CN108183779B - 一种铁路信号ctc/tdcs系统的双通道冗余数据传输处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种铁路信号CTC/TDCS系统的双通道冗余数据传输处理方法，可实现对铁路信号CTC/TDCS系统在双通信链路的组网结构下以双通道冗余方式传输数据，从而即使某一条通信网络或网络设备出现故障也不会丢失应用数据，不影响CTC/TDCS系统功能实现，保证数据传输的时序性、完整性、时限性。

Description

一种铁路信号CTC/TDCS系统的双通道冗余数据传输处理方法

技术领域

本发明涉及轨道交通技术领域，尤其涉及一种铁路信号CTC/TDCS系统的双通道冗余数据传输处理方法。

背景技术

CTC/TDCS系统目前广泛应用于铁路轨道交通领域，主要实现对列车运行的监督和控制，辅助行车调度人员对全线列车进行管理，它在提高轨道交通运输效率和保障运行安全方面起到了非常重要的作用。

CTC/TDCS系统中心子系统的通信服务器与车站子系统的自律机硬件一般均为双机热备，每台机器有2块独立网卡。中心通信服务器与车站之间一般通过2条不同路径的通信链路(光纤或同轴揽)构建广域网进行通信。中心通信服务器和车站均有交换机、协议转换器、防雷器件、通信转换接口等设备，由路由器负责路由选择。CTC/TDCS系统在中心通信服务器、车站自律机上运行应用软件，建立逻辑通道连接，实现数据传输。

如图1所示，为中心通信服务器与车站自律机的组网示意图；示意图中，协议转换器、防雷器件、通信转换接口等设备均未画出。

如图1所示，车站的网络分为A网、B网，且A网、B网双网融合，交换机与路由器之间交叉互连。每台机器2块网卡分别对应A网、B网，每块网卡通过路由器A作为网关、路由器B作为网关均能与中心设备连通。

软件层面，中心通信服务器与车站自律机之间的应用软件通过建立TCP连接传输数据，即在通信链路上建立一条逻辑通道连接(简称为“逻辑通道”)，进行数据收发，实现中心与车站之间的信息交互。逻辑通道在建立时，由发起方指定对方服务器的IP地址及监听端口Port后，底层操作系统会自动尝试完成。中心通信服务器与车站自律机之间的逻辑通道如图2所示。逻辑通道建立时，由操作系统内部默认选择本地一个网卡IP资源，按顺序尝试与对方服务器的2个IP资源建立逻辑通道，具体由哪条通信链路承载此通道，由交换机、路由器底层自行动态路由选择；一般与对方服务器任一网卡IP建立连接，即完成一条逻辑通道的建立。

但是，上述方案的缺陷在于：中心通信服务器与车站自律机的逻辑通道在端与端之间(比如一台自律机与一台通信服务器之间)只有1个；此通道在本地的网卡资源(IP地址)选择时，一般由底层操作系统默认；连接服务端的网卡资源(IP地址)时，对2个网卡资源(IP地址)一般会按照顺序尝试，只要一个连接成功即可，如果第一个IP无法连通，则继续尝试第2个IP资源，如此反复，直至一个连接成功。中心通信服务器与车站自律机的应用层软件对该逻辑通道底层使用了本地哪个网络资源是未知的，对该逻辑通道是在哪条广域网的物理链路承载更是不透明的。如果一台机器的某网卡出现故障，且该网卡恰好是操作系统默认使用中的网络资源，就会导致逻辑通道中断，需重新建立通道。同样，若一条广域网的物理链路出现故障，而此链路恰好为正承载数据传输的链路时，也会导致上述中断出现，底层路由器进行链路切换路由选择，耗时较长，相应也会导致逻辑通道重建较慢。以上场景均会导致中心和车站之间的逻辑通道重置，重置过程中部分应用数据丢失。

目前还存在另一种方案：中心通信服务器和车站自律机，通过专门的软件对双网卡进行绑定合并，合成为一个网卡资源，这样中心和车站之间简化为单网卡通信，即时发生一块物理网卡故障，也不会影响既有的逻辑通道状态，不会引起通道的重置。

由于铁路现场应用中，广域网的2M链路极易受到干扰，CTC/TDCS的广域网通道环节涉及的设备很多，路由器端口、协议转换器、防雷器件、同轴/光纤接头、传输设备等任一部分存在不良或者受到电磁干扰时，均会导致CTC通道质量误码，从而影响CTC/TDCS系统的数据传输。与铁路通信部门诊断故障时发现，由于2条2M链路是独立布网，两条链路同时出现误码故障的概率很低，一般是某一条链路出现偶发性的问题，另外一条链路工作正常。而在双网卡绑定的模式下，车站与中心的逻辑通道承载在哪条广域网2M链路仍是不可控的，若承载逻辑通道的那条广域网发生误码、丢包等故障时，仍不可避免的导致逻辑通道重置。

发明内容

本发明的目的是提供一种铁路信号CTC/TDCS系统的双通道冗余数据传输处理方法，可以保证数据传输的时序性、完整性、时限性。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种铁路信号CTC/TDCS系统的双通道冗余数据传输处理方法，包括：

CTC/TDCS系统的中心通信服务器与车站自律机均为双机热备形式，且每一机器均具有两块独立网卡；每一中心通信服务器中的第一网卡都通过车站的路由器A分别与每一自律机的第一网卡连接，形成第一条通信网络；每一中心通信服务器中的第二网卡都通过车站的路由器B分别与每一自律机的第二网卡连接，形成第二条通信网络；

当中心通信服务器与自律机进行通信时，由信息的发送方按照预定逻辑对数据包做处理后通过两条通信网络分别独立的传输至接收端，并由接收方对数据包做后续处理。

由上述本发明提供的技术方案可以看出，可实现对铁路信号CTC/TDCS系统在双通信链路的组网结构下以双通道冗余方式传输数据，从而即使某一条通信网络或网络设备出现故障也不会丢失应用数据，不影响CTC/TDCS系统功能实现，保证数据传输的时序性、完整性、时限性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。

图1为本发明背景技术提供的现有技术中的中心通信服务器与车站自律机的组网示意图；

图2为本发明背景技术提供的现有技术中的中心通信服务器与车站自律机之间的逻辑通道示意图；

图3为本发明实施例提供的一种铁路信号CTC/TDCS系统的双通道冗余数据传输处理方法的流程图；

图4为本发明实施例提供的系统组网示意图；

图5为本发明实施例提供的按照图4方式组网后逻辑通道示意图；

图6为本发明实施例提供的角色登陆及验证交互过程示意图。

具体实施方式

下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

本发明实施例提供一种铁路信号CTC/TDCS系统的双通道冗余数据传输处理方法，如图3所示，其主要包括：

步骤1、CTC/TDCS系统的中心通信服务器与车站自律机均为双机热备形式，且每一机器均具有两块独立网卡；每一中心通信服务器中的第一网卡都通过车站的路由器A分别与每一自律机的第一网卡连接，形成第一条通信网络；每一中心通信服务器中的第二网卡都通过车站的路由器B分别与每一自律机的第二网卡连接，形成第二条通信网络。

步骤2、当中心通信服务器与自律机进行通信时，由信息的发送方按照预定逻辑对数据包做处理后通过两条通信网络分别独立的传输至接收端，并由接收方对数据包做后续处理。中心通信服务器、自律机均既作为信息的发送方，同时又作为信息的接收方。

如图4所示，为实现上述方案的系统组网示意图。中心通信服务器与车站自律机组网时，双网独立，不再交叉连接。网络配置上，一个路由器的2个以太网口，仅使用一个，另外一个以太网口作为冷备使用。通过硬件组网的调整及路由的设定，车站的A网、B网完全独立，这样保证车站自律机的网卡A要与中心设备通信时，只能通过交换机A、路由器A，从而选择广域网A(图中通信链路2M网络1)；网卡B要与中心设备通信时，只能通过交换机B、路由器B，然后选择广域网B(图中通信链路2M网络2)。

本发明实施例中，软件层，端与端之间(比如每台自律机与每台中心通信服务器之间)的逻辑通道不再只建立1条而是建立2条，同时建立逻辑通道时，强制绑定(bind)本地的IP地址及对端IP地址，如图5所示。

由于A/B网段的隔离，对一条逻辑通道，确定本地IP资源、对方服务器IP资源，会唯一确定一条广域网链路，即唯一确定了该逻辑通道由哪条通信网络承载。应用层软件在2条逻辑通道上传输两份相同的数据，冗余传输。

通过以上方式，所有的应用数据包会在2条通信网络上传输，此时应用层软件增加逻辑，数据接收方需对2条通道收到的数据进行冗余处理，做到双通道正常时数据冗余重复过滤，相同的数据只处理一份；单条通道故障的情况下使用正常通道的有效数据。

基于数据接收方的角度，设计保护算法，实现信息帧的合法性、正确性、有效性、时限性、次序性检查，主要流程包括：

1、角色的登陆与验证交互

中心通信服务器与车站自律机连接后，基于通信网络建立逻辑通道，之后进行角色登陆及验证交互，以完成身份的合法性检查；车站自律机为申请端，通信服务器为校验端，流程如如图6所示，主要包括：

由自律机发出申请登陆消息(LoginReq Msg)，中心通信服务器收到此消息后，对其中的用户名、密码与设备实体ID进行相应检查，检查通过后，向自律机反馈认证成功消息(LoginAuthen Msg)；之后双方均向对方发送本地实体的主备状态及设备信息，尝试建立的安全冗余连接，收到对方的RSR消息后，主动向对方发送RSR确认消息(RSR-Confirm Msg)；

如果在T_Logintimout秒之内未收到对方的RSR确认消息，视为此次验证失败，通信的双方均进行重置，重新开始逻辑通道的建立及初始化过程，T_Logintimout为登陆验证超时检查时间；

经过登陆认证之后，通信双方视为安全冗余连接建立成功，能够进行数据包发送；

同时，通信双方以T_Hearttime秒定时发送心跳数据，以维持安全冗余连接的状态，T_Hearttime为心跳定时时间。

2、应用数据的双通道逻辑处理：

1)发送方按照预定逻辑对数据包做处理。

a、在每一数据包中增加SN序号字段，SN序号范围为[0,65535]。发送方在发送数据时，须填写本端发送方的SN序号，记为SN_send；

b、在每一数据包中还增加发送方的设备实体ID与系统当前时间字段，由发送方在发送该数据包时填写；

c、在安全冗余连接初次建立或者每一次重置时，发送方均将SN_send序号初始化为0；

d、发送方对相同的接收方发送数据时，向两条安全冗余连接发送的两个数据包SN序号须相同；为此发送方维护一个<SN_send,OppRecvDevID>的Map映射列表，其中，OppRecvDevID为对端接收方的设备实体ID；

e、发送方每向接收方发送一包数据，更新本地下一次发送数据时的SN序号SN_next：在SN_send<65535时，SN_next为SN_send顺序加1，在SN_send＝65535时，SN_next变为1。

2)接收方对数据包做后续处理

a、接收方对接收到的每一包应用数据进行时间检查：

接收方比较当前时间与数据包内部的发送时间，如果T_Current>＝T_Packsendtime且T_Current-T_Packsendtime<＝T_Packtimeout，则视为数据有效；否则抛弃此数据；其中T_Current为当前时间，T_Packsendtime为数据包内部发送方填写的时间，T_Packtimeout为最大网络传输时延；

b、接收方需要对接收到的每一包应用数据进行序号控制检查：

接收方需要缓存记录上一次从该发送方设备实体ID接收到的数据包序号SN，记为<SN_last,OppSendDevID>Map映射列表，其中SN_last为上一次有效数据包的序号，OppSendDevID为对端发送方设备实体ID；接收方收到序号为0的数据时，不再进行后续序号控制检查，视此数据为有效数据，并重置该发送方设备实体ID的SN_last；

接收方对收到数据包的SN序号与发送方设备实体ID做缓存，记为<SN_recv,OppSendDevID>Map映射列表，缓存T_{Packvalidtime}秒；其中SN_recv为接收到的数据包序号，T_{Packvalidtime}为数据最大缓存时间；

接收方对新收到数据中的<SN_recv,OppSendDevID>进行缓存匹配检查，如果缓存中已经存在相同的<SN_recv,OppSendDevID>，则视为冗余数据，不处理此包数据；否则需要继续检查处理；

接收方检查此次数据包的SN_recv，比较上一次从该发送方设备实体ID收到的SN_last，如果满足如下：

SN_recv-SN_Last>0；

或

SN_recv∈[1,SN_{LostThreshold}]且SN_Last∈[65535-SN_{LostThreshold},65535]，则视为有效的合法数据，并更新SN_last值；否则视为无效数据，抛弃不处理；

其中，SN_{LostThreshold}是一个最大丢包容忍阈值，用来设置双通道冗余传输方式下能容忍的最大丢包数目；

c、如果接收方超过T_PackDelta秒仍未收到经过双通道冗余检查的有效应用数据时，视为逻辑通道异常，重置逻辑通道与安全冗余连接；其中T_PackDelta为设定的阈值。

本发明实施例中，每一台车站自律机均与两台中心通信服务器建立了网络通道，由于是双网卡设计，所以每一台车站自律机与每一台中心通信服务器都需要建立两条逻辑通道，则每一台车站自律机需要建立四条逻辑通道，每条逻辑通道均需要独立的发出登陆申请；只有验证通过后，才把这个“连接”视为可用的，之后可以发送或接收数据。

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披露的技术范围内，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书的保护范围为准。

Claims (2)

1.一种铁路信号CTC/TDCS系统的双通道冗余数据传输处理方法，其特征在于，包括：

CTC/TDCS系统的中心通信服务器与车站自律机均为双机热备形式，且每一机器均具有两块独立网卡；每一中心通信服务器中的第一网卡都通过车站的路由器A分别与每一自律机的第一网卡连接，形成第一条通信网络；每一中心通信服务器中的第二网卡都通过车站的路由器B分别与每一自律机的第二网卡连接，形成第二条通信网络；

当中心通信服务器与自律机进行通信时，由信息的发送方按照预定逻辑对数据包做处理后通过两条通信网络分别独立的传输至接收端，并由接收方对数据包做后续处理；

所述发送方按照预定逻辑对数据包做处理包括：

在每一数据包中增加SN序号字段，SN序号范围为[0,65535]；发送方在发送数据时，须填写本端发送方的SN序号，记为SN_send；

在每一数据包中还增加发送方的设备实体ID与系统当前时间字段，由发送方在发送该数据包时填写；

在安全冗余连接初次建立或者每一次重置时，发送方均将SN_send序号初始化为0；

发送方对相同的接收方发送数据时，向两条安全冗余连接发送的数据包SN序号须相同；为此发送方维护一个<SN_send,OppRecvDevID>的Map映射列表，其中，OppRecvDevID为对端接收方的设备实体ID；

发送方每向接收方发送一包数据，更新本地下一次发送数据时的SN序号SN_next：在SN_send<65535时，SN_next为SN_send顺序加1，在SN_send＝65535时，SN_next变为1；

所述接收方对数据包做后续处理包括：

接收方对接收到的每一包应用数据进行时间检查：

接收方比较当前时间与数据包内部的发送时间，如果T_Current>＝T_Packsendtime且T_Current-T_Packsendtime<＝T_Packtimeout，则视为数据有效；否则抛弃此数据；其中T_Current为当前时间，T_Packsendtime为数据包内部发送方填写的时间，T_Packtimeout为最大网络传输时延；

接收方需要对接收到的每一包应用数据进行序号控制检查：

接收方需要缓存记录上一次从该发送方设备实体ID接收到的数据包序号SN，记为<SN_last,OppSendDevID>Map映射列表，其中SN_last为上一次有效数据包的序号，OppSendDevID为对端发送方设备实体ID；接收方收到序号为0的数据时，不再进行后续序号控制检查，视此数据为有效数据，并重置该发送方设备实体ID的SN_last；

接收方对收到数据包的SN序号与发送方设备实体ID做缓存，记为<SN_recv,OppSendDevID>Map映射列表，缓存T_{Packvalidtime}秒；其中SN_recv为接收到的数据包序号，T_{Packvalidtime}为数据最大缓存时间；

接收方对新收到数据中的<SN_recv,OppSendDevID>进行缓存匹配检查，如果缓存中已经存在相同的<SN_recv,OppSendDevID>，则视为冗余数据，不处理此包数据；否则需要继续检查处理；

接收方检查此次数据包的SN_recv，比较上一次从该发送方设备实体ID收到的SN_last，如果满足如下：

SN_recv-SN_Last>0；

或

SN_recv∈[1,SN_{LostThreshold}]且SN_Last∈[65535-SN_{LostThreshold},65535]，则视为有效的合法数据，并更新SN_last值；否则视为无效数据，抛弃不处理；

其中，SN_{LostThreshold}是一个最大丢包容忍阈值，用来设置双通道冗余传输方式下能容忍的最大丢包数目；

如果，接收方超过T_PackDelta秒仍未收到经过双通道冗余检查的有效应用数据时，视为逻辑通道异常，重置逻辑通道与安全冗余连接；其中T_PackDelta为设定的阈值。

2.根据权利要求1所述的一种铁路信号CTC/TDCS系统的双通道冗余数据传输处理方法，其特征在于，

中心通信服务器与车站自律机连接后，基于通信网络建立逻辑通道，之后进行角色登陆及验证交互，以完成身份的合法性检查；车站自律机为申请端，通信服务器为校验端，流程如下：

由自律机发出申请登陆消息，中心通信服务器收到此消息后，对其中的用户名、密码与设备实体ID进行相应检查，检查通过后，向自律机反馈认证成功消息；之后双方均向对方发送本地实体的主备状态及设备信息，尝试建立的安全冗余连接，收到对方的RSR消息后，主动向对方发送RSR确认消息；

如果在T_Logintimout秒之内未收到对方的RSR确认消息，视为此次验证失败，通信的双方均进行重置，重新开始逻辑通道的建立及初始化过程，T_Logintimout为登陆验证超时检查时间；

经过登陆认证之后，通信双方视为安全冗余连接建立成功，能够进行数据包发送；

同时，通信双方以T_Hearttime秒定时发送心跳数据，以维持安全冗余连接的状态，T_Hearttime为心跳定时时间。

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