車地?zé)o線局域網(wǎng)承載TCP/IP實時可靠通信問題的分析

趙麟杰

車地?zé)o線局域網(wǎng)承載TCP/IP實時可靠通信問題的分析

趙麟杰

中國鐵路通信信號上海工程局集團有限公司，上海 200436

軌道交通車地?zé)o線局域網(wǎng)作為車地可靠通信的主要承載技術(shù)，具有通信帶寬大、延時小，能支持多種業(yè)務(wù)系統(tǒng)的特點。但其技術(shù)體制存在天然的傳輸丟包、延遲中斷等問題，會對傳輸車載關(guān)鍵實時信息造成較大影響。因此，分析了TCP/IP傳輸層協(xié)議應(yīng)用于車地?zé)o線局域網(wǎng)時存在的不足之處，提出了對多連接TCP通信協(xié)議的優(yōu)化建議，以實現(xiàn)應(yīng)用系統(tǒng)的實時性、準(zhǔn)確性和可靠性目標(biāo)。

車地?zé)o線局域網(wǎng)；丟包；時延；可靠性；TCP；多連接

引言

基于通信的列車控制系統(tǒng)（CBTC）、乘客信息系統(tǒng)（PIS）、車地列車安防系統(tǒng)都已經(jīng)承載在無線局域網(wǎng)（WLAN）技術(shù)這種新型的數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)之上。車地?zé)o線局域網(wǎng)具有通信帶寬大、延時小，支持車載業(yè)務(wù)類型多的優(yōu)勢，為控制中心實現(xiàn)對列車各種車載信息的監(jiān)控提供了基本能力。本文討論和分析了上述車載信息業(yè)務(wù)系統(tǒng)在車地?zé)o線局域網(wǎng)中傳輸所需要關(guān)注的問題，并提出了優(yōu)化建議。

1 車地?zé)o線局域網(wǎng)的服務(wù)質(zhì)量承載能力

參考RFC2544網(wǎng)絡(luò)基準(zhǔn)測試標(biāo)準(zhǔn)，車地?zé)o線局域網(wǎng)主要服務(wù)質(zhì)量指標(biāo)包括吞吐量、轉(zhuǎn)發(fā)延遲及丟包率。

1.1 吞吐量

吞吐量體現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)節(jié)點之間的數(shù)據(jù)傳輸能力，即每秒能夠傳輸?shù)淖畲髷?shù)據(jù)量，用“Mbps”表示。測試點分別選擇地面端和車載端之間。某城市地鐵線路隧道內(nèi)車地?zé)o線局域網(wǎng)吞吐量測試結(jié)果如圖1所示。

圖1 數(shù)據(jù)傳輸吞吐量測試結(jié)果

測試線路為三站兩區(qū)間，無線信號覆蓋較佳區(qū)域，吞吐量一般穩(wěn)定在18?Mbps。即便是覆蓋不佳區(qū)域，帶寬平均也有14?Mbps。由于實時通信系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳遞包的帶寬利用率較低，所占用的帶寬不超過500?kbps。車地?zé)o線局域網(wǎng)傳輸通道帶寬遠大于系統(tǒng)業(yè)務(wù)帶寬，實現(xiàn)較大的傳輸占空比，非常有利于傳輸?shù)目煽啃浴?/p>

1.2 轉(zhuǎn)發(fā)延遲

轉(zhuǎn)發(fā)延遲主要體現(xiàn)數(shù)據(jù)發(fā)送從網(wǎng)絡(luò)某一節(jié)點至另一節(jié)點接收所需要時間，單位用“s”來表示。由于無法具備測試單向通道時延的條件，因此采用響應(yīng)時間指標(biāo)，即數(shù)據(jù)雙向時延+響應(yīng)端數(shù)據(jù)處理時間。同一地鐵區(qū)間內(nèi)響應(yīng)時間測試結(jié)果如圖2所示。

圖2 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)延遲測試結(jié)果

1.3 丟包率

丟包率體現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)某一節(jié)點至另一節(jié)點數(shù)據(jù)包的丟失情況，即丟失包與發(fā)送數(shù)據(jù)包數(shù)量的比值，一般用%表示。圖2中可以看到漫游切換時，當(dāng)通信設(shè)備緩存能力足夠應(yīng)付時可能不會發(fā)生丟包現(xiàn)象；但當(dāng)數(shù)據(jù)流量超出緩存能力時，還是會發(fā)生數(shù)據(jù)包丟失。丟包代表著數(shù)據(jù)完整性的殘缺，而在車地?zé)o線局域網(wǎng)中不可能完全避免丟包問題，那就需要應(yīng)用系統(tǒng)通過有效的處理手段來彌補。

2 影響TCP/IP實時可靠通信的關(guān)鍵系數(shù)

2.1 UDP通信的不可靠因素

UDP是一種無連接的傳輸層協(xié)議，只能提供面向事務(wù)的簡單不可靠信息傳送服務(wù)。UDP傳送數(shù)據(jù)前不與對方建立連接；不對收到的數(shù)據(jù)進行排序；對接收到的數(shù)據(jù)報不發(fā)送確認(rèn)信號，發(fā)送端不知道數(shù)據(jù)是否被正確接收，也不會重發(fā)數(shù)據(jù)。由于缺乏擁塞控制機制，需要基于網(wǎng)絡(luò)的機制來減小因失控和高速UDP流量負(fù)荷而導(dǎo)致的擁塞崩潰效應(yīng)。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中的丟包、延遲現(xiàn)象較為嚴(yán)重時，應(yīng)用系統(tǒng)將必然發(fā)生數(shù)據(jù)殘缺。因此，面對對實時性可靠性非常高的應(yīng)用系統(tǒng)，不建議在車地?zé)o線環(huán)境下采用UDP通信方式。

2.2 TCP通信的關(guān)鍵因素

TCP一種面向連接的通信技術(shù)。TCP通信連接建立，首先采用三次握手的方式，保證了通信的有效性，如圖3所示：

2.2.1 三次握手（Three-way handshake）

圖3 TCP通信三次握手示意圖

三次握手機制的主要過程包括：請求端（通常稱為客戶）發(fā)送一個SYN報文指明客戶連接的服務(wù)器的端口，以及初始序號；服務(wù)器發(fā)回包含服務(wù)器初始序號的SYN報文應(yīng)答，同時將確認(rèn)序號設(shè)置為客戶的ISN加1進行確認(rèn)。請求端必須將確認(rèn)序號設(shè)置為服務(wù)器的ISN加1進行確認(rèn)（報文段3），這樣實現(xiàn)了客戶端和服務(wù)器初始連接認(rèn)證。

2.2.2 TCP通信報文確認(rèn)機制

當(dāng)TCP發(fā)出一個報文后，啟動一個定時器，等待目的端確認(rèn)收到這個報文。若不能及時收到一個確認(rèn)，將重發(fā)這個報文。當(dāng)TCP收到發(fā)自TCP連接另一端的數(shù)據(jù)，它判斷數(shù)據(jù)無錯誤，則發(fā)送一個確認(rèn)。

基于TCP通信的三次握手機制和報文確認(rèn)機制，就可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)報文的重發(fā)能力。當(dāng)無線網(wǎng)絡(luò)發(fā)生瞬斷時，尤其是AP漫游切換過程階段所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)包丟失，可以有效實現(xiàn)數(shù)據(jù)恢復(fù)能力，因此TCP通信技術(shù)至少可以勝任少量丟包情況時的可靠通信能力。但是較長時間的通信中斷或者通信頻繁中斷，TCP通信的客戶端和服務(wù)器端是如何確保數(shù)據(jù)有效重傳或則中斷后重新連接的，則又是要重點考慮的問題。

2.2.3 TCP通信窗口輪訓(xùn)偵聽機制

由于網(wǎng)絡(luò)丟包中斷情況是隨機產(chǎn)生并頻繁發(fā)生的，會在通信過程中產(chǎn)生無效連接，即服務(wù)器端無法識別TCP是否依然保持連接而繼續(xù)保持連接狀態(tài)，而客戶端實際已近放棄連接而又向服務(wù)器端申請建立連接，因此造成服務(wù)器端連接數(shù)量成幾何級增長，導(dǎo)致內(nèi)存溢出現(xiàn)象的發(fā)生。所以，如何處理這些無效連接也是實際面臨的重要問題之一。

3 TCP/IP通信協(xié)議的優(yōu)化

3.1 Modbus/TCP通信協(xié)議的優(yōu)化

一般車地?zé)o線應(yīng)用系統(tǒng)多采用Modbus/TCP協(xié)議，在此標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議之上可進行二次優(yōu)化，如圖4所示，額外增加了“請求—響應(yīng)”機制（圖中1、2階段），以強化通信的可靠性和穩(wěn)定性。

圖4 優(yōu)化后的Modbus/TCP協(xié)議通信機制

車載端作為客戶端，向服務(wù)器（控制中心子系統(tǒng)）發(fā)出通信請求，服務(wù)器接到請求后返回其響應(yīng)；當(dāng)客戶端接收到后，將所要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)依次傳輸至服務(wù)器端，完成通信。當(dāng)通信中斷時，客戶端可將數(shù)據(jù)暫時放入緩存，待通信重新建立后，重新發(fā)送至控制中心服務(wù)器。增加多一次認(rèn)證握手步驟，進一步強化TCP通信可靠性。

3.2 多連接TCP通信的優(yōu)化算法

車地?zé)o線局域網(wǎng)的不穩(wěn)定性，可能造成某個連接短時間內(nèi)的斷開。當(dāng)客戶端重新請求建立連接，服務(wù)器端為其建立新的連接后，此時還需要將同一客戶端發(fā)起的上一個“無效連接”從連接隊列中刪除，從而提高通信效率。“刪除無效連接”既可以實時、準(zhǔn)確地進行多對一通信，又可以有效地刪除由于網(wǎng)絡(luò)或車載客戶端故障而導(dǎo)致的無效連接，避免“無效鏈接”不斷膨脹，造成服務(wù)器端響應(yīng)能力驟降。

4 結(jié)束語

通過對應(yīng)用系統(tǒng)側(cè)的TCP/IP通信協(xié)議的優(yōu)化，有效改善了業(yè)務(wù)系統(tǒng)的實時可靠通信的能力，在多次仿真實驗和現(xiàn)場應(yīng)用中效果良好。因此，在部署車地?zé)o線局域網(wǎng)時一定要重視其自身固有的一系列傳輸問題和特性，除了通過優(yōu)化無線網(wǎng)絡(luò)提升網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量外，更重要的是業(yè)務(wù)系統(tǒng)開發(fā)時重視TCP/IP通信交互的可靠性措施，尤其是傳輸層協(xié)議的優(yōu)化，確保數(shù)據(jù)包的安全傳輸，從而實現(xiàn)整個應(yīng)用系統(tǒng)的實時性和可靠性目標(biāo)。

[1]趙麟杰，王志麟，鄭國莘.車地?zé)o線局域網(wǎng)可靠通信的研究[J].城市軌道交通研究，2012，15（1）：45-48.

[2]王金廉，謝劍英，賈青.基于TCP/IP的多線程通信及其在遠程監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2000，26（1）：47-49.

[3]趙麟杰，張培松，朱峰浩.車輛實時監(jiān)測系統(tǒng)及方法：ZL200910198104.7[P].2011-09-28.

Analysis of Real-Time and Reliable Communication Problems in Train-Ground Wireless LAN Carrying TCP/IP

Zhao Linjie

China Railway Signals & Communication Shanghai Engineering Bureau Group Co., Ltd., Shanghai 200436

The rail transit vehicle and local area wireless LAN is used as the main bearing technology for the reliable communication of vehicles. It has the characteristics of large communication bandwidth, small delay, and ability to support multiple service systems. However, its technical system has problems such as natural transmission loss and delay interruption, which will have a great impact on the transmission of key real-time information on board. Therefore, the insufficiency of the TCP/IP transport layer protocol applied in the vehicle-to-ground wireless local area network is analyzed. The optimization proposal of the multi-connection TCP communication protocol is proposed to realize the real-time, accuracy and reliability objectives of the application system.

train-ground wireless local area network; packet loss; delay; reliability; TCP; multiple connections

TN925+.93

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趙麟杰（1980—），男，高級工程師，研究方向為通信工程。