CN105657013A - 基于内容中心网络的高速铁路通信系统架构及通信方法 - Google Patents

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李卓
刘开华
陈昱彤
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Tianjin University
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    • H04L—TRANSMISSION OF DIGITAL INFORMATION, e.g. TELEGRAPHIC COMMUNICATION
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Abstract

本发明公开了一种基于内容中心网络的高速铁路通信系统架构，包括应用层、网络层和物理层，所述应用层采用基于TCP/IP协议分组数据通信模式的协议；所述网络层采用以内容为中心的网络协议从而形成内容中心网络；数据自所述应用层并经过封装之后进入到内容中心网络，最终，经过物理层转发出去。根据本发明，可以优化高速铁路通信系统的通信性能，实现降低GSM-R系统的传输干扰时间以及端到端传输时延。

Description

基于内容中心网络的高速铁路通信系统架构及通信方法
技术领域
本发明属于通信网络架构设计领域，特别针对当前基于TCP/IP协议分组数据通信模式的GSM-R(GSMforRailway)存在的越区切换问题。
背景技术
为了顺应高速铁路的快速发展，充分应对我国铁路运输对通信业务需求量大、频率资源紧张的实际情况，我国先于欧洲发展基于GSM-R(GlobalSystemforMobileCommunications-Railway)的GPRS业务。然而当前基于TCP/IP协议的分组数据通信模式具有移动性差、安全性不足、网络拓展性差等缺点，GSM-R系统会因此产生越区切换等问题，从而使通信服务质量不尽如人意。
为了应对基于TCP/IP协议的分组数据通信模式所带来的不足。内容中心网络作为一种面向数据内容的新型未来互联网体系架构,于2009年由施乐帕洛阿尔托研究所(PARC)的VanJacobson提出。与TCP/IP网络不同的是，内容中心网络以内容为中心，依靠命名数据在网络中进行传输，而不再关注用户的地址信息。在内容中心网络中，数据包用独特的名字进行标记，改变了原有的封装结构和寻址方式，即报文包头不再以IP地址作为标识，而是以内容名称代替。其通信过程由数据请求者驱动，通过交换Interest包和Data包来实现，其中Interest包为内容请求包，Data包为内容数据包。内容中心网络的运行机制，使其具有平衡网络负载、节省网络流量、移动性好等诸多优点。
此外，内容中心网络虽是新型的网络体系架构，但可以与当今网络的使用方式相匹配，既能够与TCP/IP协议并行，也可以独立运行，而且不会破坏现有的网络。因此，内容中心网络具有强大的兼容性，方便运用于高速铁路通信领域。
发明内容
针对现有技术本发明设计了一种基于内容中心网络的高速铁路通信(GSM-R)系统架构。该架构可以降低GSM-R系统的传输干扰时间以及端到端传输时延，优化高速铁路通信系统的通信性能。
为了解决上述技术问题，本发明提出的一种基于内容中心网络的高速铁路通信系统架构，包括应用层、网络层和物理层，所述应用层采用基于TCP/IP协议分组数据通信模式的协议；所述网络层采用以内容为中心的网络协议从而形成内容中心网络；数据自所述应用层并经过封装之后进入到内容中心网络，最终，经过物理层转发出去。
本发明的一种基于内容中心网络的高速铁路通信方法，是采用上述基于内容中心网络的高速铁路通信系统架构，当用户发送申请某一内容的Interest请求时，其中，所述网络层的数据传输过程如下：
实现上述基于内容中心网络的高速铁路通信系统架构的方法，当用户发送申请某一内容的Interest请求时，其中，所述网络层的数据传输过程如下：
步骤一、将该Interest请求的内容名字封装在Interest包中，并转发至内容中心网络中；
步骤二、网络中的路由器收到Interest包时，按照以内容为中心的网络协议处理该Interest请求；
步骤三、若该Interest请求与之前其他用户发送到该节点的Interest请求不同，则将该Interest请求对应的Interest包通过以太网或GPRS网络转发至数据源处；
步骤四、数据源将Interest包所请求的数据内容封装到Data包中，并将Data包按照Interest包来时的路径原路返回给用户。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明基于内容中心网络的高速铁路通信系统架构是在原有的基于TCP/IP协议分组数据通信模式的GSM-R系统架构的基础上，在其中的网络层采用内容中心网络协议；可以优化高速铁路通信系统的通信性能，实现降低GSM-R系统的传输干扰时间以及端到端传输时延。
附图说明
图1为本发明基于内容中心网络的GSM-R系统的数据传输协议分层图；
图2为本发明基于内容中心网络的GSM-R系统通信过程。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明技术方案作进一步详细描述，所描述的具体实施例仅对本发明进行解释说明，并不用以限制本发明。
如图1所示，本发明一种基于内容中心网络的高速铁路通信系统架构是在原有的GSM-R系统体系架构的基础上，其中，所述应用层采用基于TCP/IP协议分组数据通信模式的协议；网络层采用以内容为中心的网络协议从而形成内容中心网络的网络层，本发明构架的网络层采用内容中心网络的通信模式来代替原有的GSM-R系统网络层所采用的TCP/IP协议的分组数据通信模式，即将系统网络层原有的TCP/IP协议更换成内容中心网络协议，从而使之更加适应高速移动的通信环境。如图1所示，本发明系统构架数据传输协议分层图，其中来自应用层的数据请求通过数据封装层协议封装起来，进一步经过内容中心网络协议进行数据包的处理，最后通过GPRS或以太网络将数据包转发出去。
利用上述基于内容中心网络的高速铁路通信系统架构的通信方法，与现有技术中GSM-R系统的通讯方法相比，其中，网络层的数据传输是一种新型的网络层的数据传输过程，因此数据在应用层、物理层等其它层的传输过程与原有GSM-R系统的传输过程保持一致。当用户发送申请某一内容的请求时，本发明中网络层的数据传输过程如图2所示，包括以下步骤：
(1)将请求的内容名字封装在Interest包中，转发至内容中心网络中。
(2)网络中的路由器收到Interest包时，按照内容中心网络的转发策略以及工作流程，进一步处理该Interest请求。
(3)若该Interest请求与之前其他用户发送到该节点的Interest请求不同，则将该Interest请求对应的Interest包通过以太网或GPRS网络转发至数据源处；
(4)数据源将Interest包所请求的数据内容封装到Data包中，并将Data包按照Interest包来时的路径原路返回给用户。
实验例：
针对本发明传输干扰时间和端到端传输时延进行实验测试。本实验部署在一台高性能计算机之上，其中核心计算部件CPU采用Intel(R)Core(TM)i5-3470CPU3.20GHz，每个CPU包括4个核。内存采用DDR34GB频率1600MHz。操作系统采用32位Windows7。本实验首先在高性能计算机上搭建基于NS-3的内容中心网络的实验仿真平台ndnSIM2.0,并利用ndnSIM2.0进行实验。实验代码为338行，采用C++程序语言实现。实验结果表明，内容中心网络的传输干扰时间为447ms，与GSM-R系统规定的QoS指标800ms相比具有很大的优势；同时，对于没有缓存在路由节点的Data包来说内容中心网络的端到端传输时延为小于405ms,对于缓存在路由节点的Data包来说则小于203ms,两者情况均远远低于当前GSM-R系统要求的500ms。综上所述，基于内容中心网络的GSM-R系统的传输干扰时间和端到端传输时延远远优于GSM-R系统要求的指标值。由此表明，本发明能够适应高速移动的通信环境。
尽管上面结合附图对本发明进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨的情况下，还可以做出很多变形，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (2)

1.一种基于内容中心网络的高速铁路通信系统架构，包括应用层、网络层和物理层，其特征在于：所述应用层采用基于TCP/IP协议分组数据通信模式的协议；所述网络层采用以内容为中心的网络协议从而形成内容中心网络；数据自所述应用层并经过封装之后进入到内容中心网络，最终，经过物理层转发出去。
2.一种基于内容中心网络的高速铁路通信方法，其特征在于，采用如权利要求1所述基于内容中心网络的高速铁路通信系统架构，当用户发送申请某一内容的Interest请求时，其中，所述网络层的数据传输过程如下：
步骤一、将该Interest请求的内容名字封装在Interest包中，并转发至内容中心网络中；
步骤二、网络中的路由器收到Interest包时，按照以内容为中心的网络协议处理该Interest请求；
步骤三、若该Interest请求与之前其他用户发送到该节点的Interest请求不同，则将该Interest请求对应的Interest包通过以太网或GPRS网络转发至数据源处；
步骤四、数据源将Interest包所请求的数据内容封装到Data包中，并将Data包按照Interest包来时的路径原路返回给用户。
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