CN106330377A - 轨道列车宽带网络实时性数据传输系统及方法 - Google Patents

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Abstract

轨道列车宽带网络实时性数据传输系统及方法，所述数据传输系统包括数据终端设备和数据交换设备；所述数据终端设备或数据交换设备执行以下功能模块：同步时间戳模块：记录数据到达设备的时间；所述数据交换设备执行以下功能模块：数据校验模块：用于完成数据长度和CRC校验；数据分类模块：在数据流中识别出实时数据，并转发；数据处理模块：包括实时数据处理模块：用于接收数据分类模块识别出的实时数据，并转发。数据终端设备配置要发送的数据流，数据流中包括实时数据帧，每个实时数据帧配置有数据计划表；数据交换设备接收到数据后，为数据配置数据调度表。采用以上方法，乘客降低数据传输时延和抖动，保证实时数据稳定传输。

Description

轨道列车宽带网络实时性数据传输系统及方法
技术领域
本发明属于网络通信技术领域，涉及一种数据传输系统，具体的说，涉及一种应用于轨道列车宽带网络数据传输的系统及方法。
背景技术
列车通讯数据量剧增，而传统的列车总线无法满足大数据量传输需求。
工业以太网具有稳定性高、通信速率高等优点，随着工业以太网技术的发展，基于工业以太网的列车通信网络因其组网拓扑结构灵活，传输速度高等优点，已成为列车通信网络发展的新方向。
过程数据对传输有相对严格的定时，轨道列车网络中，过程数据传输对实时性、可靠性要求较高，在现有方案中，大多采用在终端应用层，赋予过程数据较高优先级，并在规定时间内发送，来确保过程数据的实时性。这种方案存在以下不足：
(1)网络带宽利用率最多只有30％，造成带宽浪费；
(2)存在端到端的延迟和抖动，需要安全边际；
(3)为在及时、快速的数据传输过程中保证数据传输的精确度和稳定性，需要在数据延时，抖动和带宽间取舍。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种可减少实时数据传输延时和抖动的轨道列车宽带网络实时性数据传输系统及方法。
本发明的技术方案为：轨道列车宽带网络实时性数据传输系统，包括数据终端设备和数据交换设备；数据经一数据终端设备发出，经在数据交换设备中转并最终到达另一数据终端设备；
数据终端设备或数据交换设备执行以下功能模块：
同步时间戳模块：记录数据到达设备的时间；相应的，若同步时间戳模块配置在数据终端设备，则记录的为数据到达数据终端设备的时间，若同步时间戳模块配置在数据交换设备，则记录的为数据到达数据交换设备的时间；
所述数据交换设备执行以下功能模块：
数据校验模块：用于完成数据长度和CRC校验；
数据分类模块：在数据流中识别出实时数据，并转发；
数据处理模块：包括实时数据处理模块：用于接收数据分类模块识别出的实时数据，并转发。
优选的是：所述数据分类模块还用于从数据流中识别出时间同步数据、除时间同步数据和实时数据以外的传统以太网数据，并转发；
所述数据处理模块还包括：同步数据处理模块：用于接收数据分类模块转发的时间同步数据并转发；传统以太网数据处理模块：用于接收数据分类模块转发的转发传统以太网数据并转发；
轨道列车宽带网络实时性数据传输系统还包括配置于数据交换设备中的：
优先级裁决模块：用于接收同步数据处理模块和以太网数据处理模块转发的数据，裁断接收到时间同步数据或以太网数据的优先级，并根据数据优先级将数据转发；
多路选择模块：用于接收优先级裁决模块及实时数据处理模块转发的数据，裁断接收到数据的优先级，并根据数据优先级将数据转发。
轨道列车宽带网络实时性数据传输方法，包括以下步骤；
数据终端设备配置要发送的数据流，并转发至数据交换设备；所述数据流中包括实时数据帧，每个实时数据帧配置有数据计划表，所述数据计划表包括数据帧ID、数据帧计划到达时间；更具体的说，每个实时数据帧都有与其对应的唯一的数据计划表，数据计划表中对应的数据帧ID为唯一ID，作为实时数据帧的身份信息。
数据交换设备接收数据，记录实时数据帧到达时间，获取实时数据帧长度，为实时数据帧建立数据调度表，所述调度表中包含以下信息：数据帧到达时间、数据帧发送时间、数据帧ID、数据帧长度及数据帧指定存放位置；所述指定存放位置是指数据帧在数据交换设备中的存放位置；所述数据帧发送时间，是以交换机的数据发送周期为基准，与数据帧接收时间最近的数据发送周期对应的时间；
将数据调度表中内容与数据计划表中内容比较，若数据调度表中的信息与数据计划表中的信息一致，则将实时数据帧存放在数据帧指定存放位置，否则，丢弃该数据帧。
本发明的有益效果为：
(1)本发明基于同步以太网时钟协议，提出了一种列车宽带网络实时性数据的传输系统和方法。传输系统将数据分为实时性数据、时间同步数据和传统以太网数据(除时间同步数据和实时数据以外的非实时数据)，针对不同的数据，采用不同的调度机制。
(2)为实时数据配置时间戳，提供端到端专用通道，通过数据计划表和数据调度表，数据传输具有严格确定的控制时序。
(3)对时间同步数据和传统以太网数据，采用转发、查询比较优先级的方式转发，确保此类数据按需传输。
(4)与传统的以太网数据传输方式相比，本发明带宽利用率大幅度提升；数据传输具备极低的时延，微秒级抖动；极大的降低了网络环境对实时性数据传输的影响。
附图说明
图1为数据传输系统结构框图。
图2为数据传输系统硬件结构图。
图3为数据传输系统数据流向图。
图4为实时数据处理流程图。
具体实施方式
以下将结合附图对本发明的具体实施方式进行进一步的描述。
轨道列车宽带网络实时性数据传输系统，包括数据终端设备和数据交换设备；数据经一数据终端设备发出，经一个或多个数据交换设备中转并最终到达另一以太网数据终端设备。
本实施例中，数据终端设备采用以太网终端，数据交换设备采用以太网交换机。
以太网终端分为源设备和宿设备，源设备为数据流发出设备，宿设备为数据流目的到达设备。同一数据传递路径，源设备有一个，宿设备可为一个或多个，例如，若传递的数据流为多播或广播，则会有多个宿设备。
以太网终端或以太网交换机执行以下功能模块：
同步时间戳模块：记录数据到达设备的时间；相应的，若同步时间戳模块配置在以太网终端，则记录的为数据到以太网终端的时间，若同步时间戳模块配置在以太网交换机，则记录的为数据到达以太网交换机的时间。
为降低对以太网终端的要求，本实施例中，将同步时间戳模块配置在以太网交换机中实现。传输数据经以太网终端到达以太网交换机时，先记录数据到达以太网交换机的时间。
除同步时间戳模块外，以太网交换机内还配置执行以下模块：
数据校验模块：用于完成数据长度和CRC校验；
数据分类模块：用于识别数据类型，将数据分为时间同步数据、传统以太网数据和实时数据；
数据处理模块：包括实时数据处理模块：用于接收数据分类模块识别出的实时数据，并转发。
实时数据在列车上主要是过程数据，该类数据对传输有严格的时间要求；在以太网总线网络中，采用周期性传送，传送频率取决于实时数据的紧迫性。
数据通过以上功能模块处理，可实现在不影响传统以太网数据传输的前提下，确保实时数据在网络中的实时传输，严格按照控制时序进行数据流转发。
数据终端设备配置要发送的数据流；所述数据流中包括实时数据帧，每个实时数据帧配置有数据计划表，所述数据计划表包括数据帧ID、数据帧计划到达时间；
数据交换设备接收数据，记录实时数据帧到达时间，获取实时数据帧长度，为实时数据帧建立数据调度表；调度表中包含以下信息：数据帧ID、数据帧到达时间、数据帧发送时间、数据帧长度及数据帧指定存放位置；指定存放位置是指数据帧在数据交换设备中的存放位置；
将数据调度表中内容与数据计划表中内容比较，若数据调度表中的信息与数据计划表中的信息一致，则将实时数据帧存放在数据帧指定存放位置，否则，丢弃该数据。
以太网终端设备配置要发送的数据流；数据流中包括实时数据帧，每个实时数据帧配置有数据计划表，数据计划表包括数据帧ID、数据帧计划到达时间。
以太网终端设备配置好数据流之后，将数据流转发出。
数据交换设备接收数据，记录实时数据帧到达时间，获取实时数据帧长度，为实时数据帧建立数据调度表；调度表中包含以下信息：数据帧ID、数据帧到达时间、数据帧发送时间、数据帧长度及数据帧指定存放位置；指定存放位置是指数据帧在数据交换设备中的存放位置；
将数据调度表中内容与数据计划表中内容比较，若数据调度表中的信息与数据计划表中的信息一致，则将实时数据帧存放在数据帧指定存放位置，否则，丢弃该数据帧。
数据调度表中配置的数据帧发送时间，是以交换机的数据发送周期为基准，与数据帧接收时间最近的数据发送周期对应的时间。
如图2和图3所示，为实时数据传输系统的一种实施方式结构图。本实施例中，主机1、主机2、主机3、主机4和主机5对应的为以太网终端设备，交换机1、交换机2、交换机3、交换机4和交换机5对应的为以太网交换机。其中：
主机1经交换机1、交换机2、交换机4与主机2和主机3之间建立数据传递链路；
主机1经交换机1、交换机2、交换机3和交换机5与主机4之间建立数据传递链路；
主机1经交换机1、交换机2、交换机3与主机5之间建立数据传递链路；
主机2经交换机4与主机3之间建立数据传递链路；
主机3经交换机4、交换机2与主机5之间建立数据传递链路；
主机4经交换机5、交换机3与主机5之间建立数据传递链路。
其对应数据流收发需求表如表1所示。
表1数据流收发需求表
数据流 源设备 宿设备 数据帧长度 发送周期 延迟 抖动
数据流1 主机1 主机2，主机3 456Byte 32ms 8ms 8ms
数据流2 主机2 主机3 56Byte 64ms 4ms 8ms
数据流3 主机3 主机5 32Byte 128ms 8ms 8ms
数据流4 主机4 主机5 152Byte 256ms 4ms 8ms
如图4所示，为数据流处理流程图。
以主机1到主机2和主机3的数据流传递链路为例。在主机1中配置待发送的数据流，数据流包括实时数据帧，每个实时数据帧配置有数据计划表，数据计划表包括数据帧ID、数据帧计划到达各中转交换机的时间。对应该数据链路，包括数据帧到达交换机1的时间，数据帧到达交换机2的时间，数据帧到达交换机4的时间。
数据流配置好后，首先转发到交换机1，交换机1接收到数据流后，记录实时数据帧到达交换机1的时间，获取实时数据帧长度，为实时数据帧建立数据调度表；调度表中包含以下信息：数据帧ID、数据帧到达时间、数据帧发送时间、数据帧长度及数据帧在交换机1中的指定存放位置。此处所述数据帧到达时间是指其到达交换机1的时间，由同步时间戳模块获取；数据帧长度由数据校验模块获取。
交换机1将数据调度表中内容与数据计划表中内容比较，若数据调度表中的信息与数据计划表中的信息一致，数据帧ID相匹配、数据帧计划到达交换机1的时间与数据帧到达交换机1的时间相匹配，则认为该数据为可靠准确的数据，将实时数据帧存放在数据帧在交换机1中的指定存放位置，否则，丢弃该数据帧。
交换机1中数据计划调度表中数据帧发送时间是指数据计划从交换机1发送到交换机2的时间，为保证数据传输的实时性，以数据帧到达交换机1的时间和交换机1的发送频率为基准，选取与数据帧到达交换机1最接近的交换机发送时间作为数据帧发送时间。若数据为可靠准确的数据，在制定位置缓存后，将在与其存储时间最近的一个交换机1发送周期转发。
交换机2接收到交换机1转发的数据，为数据帧建立数据调度表，记录实时数据帧到达交换机2的时间，获取实时数据帧长度，为实时数据帧建立数据调度表；同样包含以下信息：数据帧ID、数据帧到达时间、数据帧发送时间、数据帧长度及数据帧在交换机2中的指定存放位置。此处所述数据帧到达时间是指其到达交换机2的时间，由同步时间戳模块获取；数据帧长度由数据校验模块获取。
交换机2将数据调度表中内容与数据计划表中内容比较，若数据调度表中的信息与数据计划表中的信息一致，数据帧ID相匹配、数据帧计划到达交换机2的时间与数据帧到达交换机2的时间相匹配，则认为该数据为可靠准确的数据，将实时数据帧存放在数据帧在交换机2中的指定存放位置，否则，丢弃该数据帧。
交换机2中数据计划调度表中数据帧发送时间是指数据计划从交换机2发送到交换机4的时间，为保证数据传输的实时性，以数据帧到达交换机2的时间和交换机2的发送频率为基准，选取与数据帧到达交换机1最接近的交换机发送时间作为数据帧发送时间。若数据为可靠准确的数据，在制定位置缓存后，将在与其存储时间最近的一个交换机2发送周期转发。
交换机4获取交换机2转发的数据，并执行与交换机1及交换机2同样的数据处理流程，为数据帧配置数据调度表。交换机4中数据调度表对应的数据到达时间是指数据帧到达交换机4的时间，数据发送时间是指数据帧经由交换机4发出的时间。交换机4将有效数据转发，最终由主机2和主机3获取，完成实时数据传递过程。
更具体的说，列车上的数据除实时数据外，还包括时间同步数据和传统以太网数据。
除实时数据外，本系统对对时间同步数据和传统以太网数据采用以下处理流程。
更进一步的，为实现对时间同步数据和传统以太网数据的转发，可以区分时间同步数据和传统以太网数据(此处，传统以太网数据是指除时间同步数据和实时数据之外的以太网数据)，数据处理模块还进一步包括同步数据处理模块：用于接收数据分类模块转发的时间同步数据并转发；传统以太网数据处理模块：用于接收数据分类模块转发的转发传统以太网数据并转发。
轨道列车宽带网络实时性数据传输系统还包括配置于数据交换设备中的：
优先级裁决模块：用于接收同步数据处理模块和以太网数据处理模块转发的数据，裁断接收到时间同步数据或以太网数据的优先级，并根据数据优先级将数据转发；
多路选择模块：用于接收优先级裁决模块及实时数据处理模块转发的数据，裁断接收到数据的优先级，并根据数据优先级将数据转发。具体的说，优先级裁决模块转发的时间同步数据、传统以太网数据和实时数据处理模块转发的实时数据都会到达多路选择模块，由多路选择模块根据数据优先级将其接收到的数据转发。其中，实时数据的优先级最高，时间同步数据和传统以太网数据的优先级取决于具体设定。
(1)传统以太网数据
在列车控制网络中，消息数据、流数据等类型数据，相对于过程数据，实时性要求不高，通常采用非周期的按需发送。因此，可采用传统以太网数据传输。
数据分类模块将传统以太网数据帧转发的传统以太网数据处理模块。数据交换设备为传统以太网数据帧配置MAC地址转发表，当数据帧到达传统以太网数据处理模块，将数据帧目的MAC地址和源MAC地址用来进行数据MAC地址转发表的查询和学习。数据交换设备可能会出现多个端口同时到达数据帧的情况。因此，需要有机制确保各数据帧查询转发表的先后顺序。然后，根据MAC地址查表，如果命中，便得到该帧应该从哪一个端口发送出去的信息，否则就广播该帧，对源MAC地址进行学习，学习的过程分为三个步骤：
1)查询MAC地址转发表，如果源MAC地址在表中，则执行(2)；否则执行步骤(3)；
2)更新MAC地址转发表；
3)将源MAC地址存入MAC地址转发表中；
当出现多个端口同时到达数据帧的情况时，按照帧优先级先后进行裁决，谁先进入下步查表操作。这样，减少了帧的时延、抖动。
(2)时间同步数据
时间同步数据，主要实现整个列车控制网络中，所有数据交换设备保持时间同步。优先级可设置比上述两类数据低。时间同步数据采用广播转发。

Claims (4)

1.轨道列车宽带网络实时性数据传输系统，其特征在于：包括数据终端设备和数据交换设备；
所述数据终端设备或数据交换设备执行以下功能模块：
同步时间戳模块：记录数据到达设备的时间；
所述数据交换设备执行以下功能模块：
数据校验模块：用于完成数据长度和CRC校验；
数据分类模块：在数据流中识别出实时数据，并转发；
数据处理模块：包括实时数据处理模块：用于接收数据分类模块识别出的实时数据，并转发。
2.如权利要求1所述的轨道列车宽带网络实时性数据传输系统，其特征在于：所述数据分类模块还用于从数据流中识别出时间同步数据、除时间同步数据和实时数据以外的传统以太网数据，并转发；
所述数据处理模块还包括：同步数据处理模块：用于接收数据分类模块转发的时间同步数据并转发；传统以太网数据处理模块：用于接收数据分类模块转发的转发传统以太网数据并转发；
轨道列车宽带网络实时性数据传输系统还包括配置于数据交换设备中的：
优先级裁决模块：用于接收同步数据处理模块和以太网数据处理模块转发的数据，裁断接收到时间同步数据或以太网数据的优先级，并根据数据优先级将数据转发；
多路选择模块：用于接收优先级裁决模块及实时数据处理模块转发的数据，裁断接收到数据的优先级，并根据数据优先级将数据转发。
3.采用权利要求1或2所述的轨道列车宽带网络实时性数据传输系统进行轨道列车宽带网络实时性数据传输方法，其特征在于，包括以下步骤；
数据终端设备配置要发送的数据流；所述数据流包括实时数据帧，每个实时数据帧配置有数据计划表，所述数据计划表包括数据帧ID、数据帧计划到达时间；
数据交换设备接收数据，记录实时数据帧到达时间，获取实时数据帧长度，为实时数据帧建立数据调度表；所述调度表中包含以下信息：数据帧ID、数据帧到达时间、数据帧发送时间、数据帧长度及数据帧指定存放位置；所述指定存放位置是指数据帧在数据交换设备中的存放位置；
将数据调度表中内容与数据计划表中内容比较，若数据调度表中的信息与数据计划表中的信息一致，则将实时数据帧存放在数据帧指定存放位置，否则，丢弃该数据帧。
4.如权利要求3所述的轨道列车宽带网络实时性数据传输方法，其特征在于：所述数据帧发送时间，是以交换机的数据发送周期为基准，与数据帧接收时间最近的数据发送周期对应的时间。
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