CN108881511A - 一种同构网络通信方法 - Google Patents

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吕金泉
徐文学
杨国文
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Abstract

本发明提供了一种同构网络通信方法，包括：S1.使用IEC61375‑2‑5协议计算列车多个车厢单元ETBN之间的连接关系，分配网段；S2.车厢单元A的通信设备向其ETBN发送DNS请求报文，请求目的车厢单元B的全局IP地址；S3.ETBN给与反馈；S4.车厢单元A向其ETBN发送IP报文，源IP为私网IP地址，目的IP为车厢单元B的通信设备的全局IP地址；S5.车厢单元A的ETBN接收到报文后，进行NAT地址转换，并将转换后的报文发送给车厢单元B的ETBN；S6.车厢单元B的ETBN接收到报文后，进行NAT地址转换，发送给车厢单元B；S7.车厢单元B的通信设备收到报文。本发明采用列车绝对位置的方法来计算全局IP地址，极大简化了访问规则，并进行通信优化。

Description

一种同构网络通信方法
技术领域
本发明涉及列车通信技术领域，尤其是涉及一种同构网络通信方法。
背景技术
目前，现代交通工具(例如高铁列车)通常由多个车厢单元拼接而成，每个列车所包含的车厢单元的数量可以根据实际需要灵活调整。每个车厢单元的出厂配置都是相同的，从生产角度来看，这样可以降低生产难度，减少生产配置难度；从维护角度来看，列车作为高强度使用的易损设施，现场可以独立维护或更换非常重要，每个车厢单元的出厂配置相同，可以大幅度降低现场替换列车中某一个或几个车厢单元的难度，从而降低总体维护成本。实现上述目标，要求列车内部的每个车厢单元终端必须映射到一个虚拟全局IP(Internet Protocol，网络之间互联的协议)地址。
IEC61375协议族定义了基本列车通信网络，描述了列车拓扑发现协议以及DNS(Domain Name System，域名系统)域名规范，推荐了两种映射全局IP地址的方法：一种是通过DHCP(Dynamic Host Configuration Protocol，动态主机配置协议)方式，根据列车拓扑变化动态分配全局IP地址给终端；一种是通过访问终端与被访问终端之间的间隔距离为参数计算的虚拟全局IP映射机制。第一种方法的缺点是对于终端的要求较高，目前大部分终端不支持动态DHCP方式配置IP；第二种方法的缺点是终端之间的访问规则复杂，需要根据相对位置来计算全局IP地址。
公开于该背景技术部分的信息仅仅旨在加深对本发明的总体背景技术的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域技术人员所公知的现有技术。
发明内容
本发明的目的在于提供一种同构网络通信方法，以解决现有技术中存在的列车内配置相同的车厢单元在网络通信时访问规则复杂的技术问题。
为解决上述技术问题，本发明提供的一种同构网络通信方法，该通信方法包括：
S1.使用IEC61375-2-5协议计算列车多个车厢单元ETBN(Ethernet TrainBackbone Node，以太网列车骨干网节点)之间的连接关系，根据计算结果，使得各ETBN依次排列并分配网段；
S2.其中车厢单元A的通信设备向其ETBN发送DNS请求报文，请求目的车厢单元B的通信设备的全局IP地址，所述全局IP地址中包括：车厢单元B的ETBN的网段和车厢单元B的通信设备的主机位；
S3.ETBN反馈车厢单元B的通信设备的全局IP地址；
S4.车厢单元A的通信设备向其ETBN发送IP报文，源IP为该通信设备的私网IP地址，目的IP为车厢单元B的通信设备的全局IP地址；
S5.车厢单元A的ETBN接收到报文后，进行NAT(Network Address Translation，网络地址转换)地址转换，将报文的源IP修改为车厢单元B的通信设备的全局IP地址，目的IP保持不变，并将转换后的报文发送给车厢单元B的ETBN；
S6.车厢单元B的ETBN接收到报文后，进行NAT地址转换，将报文的目的IP修改为车厢单元B的通信设备的私网IP地址，源IP保持不变，并将转换后的报文发送给车厢单元B的通信设备；
S7.车厢单元B的通信设备收到报文。
更进一步的，车厢单元A的通信设备和车厢单元B的通信设备具有相同的私网IP地址。
更进一步的，通过设置ETBN中ASIC(Application Specific IntegratedCircuit，专用集成电路)芯片的ACL(Access Control List，访问控制列表)规则，从ECN端口进入ASIC芯片的IP报文转发到F1端口，进入FPGA(Field-Programmable Gate Array，现场可编程门阵列)处理，FPGA进行报文NAT转换后，从F2端口进入ASIC芯片，ASIC芯片根据路由表项，决定报文转发的ETB端口并转发报文。
采用上述技术方案，本发明具有如下有益效果：
在IEC61375协议族的基础上进行重大改进，采用列车绝对位置的方法来计算全局IP地址，极大简化了访问规则，并进行通信优化。
报文NAT由于涉及报文内容转换，需要修改报文字段并重新计算校验和，因此，目前现有的NAT转换大部分是采用软件转换方式，即CPU接收报文，根据NAT规则转换之后，再由CPU发出该报文。这种方式的缺点是转换速率较慢，且延时较大，通常软件NAT转换速率在10M以下，转换时延在1毫秒以上。本发明采用了硬件FPGA方案进行NAT地址转换，转换速率达到90M以上，转换时延在50微秒以下，极大地提升了NAT转换性能。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，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的附图。
图1为本发明的终端报文经过交换机处理示意图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。
本实施例中以两个车厢单元之间的通信过程为例进行详细说，车厢单元：一单元、二单元，使用IEC61375-2-5协议计算列车多个车厢单元ETBN之间的连接关系，根据计算结果，使得各ETBN依次排列并分配网段，如一单元ETBN(10.128.64.1)，二单元ETBN(10.128.128.1)；两个单元下属的网络设备的IP地址相同，例如两个单元的CCU_IP＝10.1.0.100。假设一单元CCU(简称CCU_U1)需要与二单元(简称CCU_U2)进行IP报文通信，通信过程如下：
(1)CCU_U1向ETBN发送DNS请求报文，请求CCU_U2的IP地址；
(2)ETBN返回CCU_U2的IP地址为10.128.128.100；
(3)CCU_U1向ETBN发送IP报文，源IP为10.1.0.100，目的IP为10.128.128.100；
(4)一单元ETBN接收到报文之后，进行NAT地址转换，源IP修改为10.128.128.100，目的IP保持不变；把NAT转换之后的报文向二单元ETBN发送；
(5)二单元ETBN接收到报文之后，进行NAT地址转换，目的IP修改为10.1.0.100，源IP保持不变；把NAT转换之后的报文向CCU_U2发送；
(6)CCU_U2收到报文之后，如果需要回复报文，回复报文的处理流程与请求报文的流程类似，返回报文的源IP为10.1.0.100，目的IP为10.128.64.100。
如图1所示，本发明的同构网络通信方法的具体实施步骤如下：
(1)使用IEC61375-2-5协议计算列车多个单元ETBN之间的连接关系，根据计算结果，使各ETBN依次排列(简称ETBN_TU1，ETBN_TU2...)，其中ETBN编号为TUx；
(2)加载XML配置文件，初始化终端私网IP，确保本单元内每个终端都有唯一私网IP；
(3)给ETBN分配网段，网段分配规则如下：ETBN网段＝10.128.0.0+(TUx<<18)；
(4)创建VLAN 1，包含ETB1端口、ETB2端口、F2端口；
(5)创建VLAN 492，包含ETB1端口、ETB2端口；
(6)创建VLAN 1001，包含ECN端口、CPU端口、F1端口
(7)创建ACL规则1：
if(目的IP&255.255.192.0)等于本ETBN网段，则转发至F2端口；
(8)创建ACL规则2：
if(目的IP&255.255.192.0)不等于本ETBN网段，则转发至F1端口；
(9)FPGA转换规则1：
if(目的IP&255.255.192.0)等于本ETBN网段，则目的IP＝10.1.0.0+报文目的IP低14位；同时转发至F1端口；
(10)FPGA转换规则2：
if(目的IP&255.255.192.0)不等于本ETBN网段，则源IP＝10.128.0.0+报文源IP低14位；同时转发至F2端口。
图1中①-⑧表征的是报文从ETBN_TU1传送至ETBN_TU2的处理顺序。通过设置ETBN中ASIC芯片的ACL规则，从ECN端口进入ASIC芯片的IP报文转发到F1端口，进入FPGA处理，FPGA进行报文NAT转换后，从F2端口进入ASIC芯片，ASIC芯片根据路由表项，决定报文ETB端口2转发的并转发报文。
本发明采用列车绝对位置方法来计算全局IP地址，极大简化了访问规则。
报文NAT由于涉及报文内容转换，需要修改报文字段并重新计算校验和，因此，目前现有的NAT转换大部分是采用软件转换方式，即CPU接收报文，根据NAT规则转换之后，再由CPU发出该报文。这种方式的缺点是转换速率较慢，且延时较大，通常软件NAT转换速率在10M以下，转换时延在1毫秒以上。本发明采用了硬件FPGA方案进行NAT地址转换，转换速率达到90M以上，转换时延在50微秒以下，极大地提升了NAT转换性能。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (3)

1.一种同构网络通信方法，其特征在于，该通信方法包括：
S1.使用IEC61375-2-5协议计算列车多个车厢单元ETBN之间的连接关系，根据计算结果，使得各ETBN依次排列并分配网段；
S2.其中车厢单元A的通信设备向其ETBN发送DNS请求报文，请求目的车厢单元B的通信设备的全局IP地址，所述全局IP地址中包括：车厢单元B的ETBN网段和车厢单元B的通信设备的主机位；
S3.ETBN反馈车厢单元B的通信设备的全局IP地址；
S4.车厢单元A的通信设备向其ETBN发送IP报文，源IP为该通信设备的私网IP地址，目的IP为车厢单元B的通信设备的全局IP地址；
S5.车厢单元A的ETBN接收到报文后，进行NAT地址转换，将报文的源IP修改为车厢单元B的通信设备的全局IP地址，目的IP保持不变，并将转换后的报文发送给车厢单元B的ETBN；
S6.车厢单元B的ETBN接收到报文后，进行NAT地址转换，将报文的目的IP修改为车厢单元B的通信设备的私网IP地址，源IP保持不变，并将转换后的报文发送给车厢单元B的通信设备；
S7.车厢单元B的通信设备收到报文。
2.如权利要求1所述的通信方法，其特征在于，车厢单元A的通信设备和车厢单元B的通信设备具有相同的私网IP地址。
3.如权利要求1所述的通信方法，其特征在于，通过设置ETBN中ASIC芯片的ACL规则，从ECN端口进入ASIC芯片的IP报文转发到F1端口，进入FPGA处理，FPGA进行报文NAT转换后，从F2端口进入ASIC芯片，ASIC芯片根据路由表项，决定报文转发的ETB端口并转发报文。
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