专利名称：轨道交通中车地数据传输多重冗余处理方法
技术领域：
本发明涉及一种轨道交通中车-地数据传输多重冗余处理机制，尤其是一种为城市轨道交通CBTC系统提供高可靠性、高可用性的车-地双向无线数据通信而设计的多链路传输技术，具体地说是一种轨道交通中车地数据传输多重冗余处理方法。
背景技术：
众所周知，早期的铁路信号系统主要利用联锁设备来确保列车在固定的轨道上按指定方向安全、有效地运行。当前，随着计算机、通信以及自动控制的技术的迅速发展，城市轨道交通信号系统已发展成为一个先进的自动控制系统——即列车自动控制系统(简称 ATC系统)，它是列车安全、高效运行的主要保证。ATC系统由早期的固定闭塞体制发展到目前的移动闭塞体制——即基于通信的列车控制(CBTC)，数据通信系统(DCS)旨在解决CBTC 系统中车-地传输中的关键问题，即在列车高速移动过程中保证列车与轨旁网络连接的稳定可靠。传输CBTC高安全性报文不能产生丢包现象，同时系统的任何单点故障都不影响 CBTC安全报文的传输。
目前常用的提高数据传输的可靠性和可用性，提供冗余能力的方式主要是同时建立A、B两张无线网络。发明内容
本发明的目的是根据CBTC数据传输中高安全性和高可靠性要求的需求，发明一种轨道交通中车地数据传输多重冗余处理方法。
本发明的技术方案是一种轨道交通中车地数据传输多重冗余处理方法，其特征是对与安全传输有关的硬件全部采用冗余设计，所述的硬件冗余设计包括1.在轨旁AP和车载STA中使用双无线网卡；2.在车头和车尾均配置车载STA，且车头和车尾STA均通过专业列车线相互连接，实现彼此热备；3.使中心通信网关冗余配置，互为热备；4.轨旁数据传输网络采用冗余设计； 5.无线信号完全冗余覆盖；地面应用主机发往车载应用主机的下行数据报文由中心通信网关复制四份后，通过四条不同的无线链路发往目的列车，再由车载目的主机对应的STA 将四份报文进行验证处理后发给目的主机；相反方向的上行数据报文也经过同样的处理； 因此，CBTC应用报文同时经由四条不同的链路传输，确保传输不丢包，系统内的任何单点故障都不影响数据的传输。
所述的轨旁数据传输网络采用冗余设计为采用双核心+高性能光纤环网。
所述的车头和车尾STA —个在车头，另一个在车尾；车载应用主机的默认网关都指向与其直接连接的STA，因此来自车载网络的数据首先到达对应车载STA ；该STA复制数据并添加时间戳、序号等字段，一方面调用数据转发模块通过无线端口，经轨旁的AP发往通信网关；另一方面，数据通过专用列车线传到对端STA，由对端STA根据自身的无线链路连接情况，独立地经由轨旁AP发往通信网关；因此，所有的ATC应用业务数据同时通过这两个STA传输到地面应用系统，同样，地面应用系统的数据同时经由两个STA传输到车载应用系统；双STA提供了对通信链路的全冗余，以设备和链路的冗余保证了可靠性和可用性。
本发明的有益效果1、本发明的冗余处理机制多条不同链路同时传输相同数据，系统中的单点故障不影响数据传输质量，使系统丢包率达到10_6量级；2、本发明的冗余处理机制既适用于3取2的车载应用主机也适用于2乘2取2的车载应用主机，配置灵活；3、本发明的冗余处理机制能有效防护“删除”、“插入”、“重复”等威胁；4、本发明的冗余处理机制能和IPSec加密认证框架结合，实现数据传输的高安全性。
图1是本发明的系统拓扑结构图。
图2是本发明的数据传输示意图。
图3是本发明的CG流程图。
图4是本发明STA流程图。
图5是本发明的MAC地址获取与转发流程图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。
如图1-5所示。
一种轨道交通中车地数据传输多重冗余处理方法，关键对与安全传输有关的硬件全部采用冗余设计，所述的硬件冗余设计包括1.在轨旁AP (Access Point无线接入点) 和车载STA(Station无线电台)中使用双无线网卡；2.在车头和车尾均配置车载STA，且车头和车尾STA均通过专业列车线相互连接，实现彼此热备；3.使中心通信网关冗余配置，互为热备；4.轨旁数据传输网络采用冗余设计(如采用双核心+高性能光纤环网)；5.无线信号完全冗余覆盖；地面应用主机发往车载应用主机的下行数据报文由中心通信网关复制四份后，通过四条不同的无线链路发往目的列车，再由车载目的主机对应的STA将四份报文进行验证处理后发给目的主机；相反方向的上行数据报文也经过同样的处理；因此，CBTC 应用报文同时经由四条不同的链路传输，确保传输不丢包，系统内的任何单点故障都不影响数据的传输。虽然物理连接上，系统中存在较多的环路，但采用端到端的传输，消除2层环路和3层环路，使系统工作稳定，不存在广播风暴问题。
数据转发包括数据上行和下行两个部分。数据上行是指车载应用主机向地面应用主机传输数据，经STA、AP、通信网关到达目的主机；数据下行是指数据从地面应用主机经由通信网关、AP和STA到达车载应用主机。
在同一列车的双STA上，一个在车头，另一个在车尾。车载应用主机的默认网关都指向与其直接连接的STA，因此来自车载网络的数据首先到达对应车载STA ；该STA复制数据并添加时间戳、序号等字段，一方面调用数据转发模块通过无线端口，经轨旁的AP发往通信网关；另一方面，数据通过专用列车线传到对端STA，由对端STA根据自身的无线链路连接情况，独立地经由轨旁AP发往通信网关。因此，所有的ATC应用业务数据同时通过这两个STA传输到地面应用系统，同样，地面应用系统的数据同时经由两个STA传输到车载应用系统。因此，双STA提供了对通信链路的全冗余，以设备和链路的冗余获得更高的可靠性和可用性。工作示意如图2所示。
数据通信系统简化网络拓扑结构如图1所示，其主要组成设备有1.通信网关CG (Communication Gateway通信网关)为地面接口设备，同时管理全线所有的STA。对需要转发到车载应用主机的数据除增加时间戳、序号等信息外，还增加选路的信息元，确保数据准确发往目的列车与目的主机。对接收到的列车发往地面主机的数据报文，进行冗余处理及验证后，发往地面目的主机。
2.车载STA为车载接口设备，对需要转发到地面应用主机的数据，车载STA增加时间戳、序号等信息，通过4条不同的空间链路转发给对应通信网关，反方向转发地面数据到相应车载设备。在每辆列车车头和车尾各有一台车载STA，每一单元拥有两块工作在不同信道的无线网卡，分别与不同的轨旁AP建立关联。
3.轨旁AP的作用是桥接有线和无线网络，为车载STA提供无线链路接入，通过合理的系统设计，确保轨旁无线信号完全冗余覆盖，车头(或车尾)的两个STA分别关联轨旁不同的AP，这样一部列车就拥有了 4条不同的链路。轨旁相邻AP有线端应该通过不同的交换机或光纤网与通信网关进行连接，在单AP或其所连接的有线网络失效时，每一列车与通信网关仍有2条以上或2条的链路存在。
硬件链路的冗余还需要软件配合来实现资源的有效利用，否则不仅浪费资源还可能会影响系统正常工作，产生如网络产生环路、端到端收到重复包、时延过大等问题。
在数据转发层采用链路冗余机制时，从地面应用主机到车载应用主机传送一个IP 分组的流程如下1.通信网关截获地面应用主机发往车载主机的一个IP分组。
2.给IP分组添加ID、时戳和选路信息，新的IP分组作为数据通信系统内部的数据分组，并添加到转发队列。
3.把转发队列中的新分组复制4份并使用UDP (User Datagram Protocol用户数据报协议)通过对应列车的4条链路转发给车载STA。
4.如果车载STA收到发往与自己直接连接车载应用主机的分组，则首先根据ID和时戳查看已转发数据包缓存中是否已经存在此分组若存在，则丢弃该分组；若不存在，则添加此分组的ID和时戳到缓存，并转发原始IP分组到相应车载主机。如果车载STA收到发往同一列车对端的分组，则通过列车首尾有线链路转发给对端。
5.车载应用主机接收此分组。
从车载应用主机到地面应用主机传送一个分组的流程与前者类似，车载STA截获车载应用主机发往地面应用主机的IP分组后冗余转发到地面通信网关，再转发给对应地面应用主机。
关键技术主要有链路冗余配置、数据分组冗余处理、MAC (Media Access Control 媒介接入控制)地址动态处理和数据截获及缓存处理等。
采用冗余传输机制提高了数据转发的可靠性，但仍然需要附加相应的处理机制来减小冗余传输对应用的影响，否则会产生端到端收到重复包和转发延迟过大等严重问题。
通信网关和车载STA的数据转发冗余处理流程如图3、图4所示。
通信网关和车载STA在进行数据转发的过程中，如果不采取其他措施，从收到数据到把处理后的数据发送出去需要数次的内存拷贝操作，这将对转发性能造成较大的影响。为了减小内存拷贝对转发性能的影响，采用了尽可能的减少内存操作的措施，具体如下1.由于需要在截获的原始数据包前添加ID和时戳等内容来对其进行封装操作，所以在使用locket Socket截获数据帧时，并不是把其存放到空闲内存区的起始位置，而是在前面为ID和时戳等添加内容预留足够的内存空间。然后直接在原始数据包前面添加ID和时戳等信息元，通过UDP Socket转发封装后的数据分组时可以直接发送，勿需附加另外的内存拷贝操作，大大减小了 CPU和内存资源的占用，提高了转发性能。
2.通过locket Socket向应用主机转发原始数据包时，存在对应主机MAC地址不在缓存列表的情况，动态获取MAC地址需要花费一定的时间，这时需要把数据包转存到ARP 数据缓存队列中，在收到ARP应答之后才能转发原始数据包，转存整个原始数据包也将花费一定的CPU和内存资源，尤其是业务量比较繁重的时候，这对系统资源是巨大的花费。为了降低影响，我们不转存整个原始数据包，而是把其内存首地址和数据包大小存到ARP数据缓存队列中，降低了对CPU和内存资源的占用，在一定程度上提高了转发性能。
3.在通过locket Socket向应用主机转发原始数据包时，也并不是把原始数据包转存到另外的内存区域，而是直接偏移所添加ID和时戳等信息的大小，直接以此首地址作为要发送数据的参数。
通信网关和车载STA向应用主机发送原始数据帧时需要获取对应主机的MAC地址，为了提高系统的灵活性和可移植性，采取了动态获取MAC地址方法和相关的处理机制， 如图5所示。
ARP协议是根据网络层地址获取对应主机数据链路层地址的协议，此处主要是根据IP地址获取对应主机的MAC地址。由于从发送ARP请求到收到ARP应答需要耗费一定的时间，尽管一般在Ims以内，但是仍然会对转发性能造成一定地影响，所以在MAC地址列表的基础上增加了 ARP请求列表(存放已发送的ARP请求)和ARP数据缓存队列(存放未获取到MAC地址但已发送ARP请求的原始数据帧)。实际的数据转发分为了 3种情况1.需要转发原始数据帧的目的主机MAC地址已经在MAC缓存列表中存在，则直接转发此数据帧。
2.对应MAC地址在缓存列表中不存在，且未发送对应MAC地址的请求，则发送对应MAC地址的ARP请求，并把请求添加到ARP请求列表，及把原始数据帧转存到ARP数据缓存队列。
3.对应MAC地址在缓存列表中不存在，但是已经发送了对应MAC地址的请求，则直接把原始数据帧转存到ARP数据缓存队列。
本发明未涉及部分均与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。
权利要求
1.一种轨道交通中车地数据传输多重冗余处理方法，其特征是对与安全传输有关的硬件全部采用冗余设计，所述的硬件冗余设计包括1.在轨旁AP和车载STA中使用双无线网卡；2.在车头和车尾均配置车载STA，且车头和车尾STA均通过专业列车线相互连接， 实现彼此热备；3.使中心通信网关冗余配置，互为热备；4.轨旁数据传输网络采用冗余设计；5.无线信号完全冗余覆盖；地面应用主机发往车载应用主机的下行数据报文由中心通信网关复制四份后，通过四条不同的无线链路发往目的列车，再由车载目的主机对应的STA 将四份报文进行验证处理后发给目的主机；相反方向的上行数据报文也经过同样的处理； 因此，CBTC应用报文同时经由四条不同的链路传输，确保传输不丢包，系统内的任何单点故障都不影响数据的传输。
2.根据权利要求1所述的轨道交通中车地数据传输多重冗余处理方法，其特征是所述的轨旁数据传输网络采用冗余设计为采用双核心+高性能光纤环网。
3.根据权利要求1所述的轨道交通中车地数据传输多重冗余处理方法，其特征是所述的车头和车尾STA —个在车头，另一个在车尾；车载应用主机的默认网关都指向与其直接连接的STA，因此来自车载网络的数据首先到达对应车载STA ；该STA复制数据并添加时间戳、序号等字段，一方面调用数据转发模块通过无线端口，经轨旁的AP发往通信网关；另一方面，数据通过专用列车线传到对端STA，由对端STA根据自身的无线链路连接情况，独立地经由轨旁AP发往通信网关；因此，所有的ATC应用业务数据同时通过这两个STA传输到地面应用系统，同样，地面应用系统的数据同时经由两个STA传输到车载应用系统；双STA 提供了对通信链路的全冗余，以设备和链路的冗余保证了可靠性和可用性。
全文摘要
一种轨道交通中车地数据传输多重冗余处理方法，其特征是对与安全传输有关的硬件全部采用冗余设计，即1.在轨旁AP和车载STA中使用双无线网卡；2.在车头和车尾均配置车载STA，且车头和车尾STA均通过专业列车线相互连接，实现彼此热备；3.使中心通信网关冗余配置，互为热备；4.轨旁数据传输网络采用冗余设计；5.无线信号完全冗余覆盖；地面应用主机发往车载应用主机的下行数据报文由中心通信网关复制四份后，通过四条不同的无线链路发往目的列车，再由车载目的主机对应的STA将四份报文进行验证处理后发给目的主机；相反方向的上行数据报文也经过同样的处理。本发明能实现多条不同链路同时传输相同数据，系统中的单点故障不影响数据传输质量，使系统丢包率达到10-6量级，数据传输安全性高。
文档编号H04L29/12GK102497429SQ201110414160
公开日2012年6月13日 申请日期2011年12月13日 优先权日2011年12月13日
发明者余锦军, 李洋 申请人:南京恩瑞特实业有限公司