CN102801597B - 一种基于以太网的列车通信网络实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了列车通信技术领域中的一种基于以太网的列车通信网络实现方法。包括：在以太网的TCP/IP协议栈的运输层之上设置实时虚拟层，在实时虚拟层之上设置实时协议层；所述实时虚拟层用于基于COTS以太网硬件、驱动和TCP/IP协议栈实现I EC 61375－1列车通信网络标准所要求的列车实时数据通信；建立基于以太网的列车通信网络，包括建立基于以太网的多功能车辆总线结构和基于以太网的绞线式列车总线结构；按照设定的通信组织方式进行数据通信。本发明既避免了对以太网的硬件、驱动及TCP/IP协议栈进行修改，又满足了硬实时特性，还可以适应未来列车车辆控制或列车运行控制的需求。

Description

一种基于以太网的列车通信网络实现方法

技术领域

本发明属于列车通信技术领域，尤其涉及一种基于以太网的列车通信网络实现方法。

背景技术

列车通信网络（Train Communication Network，TCN）是伴随现代列车的高速化、自动化和舒适化等发展方向而产生的，用于在机车车辆各计算机之间互相传输与交换诸如状态、控制、故障诊断、旅客服务等信息。

应用最为广泛的TCN国际标准是国际电工委员会IEC61375－1《铁道电气设备－列车总线－第1部分：列车通信网络》，TCN标准适用于开式列车的车辆与车辆之间以及一个车辆内的数据通信。

TCN具有两级总线层次结构，即多功能车辆总线（multifunction vehiclebus，MVB）和绞线式列车总线（wire train bus，WTB），以及共享的上层实时协议（Real-Time Protocols，RTP）。其中,两种总线均采用周期性主从协议，提供过程数据、消息数据和监控数据三种服务。过程数据是周期性数据，有着严格的时间限制，需要进行周期性更新；消息数据和监视数据是一些非周期数据，没有严格的时间要求，可以在数据改变时才传输。总线上由唯一的主控制器以轮询的方式发送主帧，总线上其他设备均为从属设备，需要根据收到的主控制帧发送从属帧，主控制器支持冗余切换，周期性和偶发性数据通信共享同一总线。

TCN是一种硬实时系统，在数据传输过程中，报文带有明确的时间限制，这些时间限制必须满足，否则任务未能及时完成将导致灾难性后果。由于MVB和WTB的传输速率分别只有1.5Mbit/s和1Mbit/s，因此，为了满足实时性的要求，只能通过限制报文大小来减少数据帧传输时延，例如MVB最长帧有效数据长度仅为256bit，WTB最长帧有效数据长度仅为1024bit。

随着基于通信的列车控制系统(Communication-Based Train Control，CBTC)、欧洲列车运行控制系统（European Train Control System，ETCS）以及中国列车运行控制系统（Chinese Train Control System，CTCS）的推广使用，用于列车车辆控制与列车运行控制的数据量会不断增长，MVB和WTB相对低的通信速率和相对短的报文长度会越来越难于满足这种数据量的增长，迫切需要一种大容量、高速度、满足硬实时性的列车通信网络系统。

以太网作为目前应用最广泛的计算机数据通信网络，采用带冲突检测的载波监听多路访问(Carrier Sense Multiple Access with CollisionDetection，CSMA／CD)协议，传输速率可以达到百兆bit/s乃至千兆bit/s，甚至更高，远大于MVB 1.5Mbit/s、WTB 1Mbit/s的传输速率，能够满足大容量、高速度的要求。但它所采用的CSMA／CD协议会带来冲突延时而导致的数据传输时间不确定性，使其不能直接适用于实时网络。

以太网技术的发展给解决上述问题带来了曙光。其中，交换式以太网通过把网络分成不同的微冲突域，增加了每个网段的吞吐量和带宽，可为每个用户提供了独占的点到点链路，在一定程度上解决了共享传输信道的以太网CSMA/CD机制所带来的冲突延时不确定性问题。此外，802.1p（有关流量优先级LAN第二层QoS/CoS协议）、802.1q（虚拟局域网）、全双工等功能的引入也使以太网应用到实时性较强的工业控制领域成为可能。但即使包括上述的交换、优先级、虚拟、全双工等技术特征，以太网并没有从根本上改变CSMA/CD机制的基于竞争实现多址接入的技术本质，达不到TCN所要求的硬实时特性。因此，研究如何实现满足硬实时特性的基于以太网的列车通信网络（Ethernet-based Train Communication Network，EB-TCN）很有意义。

目前为止，尚未查到如何实现满足硬实时特性的EB-TCN相关专利或公开文献。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种基于以太网的列车通信网络实现方法，用以解决现有的列车通信网络存在的问题。

为实现上述目的，本发明提供的技术方案是，一种基于以太网的列车通信网络实现方法，其特征是所述方法包括：

步骤1：在以太网的TCP/I P协议栈的运输层之上设置实时虚拟层，在实时虚拟层之上设置实时协议层；所述实时虚拟层用于基于COTS以太网硬件、驱动和UCP/I P协议栈实现IEC 61375－1列车通信网络（TCN）标准所要求的列车实时数据通信；

步骤2：建立基于以太网的列车通信网络，包括建立基于以太网的多功能车辆总线结构和基于以太网的绞线式列车总线结构；

其中，在同一列车内，所述基于以太网的多功能车辆总线（EB-MVB）结构采用冗余星型拓扑结构，列车内包括两个EB-MVB交换机，每个列车设备分别通过冗余物理通路与两个EB-MVB交换机相连；

当跨越不同车辆时，所述基于以太网的多功能车辆总线结构采用冗余双环拓扑结构，每个列车内包括两个EB-MVB交换机，每个列车内的一个EB-MVB交换机串接成为环形拓扑结构，每个列车内的另一个EB-MVB交换机串接成为另一个环形拓扑结构，每个列车内的设备分别通过冗余物理通路与该列车内的两个EB-MVB交换机相连；

所述基于以太网的绞线式列车总线（EB-WTB）结构采用冗余双环拓扑结构，每个列车内包括两个EB-WTB交换机，每个列车内的一个EB-WTB交换机串接成为环形拓扑结构，每个列车内的另一个EB-WTB交换机串接成为另一个环形拓扑结构，每个列车内的EB-WTB交换机分别通过物理通路与该列车内的2个网关分别相连；

步骤3：按照设定的通信组织方式进行数据通信。

所述设定的通信组织方式具体是：

步骤101：完成周期相数据的传输，包括：

首先主设备广播周期相报文中的第1个报文的主帧有效数据，然后目标从设备广播相应的第1个报文从帧有效数据；

之后，主设备广播周期相报文中的第2个报文的主帧有效数据，然后目标从设备广播相应的第2个报文从帧有效数据；

以此类推，直到所有周期相报文有效数据传输完毕；

步骤102：完成偶发相数据的传输，包括：

首先主设备单播/广播偶发相报文中的第1个报文的主帧有效数据，然后目标从设备单播/广播相应的第1个报文从帧有效数据；

之后，主设备单播/广播偶发相报文中的第2个报文的主帧有效数据，然后目标从设备单播/广播相应的第2个报文从帧有效数据；

以此类推，直到所有偶发相报文有效数据传输完毕。

所述设定的通信组织方式具体是：

步骤201：完成周期相数据的传输，包括：

首先主设备广播周期相报文中的第1个报文的主帧有效数据，然后目标从设备广播相应的第1个报文从帧有效数据；

之后，主设备广播周期相报文中的第2个报文的主帧有效数据，然后目标从设备广播相应的第2个报文从帧有效数据；

以此类推，直到所有周期相报文有效数据传输完毕；

步骤202：完成偶发相数据的传输，包括：

主设备广播/单播偶发相报文中的偶发相超主帧2或3次，所述偶发相超主帧由所有主帧的有效数据及其相对于偶发相第1个报文主帧的时间偏差量组成；

如果各个偶发相对应的目标从设备收到正确的偶发相超主帧，则舍弃以后再接收到的相同的偶发相超主帧；

各个偶发相对应的目标从设备根据收到的偶发相超主帧中相应的主帧时间偏差量依次广播/单播对应的从帧有效数据；

以此类推，直到所有的偶发相对应的目标从设备报文有效数据传输完毕。

所述设定的通信组织方式具体是：

步骤301：主设备广播/单播周期相报文中的周期相超主帧2或3次，周期相超主帧由所有主帧的有效数据及其相对于周期相第1个报文主帧的时间偏差量组成；

如果各个周期相对应的目标从设备收到正确的周期相超主帧，则舍弃以后再接收到的相同的周期相超主帧；

各个周期相对应的目标从设备根据收到的周期相超主帧中相应的主帧时间偏差量依次广播/单播对应的从帧有效数据。

以此类推，直到所有的周期相对应的目标从设备报文有效数据传输完毕;

步骤302：主设备广播/单播偶发相报文中的偶发相超主帧2或3次；所述偶发相超主帧由所有主帧的有效数据及其相对于偶发相第1个报文主帧的时间偏差量组成；

如果各个偶发相对应的目标从设备收到正确的偶发相超主帧，则舍弃以后再接收到的相同的偶发相超主帧；

各个偶发相对应的目标从设备根据收到的偶发相超主帧中相应的主帧时间偏差量依次广播/单播对应的从帧有效数据；

以此类推，直到所有的偶发相对应的目标从设备报文有效数据传输完毕。

所述设定的通信组织方式具体是：

主设备广播/单播整个基本周期之中的报文中的超主帧2或3次，所述超主帧由所有主帧的有效数据及其相对于第1个报文主帧的时间偏差量组成；

如果各个对应的目标从设备收到正确的超主帧，则舍弃以后再接收到的超主帧；

各个目标从设备根据收到的超主帧中相应的主帧时间偏差量依次广播/单播对应的从帧有效数据；

以此类推，直到所有的目标从设备报文有效数据传输完毕。

本发明既避免了对以太网的硬件、驱动及TCP/I P协议栈进行修改，又满足了I EC 61375－1国际标准所要求硬实时特性。另外，由于以太网的高速传输特性可以扩大TCN帧传输数据的长度以适应未来列车车辆控制或列车运行控制需求。

附图说明

图1是EB-TCN协议栈与TCN协议栈的对比图；

图2是位于同一列车内的EB-MVB网络拓扑结构图；

图3是跨越不同列车的EB-MVB网络拓扑结构图；

图4是EB-WTB网络拓扑结构图；

图5是传统TCN中WTB或MVB上时间片的结构图；

图6是严格遵循TCN-MVB通信组织的EB-MVB或TCN-WTB通信组织的EB-WTB在一个TCN基本周期内的通信组织方式示意图；

图7是“超主帧”的报文结构图；

图8是第一种改进的“超主帧”通信组织形式方式示意图；

图9是第二种改进的“超主帧”通信组织形式方式示意图；

图10是第三种改进的“超主帧”通信组织形式方式示意图。

具体实施方式

下面结合附图，对优选实施例作详细说明。应该强调的是，下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。

本发明提供的基于以太网的列车通信网络实现方法包括：

步骤1：在以太网的TCP/IP协议栈的运输层之上设置实时虚拟层，在实时虚拟层之上设置实时协议层。

以太网使用的TCP/IP协议栈主要分为：应用层、运输层、网络层、以太网络接口层，TCP/IP协议基于以太网卡硬件和相关驱动软件完成计算机数据通信。其中传输层协议主要有传输控制协议TCP、用户数据报协议UDP，网络层协议主要有网际协议IP。由于TCP协议是面向连接的，通信实时性得不到保证，而UDP协议是面向无连接的，因此考虑实时要求，运输层应采用UDP协议。

为了实现满足硬实时特性的EB-TCN，在以太网的TCP/IP协议栈的运输层之上设置实时虚拟层，而在实时虚拟层之上设置符合IEC 61375－1国际标准的实时协议（RTP）层，RTP层完全支持符合IEC 61375－1国际标准的TCN调用。

EB-TCN协议栈如图1所示，以此来满足TCN标准中RTP对数据传输机制的要求，同时实现使用TCP/I P协议栈和COTS（Commercial Off The Shelf，商用货架产品）以太网硬件、软件的目标。为了对比，图1中也列出了TCN协议栈。

实时虚拟层能够为上层的符合IEC 61375－1国际标准的TCN应用提供符合RTP要求的进程数据、消息数据和监视数据传输服务，同时也对RTP层屏蔽了底层使用UDP/IP协议栈和COTS以太网硬件、驱动的具体数据传输技术细节。

实时虚拟层用于实现列车数据通信。传统TCN网络中采用介质共享的多址接入方式，分析其通信的本质特征可知：

(1)不论是MVB还是WTB，均只能提供无连接服务。

(2)总线主设备发送的主帧和从设备响应的从帧构成一个完整报文。

(3)针对过程数据的通信，基于源寻址的广播通信方式实现。针对消息数据的通信，基于应答方式的点对点通信方式或广播通信方式（可选）实现。

由于以太网（IEEE 802.3）MAC子层采用了CSMA/CD算法，因此以太网存在最大帧和最小帧的要求，其中最小帧有效数据长度为46字节，最大帧有效数据长度为1500字节。

根据以太网（IEEE 802.3）MAC帧格式的规定，每个MAC帧包括：7字节前导码、1字节帧起始定界符、6字节目的地址DA、6字节源地址SA、2字节长度/类型、46～1500字节有效数据、4字节帧校验序列FCS，此外还需加上12字节的帧间隔码。

TCN中最短的数据帧出现在MVB中，共33bit、持续时间为22μs，此时传输的有效数据为16位。如果此最短数据帧使用以太网传输，必须经过填充扩充至46字节以形成以太网最小帧。此时一个以太网最小帧长度为7+1+6+6+2+46+4+12=84字节=672bit，要用以太网替代传统TCN网络中的MVB和WTB，以太网传输速率需要满足：

替代传统TCN网络中的以太网传输速率>672bit/22μs=30.55M bit/s

由于目前实际使用以太网的传输速率为10、100、1000M bit/s，因此只需要选择百兆、千兆或未来更高传输速率的以太网替代传统TCN网络中的MVB和WTB完成数据传输功能。

百兆以太网情况下，传输TCN中最短的数据帧至少需要6.72μs，而在千兆以太网情况下，传输TCN中最短的数据帧至少需要0.672μs，可说是小于或远小于TCN最短数据帧持续时间22μs。

步骤2：建立基于以太网的列车通信网络，包括建立基于以太网的多功能车辆总线结构和基于以太网的绞线式列车总线结构。

为了尽量减少以太网CSMA／CD机制带来冲突延时导致的数据传输时间不确定性和保障数据传输系统的可靠性，应采用冗余结构交换式全双工以太网，具体而言，分为以下3种情况：

（1）基于以太网的MVB（EB-MVB）如果位于同一车辆内，宜采用基于冗余以太网交换机的冗余星型拓扑结构网络，双网间物理隔离，每个终端系统通过冗余的物理通路（光缆或屏蔽电缆，视所采用的百兆、千兆或更高以太网的技术规范和最远传输距离而定）分别接入冗余EB-MVB交换机，如图2所示。这样，可以使每个终端系统在每个独立以太网络上独享一个冲突域，尽量避免或降低数据冲突所带来的数据传输延时，且能保障数据传输系统的可靠性。

（2）基于以太网的MVB（EB-MVB）如果需要跨越不同车辆，宜采用冗余双环结构网络，通过若干台支持生成树协议STP、快速生成树协议RSTP或其它私有环网协议的以太网交换机串接成为环形拓扑结构，每个独立环网中的以太网交换机通过光缆或屏蔽电缆连接（视所采用的百兆、千兆或更高以太网的技术规范和最远传输距离而定），双网间物理隔离，原则上可在覆盖范围内的每一车辆/每个环网各设置一台EB-MVB交换机，如图3所示。这样，也可以使每个终端系统在每个独立以太网络上独享一个冲突域，尽量避免或降低数据冲突所带来的数据传输延时，且能保障数据传输系统的可靠性。

（3）基于以太网的WTB（EB-WTB）需要跨越不同车辆，宜采用冗余双环结构网络，通过若干台支持生成树协议STP、快速生成树协议RSTP或其它私有环网协议的以太网交换机串接成为环形拓扑结构，每个独立环网中的以太网交换机通过光缆或屏蔽电缆连接（视所采用的百兆、千兆或更高以太网的技术规范和最远传输距离而定），双网间物理隔离，TCN设置网关的位置可针对每个环网各设置一台EB-WTB交换机，如图4所示。这样，也可以使每个终端系统在每个独立以太网络上独享一个冲突域，尽量避免或降低数据冲突所带来的数据传输延时，且能保障数据传输系统的可靠性。

步骤3：按照设定的通信组织方式进行数据通信。

传统TCN中列车总线WTB或车辆总线MVB传送三种类型的数据：过程数据、消息数据和监督数据，其中过程数据是循环传送的源寻址广播的周期性数据，消息数据是按需发送的点对点或广播数据，监视数据既可以周期性传送，也可以按需传送。因此，实际上TCN总线只支持周期性数据、偶发性数据两种类型的数据传送，分别对应周期相和偶发相。图5是传统TCN中WTB或MVB上时间片的例子。MVB报文和WTB报文都包括周期相、偶发相，周期相和偶发相都包含若干个报文，而报文又是由主帧和从帧组成的。

另外需要注意的是，传统TCN中MVB和WTB总线总是处于总线主控制下，从设备即使在偶发相中也不能自发地发送，这样可保证过程数据发送的确定性。

由于传统TCN存在包含若干基本周期的特征轮询周期，且有可能存在每个基本周期都需要轮询的情况，因此针对EB-MVB或EB-WTB必须考虑一个TCN基本周期内的通信组织方式，而EB-MVB或EB-WTB在一个TCN基本周期内的通信组织主要是完成周期相或偶发相中的报文以及主帧、从帧的排列。

为了确保周期传送的过程数据发送的确定性，EB-MVB或EB-WTB在一个TCN基本周期内的通信组织方式主要有以下2种方式：严格遵循TCN中MVB或WTB通信基本周期的组织形式和改进的“超主帧”通信组织形式。

严格遵循TCN中MVB或WTB通信基本周期的组织形式严格按照传统TCN中MVB或WTB通信基本周期的组织形式完成EB-MVB或EB-WTB通信，基于前述的“百兆或千兆以太网传输TCN中最短的数据帧都小于或远小于TCN最短数据帧持续时间22μs”这一前提条件，相关报文时间参数严格遵循I EC 61375－1标准要求。具体而言，EB-MVB或EB-WTB通信过程为：

①首先完成周期相的数据传输：

首先主设备广播周期相若干个报文中的第1个报文的主帧有效数据，然后目标从设备广播相应的第1个报文从帧有效数据。

然后主设备广播周期相若干个报文中的第2个报文的主帧有效数据，然后目标从设备广播相应的第2个报文从帧有效数据。

以此类推，直到所有周期相报文有效数据传输完毕。

②然后完成偶发相的数据传输：

首先主设备单播（需要时也可广播）偶发相若干个报文中的第1个报文的主帧有效数据，然后目标从设备单播（需要时也可广播）相应的第1个报文从帧有效数据。

然后主设备单播（需要时也可广播）偶发相若干个报文中的第2个报文的主帧有效数据，然后目标从设备单播（需要时也可广播）相应的第2个报文从帧有效数据。

以此类推，直到所有偶发相报文有效数据传输完毕。

这种方式下EB-MVB或EB-WTB的一个TCN基本周期内的通信组织方式如图6所示。在图6中，以太网帧起始包括：前导码和帧开始符；以太网报头包括：目的地址、源地址、类型或长度；MVB主帧包括：F_代码、地址、CS-8等，针对过程数据、消息数据、监视数据有所不同；MVB从帧包括：数据、CS-8等，针对过程数据、消息数据、监视数据有所不同；以太网帧校验:CRC-32。在这种TCN基本周期内的通信组织方式下，由于严格遵循了TCN中主从介质分配方案，从根本上避免了以太网CSMA／CD机制带来冲突延时导致的数据传输时间不确定性。

通过对TCN中主从介质分配方案的分析可以发现：由于TCN主帧（最短帧）由于小于或远小于以太网最小帧46字节有效数据帧而需要填充而带来了通信时间的浪费，可以进一步挖掘此处通信潜力，将周期相、偶发相或基本周期（包括周期相和偶发相）内的若干个报文中的所有主帧的有效数据及其相对于第1个报文主帧的时间偏差量组成一个“超主帧”，由主设备广播或单播，目标从设备根据收到的“超主帧”中相应的主帧时间偏差量依次广播或单播对应的从帧有效数据。当然为了通信容错的目的，“超主帧”应发送多次（例如2次或3次），以保证目标从设备能可靠地收到“超主帧”。目标从设备只要收到任何正确的“超主帧”都会舍弃以后再接收到的“超主帧”。因此每次的“超主帧”中主帧有效数据不变，但“超主帧”序号应不同，并且相对于第1个报文主帧的时间偏差量应减去上一“超主帧”的传输时间，“超主帧”还包括CRC校验码以便目标从设备判断是否正确收到“超主帧”。“超主帧”的报文结构如图7所示。这种利用“超主帧”收发数据的形式被称为改进的“超主帧”通信组织形式。该方式通过与“严格遵循TCN中MVB或WTB通信基本周期的组织形式”组合，可以得到以下3种具体实施方案：

（1）周期相严格遵循TCN中MVB或WTB的组织形式，偶发相采用改进的“超主帧”通信组织形式，如图8所示；

①首先完成周期相的数据传输：

首先主设备广播周期相若干个报文中的第1个报文的主帧有效数据，然后目标从设备广播相应的第1个报文从帧有效数据。

然后主设备广播周期相若干个报文中的第2个报文的主帧有效数据，然后目标从设备广播相应的第2个报文从帧有效数据。

以此类推，直到所有周期相报文有效数据传输完毕。

②然后完成偶发相的数据传输：

主设备广播或单播偶发相之中若干个报文中的所有主帧的有效数据及其相对于偶发相第1个报文主帧的时间偏差量组成的“超主帧”2到3次。

各个偶发相对应的目标从设备只要收到正确的“超主帧”，则舍弃以后再接收到的“超主帧”。

各个偶发相对应的目标从设备根据收到的“超主帧”中相应的主帧时间偏差量依次广播或单播对应的从帧有效数据。

以此类推，直到所有的偶发相对应的目标从设备报文有效数据传输完毕。

在图8中，以太网帧起始包括：前导码和帧开始符；以太网报头包括：目的地址、源地址、类型或长度；MVB主帧包括：F_代码、地址、CS-8等，针对过程数据、消息数据、监视数据有所不同；MVB从帧包括：数据、CS-8等，针对过程数据、消息数据、监视数据有所不同；以太网帧校验:CRC-32。

（2）周期相和偶发相分别采用改进的“超主帧”通信组织形式，如图9所示；

①首先完成周期相的数据传输：

主设备广播或单播周期相之中若干个报文中的所有主帧的有效数据及其相对于周期相第1个报文主帧的时间偏差量组成的“超主帧”2到3次。

各个周期相对应的目标从设备只要收到正确的“超主帧”，则舍弃以后再接收到的“超主帧”。

各个周期相对应的目标从设备根据收到的“超主帧”中相应的主帧时间偏差量依次广播或单播对应的从帧有效数据。

以此类推，直到所有的周期相对应的目标从设备报文有效数据传输完毕。

②然后完成偶发相的数据传输：

主设备广播或单播偶发相之中若干个报文中的所有主帧的有效数据及其相对于偶发相第1个报文主帧的时间偏差量组成的“超主帧”2到3次。

各个偶发相对应的目标从设备只要收到正确的“超主帧”，则舍弃以后再接收到的“超主帧”。

各个偶发相对应的目标从设备根据收到的“超主帧”中相应的主帧时间偏差量依次广播或单播对应的从帧有效数据。

以此类推，直到所有的偶发相对应的目标从设备报文有效数据传输完毕。

（3）整个基本周期采用改进的“超主帧”通信组织形式，如图10所示。

主设备广播或单播整个基本周期之中若干个报文中的所有主帧的有效数据及其相对于第1个报文主帧的时间偏差量组成的“超主帧”2到3次。

各个对应的目标从设备只要收到正确的“超主帧”，则舍弃以后再接收到的“超主帧”。

各个目标从设备根据收到的“超主帧”中相应的主帧时间偏差量依次广播或单播对应的从帧有效数据。

以此类推，直到所有的目标从设备报文有效数据传输完毕。

尽管这种方式由于“超主帧”的传输修改了传统TCN基本周期内的通信组织方式，但目标从设备是根据收到的“超主帧”中相应的主帧时间偏差量依次广播或单播对应的从帧有效数据，仍然能从根本上避免了以太网CSMA／CD机制带来冲突延时导致的数据传输时间不确定性，但相关时间参数不能再严格遵循I EC 61375－1标准要求，而需要根据“超主帧”传输特点进行相应的修改。

本发明提出的基于以太网的列车通信网络实现方法既避免了对COTS以太网的硬件、驱动及TCP/IP协议栈进行修改，省去了软硬件修改时的大量验证、测试工作，又满足了IEC 61375－1国际标准所要求硬实时特性，同时还提供标准的IEC 61375－1实时协议（RTP）和软件TCN应用调用以保护以前的IEC61375－1TCN软件资源。另外，由于以太网的高速传输特性可以扩大TCN帧传输数据的长度以适应未来列车车辆控制或列车运行控制需求

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (5)

1.一种基于以太网的列车通信网络实现方法，其特征是所述方法包括：

步骤1：在以太网的TCP/IP协议栈的运输层之上设置实时虚拟层，在实时虚拟层之上设置实时协议层；所述实时虚拟层用于基于商用货架产品COTS以太网硬件、驱动和TCP/IP协议栈实现IEC61375－1列车通信网络TCN标准所要求的列车实时数据通信；

步骤2：建立基于以太网的列车通信网络，包括建立基于以太网的多功能车辆总线EB-MVB结构和基于以太网的绞线式列车总线EB-WTB结构；

其中，在同一列车内，所述基于以太网的多功能车辆总线EB-MVB结构采用冗余星型拓扑结构，列车内包括两个EB-MVB交换机，每个列车设备分别通过冗余物理通路与两个EB-MVB交换机相连；

当跨越不同车辆时，所述基于以太网的多功能车辆总线结构采用冗余双环拓扑结构，每个列车内包括两个EB-MVB交换机，每个列车内的一个EB-MVB交换机串接成为环形拓扑结构，每个列车内的另一个EB-MVB交换机串接成为另一个环形拓扑结构，每个列车内的设备分别通过冗余物理通路与该列车内的两个EB-MVB交换机相连；

所述基于以太网的绞线式列车总线EB-WTB结构采用冗余双环拓扑结构，每个列车内包括两个EB-WTB交换机，每个列车内的一个EB-WTB交换机串接成为环形拓扑结构，每个列车内的另一个EB-WTB交换机串接成为另一个环形拓扑结构，每个列车内的EB-WTB交换机分别通过物理通路与该列车内的2个网关分别相连；

步骤3：按照设定的通信组织方式进行数据通信。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征是所述设定的通信组织方式具体是：

步骤101：完成周期相数据的传输，包括：

首先主设备广播周期相报文中的第1个报文的主帧有效数据，然后目标从设备广播相应的第1个报文从帧有效数据；

之后，主设备广播周期相报文中的第2个报文的主帧有效数据，然后目标从设备广播相应的第2个报文从帧有效数据；

以此类推，直到所有周期相报文有效数据传输完毕；

步骤102：完成偶发相数据的传输，包括：

首先主设备单播/广播偶发相报文中的第1个报文的主帧有效数据，然后目标从设备单播/广播相应的第1个报文从帧有效数据；

之后，主设备单播/广播偶发相报文中的第2个报文的主帧有效数据，然后目标从设备单播/广播相应的第2个报文从帧有效数据；

以此类推，直到所有偶发相报文有效数据传输完毕。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征是所述设定的通信组织方式具体是：

步骤201：完成周期相数据的传输，包括：

首先主设备广播周期相报文中的第1个报文的主帧有效数据，然后目标从设备广播相应的第1个报文从帧有效数据；

之后，主设备广播周期相报文中的第2个报文的主帧有效数据，然后目标从设备广播相应的第2个报文从帧有效数据；

以此类推，直到所有周期相报文有效数据传输完毕；

步骤202：完成偶发相数据的传输，包括：

主设备广播/单播偶发相报文中的偶发相超主帧2或3次，所述偶发相超主帧由所有主帧的有效数据及其相对于偶发相第1个报文主帧的时间偏差量组成；

如果各个偶发相对应的目标从设备收到正确的偶发相超主帧，则舍弃以后再接收到的相同的偶发相超主帧；

各个偶发相对应的目标从设备根据收到的偶发相超主帧中相应的主帧时间偏差量依次广播/单播对应的从帧有效数据；

以此类推，直到所有的偶发相对应的目标从设备报文有效数据传输完毕。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征是所述设定的通信组织方式具体是：

步骤301：主设备广播/单播周期相报文中的周期相超主帧2或3次，周期相超主帧由所有主帧的有效数据及其相对于周期相第1个报文主帧的时间偏差量组成；

如果各个周期相对应的目标从设备收到正确的周期相超主帧，则舍弃以后再接收到的相同的周期相超主帧；

各个周期相对应的目标从设备根据收到的周期相超主帧中相应的主帧时间偏差量依次广播/单播对应的从帧有效数据；

以此类推，直到所有的周期相对应的目标从设备报文有效数据传输完毕；

步骤302：主设备广播/单播偶发相报文中的偶发相超主帧2或3次；所述偶发相超主帧由所有主帧的有效数据及其相对于偶发相第1个报文主帧的时间偏差量组成；

如果各个偶发相对应的目标从设备收到正确的偶发相超主帧，则舍弃以后再接收到的相同的偶发相超主帧；

各个偶发相对应的目标从设备根据收到的偶发相超主帧中相应的主帧时间偏差量依次广播/单播对应的从帧有效数据；

以此类推，直到所有的偶发相对应的目标从设备报文有效数据传输完毕。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征是所述设定的通信组织方式具体是：

主设备广播/单播整个基本周期之中的报文中的超主帧2或3次，所述超主帧由所有主帧的有效数据及其相对于第1个报文主帧的时间偏差量组成；

如果各个对应的目标从设备收到正确的超主帧，则舍弃以后再接收到的超主帧；

各个目标从设备根据收到的超主帧中相应的主帧时间偏差量依次广播/单播对应的从帧有效数据；

以此类推，直到所有的目标从设备报文有效数据传输完毕。