信信号。测试结果表明采用CSR-RING环网控制协议的交换机具有良好的可替换性。

5结论

针对洛杉矶HR4000地铁用户对链路单点故障后快速愈合的需求，开发了CSR-RING环网控制协议，并通过第三方交换机替换试验，验证了该协议具有良好的可替换性。试验结果表明，该协议对实时以太网数据通信传输是有效的，为采用以太网环网拓扑结构的车辆编组网提供了技术保证，应用前景广阔。

参考文献：

[1] IEC 61375-2-3，Electronic railway equipment – Train communication network (TCN) – Part 2-3: TCN communication profile [S].

[2] IEC 61375-3-4，Electronic railway equipment – Train communication network (TCN) –Part 3-4: Ethernet Consist Network (ECN) [S].

[3] 倪文波，王雪梅.高速列车网络与控制技术[M].成都：西南交通大学出版社，2010.

[4] 常振臣. 列车通信网络研究现状及展望[J].电力机车与城轨车辆，2005（3）：5-7.

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